人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地表變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地表變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

摘要:討論了城市地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)中對(duì)土體的施工擾動(dòng)及引起地層移動(dòng)和地表變形沉降的力學(xué)機(jī)理，概括了施工擾動(dòng)影響的主導(dǎo)因素。結(jié)合工程實(shí)踐，采用了人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值作對(duì)比分析，論證了上述方法的可行性和適用性。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)施工，土體擾動(dòng)，地層移動(dòng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引言

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較強(qiáng)的非線性映射能力和實(shí)測(cè)資料，來對(duì)高度復(fù)雜和高度非線性的變形量進(jìn)行直接建模，因而具有很強(qiáng)的客觀性和適應(yīng)性。文中采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了地表沉降的理論預(yù)測(cè)，并應(yīng)用于南京市地下鐵道1號(hào)線的工程實(shí)踐，獲得了一些有益的認(rèn)識(shí)。1盾構(gòu)施工的地表變形機(jī)理

盾構(gòu)推進(jìn)過程中產(chǎn)生地面變形沉降的根本原因是施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)(徐永福，1999)[1]。盾構(gòu)推進(jìn)過程中產(chǎn)生的地面變形由以下五個(gè)部分組成:1)盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形(δ1):盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)前方土體產(chǎn)生擠壓變形，δ1主要是由于土體受擠壓其有效應(yīng)力增加而引起的。2)盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地面變形(δ2):δ2是由于盾構(gòu)推進(jìn)引起土體應(yīng)力狀態(tài)改變而產(chǎn)生的變形。Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ提出了用超載系數(shù)Ｎ來表示δ2，超載系數(shù)Ｎ擬定為Ｎ=(σ0-Ｐ)/Ｃｕ(1)

其中，σ0為沿盾構(gòu)軸線原位土體的上覆應(yīng)力(包括超載應(yīng)力);Ｐ為開挖面上的支撐力;Ｃｕ為土體的不排水抗剪強(qiáng)度。Ｃｌｏｕｇｈ和Ｓｃｈｍｉｄｔ提出了用上述Ｎ值估算粘土地層中開挖面上的地層損失ΔＶ的方法:ΔＶ=2Ｖ0Ｃｕ[(1+μ)/Ｅ]ｅｘｐ(Ｎ-1)(2)

其中，Ｖ0為盾構(gòu)的理論排土體積;Ｅ為土體彈性模量;μ為泊松比。對(duì)于低塑性粘土，Ｅ=(500～1500)Ｃｕ。Ｎ≥1時(shí)，ΔＶ=ｍＶ0ｅｘｐ(Ｎ-1);Ｎ<1時(shí)，ΔＶ=ｍＮＶ0，而ｍ=2Ｃｕ(1+μ)/Ｅ=0.002～0.006。

2)盾構(gòu)通過時(shí)的地面變形(δ3):盾構(gòu)外殼與土層間會(huì)形成剪切滑動(dòng)面，剪切滑動(dòng)面附近的土層內(nèi)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力引起地表變形δ3。推進(jìn)速度越快，剪切應(yīng)力越大，地表位移δ3也越大。

3)盾構(gòu)通過后的瞬時(shí)地面變形(δ4):δ4主要由建筑空隙造成，建筑空隙是由于管片拼裝后與盾構(gòu)外殼之間形成空隙以及盾構(gòu)偏移隧道軸線引起的空隙之總和。如果土體不產(chǎn)生壓縮和松弛，建筑空隙的體積即等于地面沉降槽的體積，適時(shí)注漿能有效地減小建筑空隙，因而減小地面變形δ4。注漿的填充率等于注漿體積與建筑空隙之比。

4)地表后期固結(jié)變形(δ5):后期固結(jié)變形是由于盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周圍土體擾動(dòng)引起的，前面四種變形可以通過選擇施工機(jī)械和施工參數(shù)加以控制，但無論什么樣的機(jī)械和施工參數(shù)，盾構(gòu)推進(jìn)總會(huì)在一定程度上擾動(dòng)土體，因此，后期固結(jié)變形δ5會(huì)或多或少地存在，是無法消除的。地面后期固結(jié)變形多數(shù)只占地面總變形量的較小部分，大約占總變形量的5%～30%。地面后期固結(jié)變形與地面即時(shí)變形量(∑δｉ)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，地面即時(shí)變形越大，周圍土體的擾動(dòng)程度越大，地面后期固結(jié)變形也越大。2地層移動(dòng)及地表沉降量預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀

