摘 要

随着我国地下空间开发与城市轨道交通建设的高速发展，隧道近接施工现象已经屡见不鲜。盾构隧道下穿既有隧道施工安全涉及多源致险因素，且多源致险因素普遍存在模糊与随机不确定性，灾变机理复杂，尤其是在构筑物密集的城市中心区域，其引起的地层变形极易诱发上部既有隧道的结构变形和沉降，从而影响到隧道的正常运营。因此，盾构隧道下穿既有隧道的施工安全问题已经成为隧道施工建设中非常重要的研究课题，对此类工程进行全局的安全风险分析、评价与决策控制具有重要的工程意义。

本文在数据挖掘的基础上，首先从施工前工程安全预评价角度出发，在总结大量文献和相关标准的基础上，从隧道本体、水文地质、新建隧道条件、施工与管理四类因素考虑，选取14个主要影响因素建立了一套较为完善的盾构隧道下穿既有隧道安全风险评估体系及评价标准。引入可对不确定信息进行有效融合的证据理论，提出了基于模糊贝叶斯证据理论的盾构隧道下穿既有隧道安全预评价模型，采用所提出的安全预评价模型进行风险推理与敏感性分析，以便事先确定工程的安全风险状态和关键的控制因素。然后从施工阶段工程安全风险评价角度出发，针对盾构隧道下穿既有隧道施工风险体系复杂和非线性关系的特点，提出将Copula理论和贝叶斯网络相结合的盾构隧道下穿既有隧道施工风险空间相依性评价PCBN模型，基于所构建的PCBN模型进行风险分析和相关性分析，以确定工程的施工风险状态以及与施工风险相关性较高的关键风险因素，为施工阶段的安全管理提供思路。为了验证所提出评估模型的有效性和准确性，依托于武汉某隧道下穿工程进行实例分析，实现了盾构隧道下穿既有隧道全过程的安全预警控制与管理决策。

关键词：盾构隧道；下穿施工；安全风险评价；贝叶斯网络；证据理论；Copula理论；相关性分析；预警控制

Abstract

With the rapid development of underground space exploitation and urban rail transit construction in China, the phenomenon of tunnel proximity construction has been common. The construction safety of tunnel under shield tunneling involves multi-source risk factors, and the multi-source risk factors are generally fuzzy and random uncertainty, and the mechanism of disaster is complex, especially in the urban center area with dense structure. Therefore, the construction safety of the existing tunnel under shield tunnel has become a very important research topic in the construction of tunnel. Safety risk analysis, evaluation and decision control have important engineering significance.

On the basis of data mining, this paper first from the pre-evaluation of pre-construction engineering safety, based on the summary of a large number of documents and related standards, from the tunnel body, hydrogeology, new tunnel conditions, construction and management of four factors, selected 14 main factors to establish a relatively perfect shield tunnel under the existing tunnel safety risk assessment system and evaluation criteria. This paper introduces the evidence theory which can effectively fuse the uncertain information, and puts forward the pre-evaluation model of tunnel safety under shield tunneling based on fuzzy Bayesian evidence theory.Then from the point of view of engineering safety risk evaluation in construction stage, according to the characteristics of complex and nonlinear relationship of construction risk system of existing tunnel under shield tunnel, a PCBN model combining Copula theory and Bayesian networks is proposed to evaluate the spatial dependence of construction risk of existing tunnel under shield tunnel. In order to verify the validity and accuracy of the proposed evaluation model, it relies on a tunnel in Wuhan The case analysis of the underpass project realizes the safety early warning control and management decision of the whole process of the tunnel under the shield tunnel.

Key Words:Shield tunnel; Traversing construction; Safety risk assessment; Bayesian networks; Theory of evidence; Copula theory; Correlation analysis; Early warning and control

