基于土体力学特性的盾构隧道施工风险监控系统研究
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摘要
随着我国隧道建设的高速发展，盾构法隧道施工得到了广泛应用，并已积累了丰富的理论和实践经验，然而盾构始发和到达施工事故发生概率高，且易引发地表沉陷、隧道坍塌，甚至人员伤亡等严重的工程安全和质量问题，据统计，盾构法隧道施工有70%以上的重大事故发生在盾构始发与到达阶段。目前，盾构施工风险监控是工程和学术界的研究热点和需要重点解决的重要难题之一。
本文针对盾构法隧道始发与到达施工特点，通过理论研究、力学试验和模型试验等手段，研究了加固土体的力学特性，并采用层次分析法、权重自调整方法、改进克隆选择算法、模糊数学等方法，构建了风险动态评估模型，研究了预控和应急措施等风险控制措施，开发盾构始发与到达施工实时远程动态风险监控系统，并应用于多个实际工程以避免事故的发生。本文主要工作和研究成果如下：
1）通过对加固土体进行理论分析、真三轴试验、宏观结构模型试验和失效模型试验，研究得到了加固土体的稳定判断指标和风险分级，并利用模糊综合评判法，提出了多指标阈值判断模型（MIVA），构建了加固体稳定状态风险辨识模型，实现了盾构始发到达施工阶段对加固体的风险进行定量化综合辨识和评价。
2）针对盐水冻结加固工法，进行三种土层的单根、单排和双排的室内相似比盐水冻结温降试验，并根据现场冻结方案进行了冻结加固体失效模型试验，研究盐水冻结的温降规律和冻结土体失效破坏机理，提出了冻结法加固体稳定性评价指标和风险分级。
3）提出了改进克隆选择算法（ICSA），采用“负选择”和“克隆选择”原理、投票表决机制、克隆选择动力学模型，结合盾构始发与到达施工的特点，提出了适用于盾构始发与到达施工的免疫风险辨识模型，实现了实时动态风险辨识。
4）提出权重自调整的层次分析法，分工序工艺建立了盾构始发与到达施工风险评估模型的结构和权重体系。通过事例分析、模型试验等手段进行研究，得到盾构始发和到达施工全过程的风险源与风险等级，构建了风险动态评估模型。
5）开发了盾构始发与到达施工全过程动态远程风险监控系统，该系统不仅具有实时远程监控、智能判断、风险评估、分级报警和辅助决策等功能，而且具有自学习能力，可不断修正和完善风险辨识和防范模型。
6）盾构始发与到达施工全过程动态远程风险监控系统在长江隧道等多个工地中进行了成功应用，验证了该系统能够根据静态和动态的数据，识别潜在的风险，并能提出有效的风险预控技术措施，进行及时风险防范和处理，具有实用性。
With the highly development of tunnel construction in China, the shield methodare being used extensively. Although we have accumulated abundant practicalexperience for shield tunneling, the risk still exist. According to statistics, more than70%of major accidents occurred while the shield is starting from shaft or reaching toshafted. Soil destabilization and hole leakage is common causes for risk in the shieldstarting and arriving construction, which maybe bring serious problems of safety andquality such as surface subsidence, tunnel collapsing and casualties.ConstructionSafety in the phase of starting and arriving shaft had been paid muchattention by state and local government in China.
In this paper, based on theoretical study, mechanics and modeling experiments,we build a dynamic risk evaluation system with analytic hierarchy process, adaptiveweight adjusting method, improved clonal selection algorithm and fuzzy mathematicstheory. And we study pre-control and emergency measures to build a remote real-timerisk monitor and control system, which has been applied to the engineering practice toavoid accidents. The major achievements in this thesis are as follows
1) According to the theoretical analysis, actual triaxial test, macrostructuremodeling experiments and failure modeling experiments, the discrimination indexesof stability and risk ranking of reinforced soil has been obtained. The paper alsopresents the model of multi-index threshold value analysis and the risk identificationmodel of stable state according to the fuzzy comprehensive evaluation method. Thusthe quantitative comprehensive identification and assessment of reinforced soil in thestarting and arriving construction stage has been achieved.
2) Indoor freezing tests of single pipe, single row pipe and double row pipe forthree kinds of soil were made to analyze the temperature drop law and the failuremechanisms of frozen soil. Meanwhile, the stability evaluation index and the riskranking for freezing method are established.
3) This paper proposes an improved clonal selection algorithm (ICSA) inspiredby biologocal immune principles, including negative selection, clone selection, votingmechanism and so on. Considering the features of the shield construction, thisimmune model is specified to implement real-time risk identification.
4) In this paper, the analysis hierarchical process based on adaptive weightadjusting is used for establishing the structure and weight system of risk assessment models at the shield starting and arriving construction stage. Meanwhile, the dynamicrisk evaluation model is initialized through case analysis and modeling experiments.
