摘 要

随着地铁轨道交通网络和高速铁路工程的飞速发展，盾构隧道施工下穿高速铁路的现象越来越常见。地铁施工处在复杂多变的地下环境中，其引起的地层变形会严重影响到上部铁路的结构安全和运营安全，且下穿盾构与上部铁路设施构成的复杂系统涉及多源风险因素，安全致险作用机理不易探究。因此基于对盾构下穿铁路近接施工系统的数据挖掘，展开全过程安全影响研究，实现对此类工程全局的风险评价管理与决策具有重要意义。

论文首先基于盾构下穿铁路工程施工前阶段，从地质条件、隧道相关参数、既有铁路风险和施工管理条件等四个维度考虑，提出了一套共涵盖14个影响因素的安全风险预评价指标体系和等级划分标准，依据云模型和改进证据理论对预评价框架下的多源致险因素信息进行层层融合和推理决策，获得风险评价结果，利用蒙特卡洛模拟技术对系统风险水平进行感知，并进行敏感性分析，在施工前事先分析了工程的安全风险状态和关键的风险因素。然后立足于盾构下穿铁路施工过程，对施工管理条件下的影响因素进行调整，利用动态推理工具云贝叶网络对施工过程安全影响变量进行风险建模，根据推理得到的聚合概率分布和基于综合云生成风险期望值对施工系统的风险状态进行预测，结合敏感性分析和逆向诊断技术，支持盾构下穿铁路施工事前、事中及事后各阶段的安全风险实时评价与动态预警决策保护。以某地铁工程为实例，验证了全过程安全风险分析方法的适用性和有效性。

关键词：地铁盾构隧道；下穿施工；高速铁路；安全风险评价；云模型；D-S证据理论；贝叶斯网络；预警控制

Abstract

With the rapid development of metro rail transit networks and high-speed railway construction, the phenomenon of shield tunneling under-through high-speed railway is more and more common. The metro construction site is in a complex and changeable underground environment, and the formation deformation caused by it will seriously affect the structural safety and operational safety of the upper railway. and the complex system formed by under-shield and upper railway facilities involves multiple sources of risk factors, so the mechanism of safety risk is not easy to explore. Therefore, it is of great significance to carry out research on the safety impact of the whole process of shield tunneling under the railway construction, and to realize the overall risk assessment management and decision-making of such projects.

Firstly, based on the pre-construction stage of the shield tunnel under the railway project, the paper proposes a set of safety risk pre-evaluation index system and grade division standards covering 14 influencing factors, considering the four dimensions of geological conditions, tunnel related parameters, existing railway risks and construction management conditions. According to the cloud model and improved evidence theory, the multi-source risk factors information under the pre-evaluation framework is fused and inferred to obtain risk assessment results, and the Monte Carlo simulation technology is used to sense the system risk level and conduct sensitivity analysis, and analyze the safety risk status and key risk factors of the project before construction. Then based on the construction process of shield tunneling under-pass the railway, adjust the influencing factors under the construction management conditions, use the dynamic inference tool cloud Bayesian network to risk model the safety influencing variables of the construction process, according to the aggregation probability distribution obtained by reasoning and risk expectation value generated by the comprehensive cloud predict the risk state of the construction system, and combines sensitivity analysis and reverse diagnosis technology to support real-time safety risk assessment and dynamic early warning decision protection at all stages before, during, and after the construction of the shield tunneling under the railway. Taking a metro project as an example, the applicability and effectiveness of the entire process safety risk analysis method are verified.

Key words: metro shield tunnel; under-through construction; high-speed railway safety risk assessment; cloud model; D-S evidence theory; Bayesian network; warning and control.

目录

第一章 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 盾构下穿铁路安全风险研究现状 2

1.2.2 云模型和证据理论方法研究现状 4

1.2.3 云贝叶斯方法研究现状 5

1.3 主要研究内容及技术路线 6

1.3.1 研究内容 6

1.3.2 技术路线 7

第二章 理论基础 9

2.1 云模型 9

2.2 证据理论 10

2.3 贝叶斯网络 12

第三章 盾构下穿高速铁路安全风险预评价 14

3.1 盾构下穿高速铁路安全风险预评价框架 15

3.1.1 盾构下穿高速铁路安全风险预评价影响因素 15

3.1.2 盾构下穿铁路安全风险评价等级划分标准 17

3.2 基于云-改进证据理论的安全风险预评价研究 19

3.2.1 基于云模型的证据表达 19

3.2.2 改进D-S证据理论 21

3.2.3 基于蒙特卡洛模拟的仿真风险分析 24

3.3 实例研究 25

3.3.1 工程概况 25

3.3.2 数据收集及信息表达 26

3.3.3 信息融合及决策 29

3.3.4 仿真安全风险分析 31

3.4 讨论 34

3.5 本章小结 37

第四章 盾构下穿高速铁路施工安全风险动态评价 39

4.1 施工阶段安全致险机理分析及指标体系构建 39

4.2 基于云贝叶斯网络施工过程风险动态评价 41

4.2.1 贝叶斯网络构建 42

4.2.2 云模型转换 42

4.2.3 聚合概率风险预测分析 45

4.2.4 基于云BN的敏感性分析和风险诊断 46

4.3 实例分析 47

4.3.1 工程背景 47

4.3.2 盾构下穿铁路施工过程安全风险贝叶斯网络构建 47

4.3.3 预测结果分析 48

4.3.4 事中控制和事后控制 53

4.3.5 与传统贝叶斯网络的对比研究 55

4.4 讨论 57

4.5 本章小结 58

第五章 结论与展望 59

5.1 结论 59

5.2 展望 60

参考文献 61

致谢 68

绪论

研究背景及意义

在当前社会经济呈现飞速发展的趋势下，我国城市化进程也在进一步加快，随之而来的是各种城市问题层出不穷，例如交通拥堵、环境污染、生活空间狭窄、土地资源短缺等。为了寻求解决这些问题的途径，越来越多的城市将地下空间的开发利用和空中空间的拓展作为重点关注对象。目前，地铁和高铁分别作为城市间、城市内的两种重要轨道交通形式，不但能够拓宽城市空间，而且在改善交通环境、构建立体交通网络方面具有显著优势。

进入21世纪以来，我国轨道交通建设发展速度十分迅猛。截至2018年底，全国高铁营运总里程已占据了铁路营运里程22.14%的份额，共计超过2.9万公里，预计在2025年总里程将增加至3.8万公里。与此同时，我国内地大力建设轨道交通的城市达到35个，共开通线路185条，运营线路总长度5761.4公里，其中地铁运营里程约占76.8%达4422公里，到2020年我国城市轨道交通建设投资额将超万亿，地铁建设事业将稳步发展。相比于传统的地铁隧道掘进技术，盾构法地铁施工技术凭借施工效率高、对周围环境影响小，安全易操作等突出优势，被广泛应用于我国的城市地铁建设中。尤其在发达国家，利用盾构法施工的隧道已经达到90%以上。