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1盾构下穿隧道的影响和安全研究现状 2

1.2.2贝叶斯网络和证据理论应用研究现状 3

1.2.3 Copula-贝叶斯网络应用研究现状 4

1.3研究内容及技术路线 6

第2章 理论基础 8

2.1贝叶斯网络 8

2.1.1贝叶斯网络基本概念 8

2.1.2贝叶斯网络的概率论基础 8

2.3证据理论 9

2.2.1证据理论的基本概念 9

2.2.2 Dempster合成规则 10

2.2.3证据理论的不足 10

2.2 Copula理论 11

2.3.1 Copula函数 11

2.3.2 Pair-Copula-贝叶斯模型 12

第3章 基于模糊贝叶斯证据理论的盾构隧道下穿既有隧道安全风险预评价 13

3.1引言 13

3.2盾构隧道下穿既有隧道安全风险影响及预评价指标体系 13

3.2.1主要影响因素分析 13

3.2.2安全风险等级划分 15

3.3基于模糊贝叶斯证据理论的安全风险预评价 16

3.3.1贝叶斯网络设计 16

3.3.2专家评价模糊化 17

3.3.3基于改进证据理论的区间融合 18

3.3.4风险概率推理与分析 21

3.4实例分析 23

3.4.1工程概况 23

3.4.2构建贝叶斯网络 23

3.4.3专家评价模糊化及区间证据融合 24

3.4.4风险评价 27

3.5讨论 29

3.6本章小结 31

第4章 基于PCBN模型的盾构隧道下穿既有隧道施工过程安全风险动态评价 32

4.1引言 32

4.2基于PCBN模型的施工风险动态评价 32

4.2.1盾构隧道下穿既有隧道施工风险动态评价指标体系 33

4.2.2 PCBN模型构建 33

4.2.3基于PCBN模型的风险分析 35

4.2.4基于PCBN模型的指标相关性分析 36

4.3实例分析 38

4.3.1 工程概况 38

4.3.2 PCBN模型构建 39

4.3.3基于PCBN模型的风险分析 42

4.3.4基于PCBN模型的相关性分析 43

4.4讨论 52

4.5本章小结 53

第5章 结论与展望 54

5.1研究结论 54

5.2研究展望 54

参考文献 56

致谢 61

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着我国城市化建设的飞速发展，城市人口密度越来越大，城市居民的出行需求急剧增加，同时，随着地面建筑和各种基础设施的大规模修建，城市用地愈来愈紧张，使得城市交通拥堵现象越来越严重，为了缓解交通拥堵压力，地下轨道交通的开发成为了一条有效的解决途径。近年来，我国的城市轨道交通建设进入高速发展时期，建设规模不断增加，地下轨道网线越来越密集，为了充分利用地下空间，同时由于既有构筑物、施工技术和地质条件等各种因素的限制，新建隧道临近既有隧道修建的情况开始不可避免的出现，甚至越来越普遍。

目前，我国已建成的隧道工程中就有许多近距离的近接隧道。2005年，上海市地铁4号线浦东南路站至南浦大桥站区间隧道为双线盾构隧道，隧道上、下近距离重叠，双线最小净间距仅有2 m。2013年，武汉地铁2号线和4号线在洪山广场站至中南路站区间隧道出现上下重叠，隧道重叠部分长达700多米，其中最小间距仅2m，。2014年开工的长沙地铁3号线，其一期工程灵官渡站至侯家塘站左线区间与地铁1号线交叉下穿，下穿长度为54m，最小净距仅为5.5m。2018年，天津地铁6号线肿瘤医院站一共有8条地铁隧道相互重叠并行，隧道间的间距最小只有2.3m，形成了国内规模最大的麻花状地铁隧道群。深圳市地铁7号线和9号线均连续近距离下穿1号线地铁，形成了六线交汇的复杂线路，在国内外均属首例。

城市隧道工程施工方法主要有盾构法、暗挖法、明（盖）挖法等，而盾构法由于安全性高、效率高等优势，被广泛用于地铁隧道的施工中。城市隧道工程主要在岩土体内部施工，不论采用何种开挖方式，都会不可避免地对原有的地下岩土体产生一定的扰动，从而使其应力分布产生不平衡，为了达到新的平衡状态，地层应力分布会相应地发生调整，进而引起地层的沉降和变形。当盾构隧道临近既有隧道进行修建时，如果两隧道间距过小，会不可避免地对既有隧道产生影响，诱发其产生沉降变形，严重时会导致既有隧道结构产生较大破坏，从而影响既有隧道的正常运营。如果不及时采取措施对工程进行一定的管控，很有可能导致安全事故的产生，带来严重的生命财产损失。由此可见，采用近接隧道施工形式，其隧道施工中的安全风险问题不容忽视，有必要对盾构隧道下穿运营隧道的影响和施工安全控制进行深入而系统的研究。