在盾構(gòu)施工過程中地層移動(dòng)的預(yù)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量數(shù)值模擬研究，其主要方法有:有限單元法[2，3]、邊界元法[4]、半解析元方法[5，6]等。此外，周文波以上海地區(qū)軟土隧道施工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，編制了盾構(gòu)法隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響和防治的專家系統(tǒng)，用于地面沉降研究[7];李建華則采用模糊—隨機(jī)理論以預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工引起的地層移動(dòng)，基于隨機(jī)場(chǎng)理論、隨機(jī)有限元、模糊概率測(cè)度和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)軟土盾構(gòu)隧道工程中的地層移動(dòng)問題進(jìn)行了較深入的探討[8]。

數(shù)值方法在進(jìn)行地層移動(dòng)預(yù)測(cè)研究中遇到的問題是力學(xué)參數(shù)的選取和本構(gòu)關(guān)系方面的考慮不夠符合工程實(shí)際，加之計(jì)算工作量大，難以在具體工程中采用，而上述專家系統(tǒng)則有獲取大量數(shù)據(jù)以及工程師知識(shí)經(jīng)驗(yàn)上的困難。

作為一種軟科學(xué)方法的工程應(yīng)用，人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用方面，ＪｉｎｇｓｈｅｎｇＳｈｉ等利用Ｂ—Ｐ網(wǎng)絡(luò)對(duì)巴西利亞6.5ｋｍ盾構(gòu)隧道的地表沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析了該隧道施工的特點(diǎn)后，總結(jié)出11款主要的地層移動(dòng)影響因素[9]。ＹｅｈＦＣｈｅｎｇ研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在盾構(gòu)隧道自動(dòng)土壓平衡控制中的應(yīng)用，研制了盾構(gòu)施工土壓力平衡控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)，并在臺(tái)北市一個(gè)隧道工程中加以應(yīng)用檢驗(yàn)，取得了很好的效果[10]。3盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)資料分析

本研究在南京地鐵1號(hào)線區(qū)間三山街—張府園進(jìn)行，該工程位于建鄴區(qū)內(nèi)，是南京市重大工程項(xiàng)目之一。上行線起始于地鐵三山街車站北端井，終止于地鐵張府園站南端頭井。下行線在三山街盾構(gòu)調(diào)頭，向張府園推進(jìn)，上下行線隧道間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。

該區(qū)間隧道由外徑6200ｍｍ，內(nèi)徑5500ｍｍ的預(yù)制鋼筋混凝土襯砌組成，環(huán)寬1000ｍｍ，厚度350ｍｍ，每環(huán)由拱底塊(Ｄ)一塊，標(biāo)準(zhǔn)塊(Ｂ)二塊，鄰接塊(Ｌ1、Ｌ2)二塊，封頂塊(Ｆ3)一塊拼裝而成。本區(qū)間隧道采用德國(guó)公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工，其外徑6390ｍｍ，長(zhǎng)度8200ｍｍ。沿盾構(gòu)軸線上布置了一系列地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行沉降觀測(cè)，上行線于2002年4月16日開始推進(jìn)，推進(jìn)環(huán)數(shù)為8環(huán)/ｄ，4月16日開始監(jiān)測(cè)地表沉降。