5) The risk intelligent surveillance system is utilized to monitor the wholeprocess in the shield starting and arriving construction, which not onlyincludsreal-time monitoring, intelligent judgment, risk assessment, hierarchy alarmand decision making aids, but also has self-learning ability and self-mending ability.The practical engineering application proved that this system can find potential risksand make some effective risk pre-control technical measures.
本文针对盾构法隧道始发与到达施工特点，通过理论研究、力学试验和模型试验等手段，研究了加固土体的力学特性，并采用层次分析法、权重自调整方法、改进克隆选择算法、模糊数学等方法，构建了风险动态评估模型，研究了预控和应急措施等风险控制措施，开发盾构始发与到达施工实时远程动态风险监控系统，并应用于多个实际工程以避免事故的发生。本文主要工作和研究成果如下：
1）通过对加固土体进行理论分析、真三轴试验、宏观结构模型试验和失效模型试验，研究得到了加固土体的稳定判断指标和风险分级，并利用模糊综合评判法，提出了多指标阈值判断模型（MIVA），构建了加固体稳定状态风险辨识模型，实现了盾构始发到达施工阶段对加固体的风险进行定量化综合辨识和评价。
2）针对盐水冻结加固工法，进行三种土层的单根、单排和双排的室内相似比盐水冻结温降试验，并根据现场冻结方案进行了冻结加固体失效模型试验，研究盐水冻结的温降规律和冻结土体失效破坏机理，提出了冻结法加固体稳定性评价指标和风险分级。
3）提出了改进克隆选择算法（ICSA），采用“负选择”和“克隆选择”原理、投票表决机制、克隆选择动力学模型，结合盾构始发与到达施工的特点，提出了适用于盾构始发与到达施工的免疫风险辨识模型，实现了实时动态风险辨识。
4）提出权重自调整的层次分析法，分工序工艺建立了盾构始发与到达施工风险评估模型的结构和权重体系。通过事例分析、模型试验等手段进行研究，得到盾构始发和到达施工全过程的风险源与风险等级，构建了风险动态评估模型。
5）开发了盾构始发与到达施工全过程动态远程风险监控系统，该系统不仅具有实时远程监控、智能判断、风险评估、分级报警和辅助决策等功能，而且具有自学习能力，可不断修正和完善风险辨识和防范模型。
6）盾构始发与到达施工全过程动态远程风险监控系统在长江隧道等多个工地中进行了成功应用，验证了该系统能够根据静态和动态的数据，识别潜在的风险，并能提出有效的风险预控技术措施，进行及时风险防范和处理，具有实用性。
With the highly development of tunnel construction in China, the shield methodare being used extensively. Although we have accumulated abundant practicalexperience for shield tunneling, the risk still exist. According to statistics, more than70%of major accidents occurred while the shield is starting from shaft or reaching toshafted. Soil destabilization and hole leakage is common causes for risk in the shieldstarting and arriving construction, which maybe bring serious problems of safety andquality such as surface subsidence, tunnel collapsing and casualties.ConstructionSafety in the phase of starting and arriving shaft had been paid muchattention by state and local government in China.
In this paper, based on theoretical study, mechanics and modeling experiments,we build a dynamic risk evaluation system with analytic hierarchy process, adaptiveweight adjusting method, improved clonal selection algorithm and fuzzy mathematicstheory. And we study pre-control and emergency measures to build a remote real-timerisk monitor and control system, which has been applied to the engineering practice toavoid accidents. The major achievements in this thesis are as follows
1) According to the theoretical analysis, actual triaxial test, macrostructuremodeling experiments and failure modeling experiments, the discrimination indexesof stability and risk ranking of reinforced soil has been obtained. The paper alsopresents the model of multi-index threshold value analysis and the risk identificationmodel of stable state according to the fuzzy comprehensive evaluation method. Thusthe quantitative comprehensive identification and assessment of reinforced soil in thestarting and arriving construction stage has been achieved.
2) Indoor freezing tests of single pipe, single row pipe and double row pipe forthree kinds of soil were made to analyze the temperature drop law and the failuremechanisms of frozen soil. Meanwhile, the stability evaluation index and the riskranking for freezing method are established.
3) This paper proposes an improved clonal selection algorithm (ICSA) inspiredby biologocal immune principles, including negative selection, clone selection, votingmechanism and so on. Considering the features of the shield construction, thisimmune model is specified to implement real-time risk identification.
4) In this paper, the analysis hierarchical process based on adaptive weightadjusting is used for establishing the structure and weight system of risk assessment models at the shield starting and arriving construction stage. Meanwhile, the dynamicrisk evaluation model is initialized through case analysis and modeling experiments.
5) The risk intelligent surveillance system is utilized to monitor the wholeprocess in the shield starting and arriving construction, which not onlyincludsreal-time monitoring, intelligent judgment, risk assessment, hierarchy alarmand decision making aids, but also has self-learning ability and self-mending ability.The practical engineering application proved that this system can find potential risksand make some effective risk pre-control technical measures.
引文
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