基于響應(yīng)面法的盾構(gòu)施工表面沉降參數(shù)優(yōu)化研究

劉 漢 清

(1.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安市市政設(shè)施管理局，陜西 西安 710016)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程日漸加快，使我國(guó)大中型城市的交通擁堵問(wèn)題成為制約城市發(fā)展的重大難題，大力發(fā)展軌道交通能夠有效改善這一難題。地鐵作為軌道交通方式的一種，具有準(zhǔn)時(shí)方便，占地表面積小、安全可靠、噪聲污染小等優(yōu)點(diǎn)，因此隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的城市開(kāi)展了地鐵的施工建設(shè)[1]。

盾構(gòu)施工作為修建隧道的主要方法之一，在城市地鐵建設(shè)過(guò)程中起到了非常重要的作用[2]。盾構(gòu)機(jī)是一種專(zhuān)用于盾構(gòu)施工過(guò)程的特大重型施工裝備，其配置的機(jī)電裝備多，控制復(fù)雜，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，使其運(yùn)行狀態(tài)難以控制，同時(shí)其刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力、上土倉(cāng)壓力、注漿量以及加泥注入量等參數(shù)對(duì)施工效率和施工質(zhì)量有很大影響，其中表面沉降作為衡量施工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究[3]。張厚美[4]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)影響盾構(gòu)推進(jìn)速度、表面沉降的主要參數(shù)進(jìn)行研究。白廷輝等[5]通過(guò)優(yōu)化注漿量、推進(jìn)速度等參數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。胡珉等[6]通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了表面沉降與成形參數(shù)之間的關(guān)系，提出了控制表面沉降的方法。張恒等[7]通過(guò)數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)過(guò)程的表面沉降，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)表面沉降的影響進(jìn)行研究。綜上所述，當(dāng)前研究主要集中在單一施工參數(shù)對(duì)表面沉降的影響，對(duì)影響表面沉降的主要施工參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用的研究較少。

本文以西安地鐵5號(hào)線3標(biāo)段為研究背景，采用響應(yīng)面法研究影響盾構(gòu)過(guò)程表面沉降的主要施工參數(shù)對(duì)其的影響，包含刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、上土倉(cāng)壓力、注漿量以及加泥注入量，得到預(yù)測(cè)表面沉降的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?duì)表面沉降進(jìn)行優(yōu)化，以期得到最優(yōu)施工參數(shù)。

1 施工參數(shù)方案

一般情況下影響盾構(gòu)表面沉降的主要施工參數(shù)包括刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、上土倉(cāng)壓力、注漿量以及加泥注入量，根據(jù)盾構(gòu)施工中常用的施工參數(shù)范圍確定刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在0.6 r/min～1.4 r/min之間，上土倉(cāng)壓力在40 kPa～60 kPa之間，注漿量在2 m3/ring～4 m3/ring之間，加泥注入量在8 m3/ring～12 m3/ring之間。

在設(shè)定施工參數(shù)方案時(shí)，每個(gè)施工參數(shù)選擇三個(gè)水平，施工方案如表1所示。

根據(jù)所選地段的水文和工程地質(zhì)，每隔50 m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，個(gè)別位置間隔10 m設(shè)置加密點(diǎn)，每組施工參數(shù)設(shè)置10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，取各觀測(cè)點(diǎn)的平局沉降值作為該組施工參數(shù)的表面沉降值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1 施工因素和水平

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)表面沉降的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)四個(gè)因素進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上本文采用式(1)所示二階模型對(duì)表面沉降值進(jìn)行預(yù)測(cè)：

(1)

其中，F(xiàn)為表面沉降值。

表2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

利用方差分析能夠評(píng)估建立模型的可靠度，同時(shí)能夠判斷各施工參數(shù)對(duì)表面沉降的影響程度，置信水平選擇95%，表面沉降的方差分析如表3所示，同時(shí)擬合系數(shù)為0.995，這說(shuō)明建立的模型準(zhǔn)確性相對(duì)較高。

建立的二階預(yù)測(cè)模型如式(2)所示，從中可以看出注漿量對(duì)沉降量線性作用相對(duì)明顯，上土倉(cāng)壓力對(duì)表面沉降量的二階作用最明顯，上土倉(cāng)壓力和注漿量的交互作用最明顯。對(duì)沉降量的一階影響從大到小依次為：注漿量、上土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和加泥注入量。

F=1.87+0.29A-0.64B+1.05C+0.091D-0.091A2+0.31B2+
0.18C2-0.14D2-0.18AB+0.25AC-0.58BC+0.025BD

(2)

不同施工參數(shù)的表面沉降響應(yīng)面圖如圖1所示，可以看出隨著注漿量的增大，表面沉降明顯增大，在土倉(cāng)壓力較小時(shí)這種變化尤其明顯；加泥注入量對(duì)表面沉降的影響不明顯，只在上土倉(cāng)壓力較大時(shí)有略微增大的趨勢(shì)；上土倉(cāng)壓力增大表面沉降減小，不過(guò)在注漿量較小時(shí)變化不明顯；除了在注漿量較小時(shí)，其余施工參數(shù)組合情況下，隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加表面沉降都有增大的趨勢(shì)。

3 施工參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)得到的表面沉降預(yù)測(cè)模型，利用響應(yīng)面合意性?xún)?yōu)化方法，以表面沉降最小為目標(biāo)對(duì)表面沉降進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳施工參數(shù)組合，合意性越接近1優(yōu)化結(jié)果越準(zhǔn)確，結(jié)果表明在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.4 r/min，上土倉(cāng)壓力為54.3 kPa，注漿量為2.0 m3/ring，加泥注入量為8.0 m3/ring時(shí)，合意性最大為0.967，此時(shí)表面沉降最小為0.65 cm。利用所得施工參數(shù)進(jìn)行施工試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)測(cè)量表面沉降為0.69 cm，同優(yōu)化結(jié)果對(duì)比誤差為6.15%，說(shuō)明所建立的預(yù)測(cè)模型與實(shí)際結(jié)果有很好的擬合度。

4 結(jié)語(yǔ)

1)設(shè)計(jì)了施工參數(shù)響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)方案，得到了不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、上土倉(cāng)壓力、注漿量以及加泥注入量下表面沉降的大小。

2)建立了表面沉降的預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)對(duì)沉降量的一階影響從大到小依次為：注漿量、上土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和加泥注入量。

3)對(duì)表面沉降進(jìn)行優(yōu)化，在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.4 r/min，上土倉(cāng)壓力為54.3 kPa，注漿量為2.0 m3/ring，加泥注入量為8.0 m3/ring時(shí)，表面沉降最小為0.65 cm。