正常情況下，側(cè)向土體擠壓擾動(dòng)范圍約在距隧道軸線6ｍ內(nèi)，6ｍ以外土體出現(xiàn)向隧道方向的位移;正面土體擠壓擾動(dòng)范圍約在盾構(gòu)刀盤前方10ｍ內(nèi)，嚴(yán)重范圍則在刀盤前方約6ｍ內(nèi)[6]。根據(jù)南京地鐵1號(hào)線三山街—新街口段監(jiān)測(cè)資料，盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)范圍約為10ｍ～15ｍ，15ｍ以外的土體幾乎不受影響。因此，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的記錄歷時(shí)都較短，多為10ｄ以下，在建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型時(shí)，必須以盾構(gòu)機(jī)為參照物，同時(shí)利用多個(gè)測(cè)點(diǎn)資料作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，并考慮盾構(gòu)機(jī)所在位置的埋深、盾構(gòu)的施工參數(shù)等。預(yù)測(cè)的內(nèi)容可以有多種，可預(yù)測(cè)前方某些點(diǎn)在盾構(gòu)通過時(shí)的沉降，也可預(yù)測(cè)盾構(gòu)通過后一定時(shí)間內(nèi)的沉降，還可預(yù)測(cè)前方某些點(diǎn)的總沉降，這可根據(jù)實(shí)際需要確定。文中研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了盾構(gòu)機(jī)前方30ｍ及盾構(gòu)機(jī)后方30ｍ正上方的地表沉降。按目前盾構(gòu)平均每天推進(jìn)15ｍ，若預(yù)測(cè)前方5ｍ處地表沉降超過警戒值，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)(推進(jìn)速度、密封倉(cāng)壓力、千斤頂推力、注漿時(shí)間等等)，當(dāng)盾構(gòu)真正推進(jìn)到此位置時(shí)，實(shí)測(cè)地表沉降定會(huì)減小，從而達(dá)到控制變形的目的。4盾構(gòu)施工地層移動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的擬合情況如圖1，圖2所示(圖中所示30ｍ處即為當(dāng)時(shí)盾構(gòu)機(jī)所處位置)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。從預(yù)測(cè)結(jié)果可知，預(yù)測(cè)值的最大絕對(duì)誤差為0.3ｍｍ，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差為30%，對(duì)兩個(gè)輸出Ｙ1和Ｙ2的平均絕對(duì)誤差分別為0.1ｍｍ和0.15ｍｍ，對(duì)應(yīng)平均相對(duì)誤差分別為9.2%和10%，總體上具有較高的精度。5案例分析與認(rèn)識(shí)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地鐵施工建設(shè)中對(duì)環(huán)境的影響及事故隱患預(yù)報(bào)問題有著廣闊的應(yīng)用前景，目前這方面的應(yīng)用尚處于啟動(dòng)階段，文中在這方面作了一些探索和研究工作，取得了較好的預(yù)測(cè)效果。但還需要進(jìn)一步開展研究和試驗(yàn)，尤其是隧道上方地表的變形量不僅受盾構(gòu)施工參數(shù)、盾構(gòu)物理參數(shù)、地質(zhì)環(huán)境條件等的影響，還會(huì)受其他物理因素的影響(由于資料收集方面的問題，故沒有考慮其他因素)，如何對(duì)相關(guān)因素(如土質(zhì)等情況)進(jìn)行預(yù)處理和考慮，是值得探討的。參考文獻(xiàn):[1]徐永福，孫鈞.隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)周圍土體的影響[Ｊ].地下工程與隧道，1999(2):913.[2]ＦｉｎｎｏＲＪ，ＣｌｏｕｇｈＧＷ.ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏＥＰＢｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，1985，111(2):157173.[3]ＬｅｅＫＭ，ＲｏｗｅＲＫ.Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｅｔｏｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｃｏｈｅｓｉｖｅｓｏｉｌ:ＰａｒｔＩｍｅｔｈｏｄｏｆａｎａｌｙｓｉｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃｓ，1990，10:87109.[4]ＩｔｏＴ，ＨｉｓａｔａｋｅＫ.隧道掘進(jìn)引起的三維地面沉陷分析[Ｊ].隧道譯叢，1985(9):46～55.[5]曾曉清.地鐵工程雙線隧道平行推進(jìn)的相互作用及施工力學(xué)的研究[Ｄ].上海:同濟(jì)大學(xué)，1995.[6]易宏偉.盾構(gòu)施工對(duì)土體擾動(dòng)與地層移動(dòng)影響的研究[Ｄ].上海:同濟(jì)大學(xué)，1999.[7]周文波.盾構(gòu)法隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響和防治的專家系統(tǒng)[Ｊ].地下工程與隧道，1993(4):120138.[8]李建華.盾構(gòu)法隧道施工引起地層移動(dòng)的隨機(jī)理論預(yù)測(cè)[Ｄ].上海:同濟(jì)大學(xué)，1995.[9]ＳｈｉＪｉｎｓｈｅｎｇ，ＯｒｔｉｇａｏＪＡＲ，Ｂａｉ，Ｊｕｎｌｉ.Ｍｏｄｕｌａｒｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｓｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓｄｕｒｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