基于深度學(xué)習(xí)的破碎帶盾構(gòu)施工沉降預(yù)測分析

武鐵路

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司, 北京 101100 )

0 引言

盾構(gòu)法施工技術(shù)距今已有超過200年的歷史。盾構(gòu)法具有掘進效率高、環(huán)境擾動小和施工安全性好等特點，其在城市軌道交通、公路隧道以及輸水隧洞等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。然而，隨著地下空間資源日益枯竭以及城市規(guī)劃設(shè)計的需要，在破碎帶、上軟下硬等復(fù)雜地層條件下進行盾構(gòu)隧道施工的頻率逐漸提高[1-2]。

在復(fù)雜地層條件下進行盾構(gòu)施工存在顯著的安全風(fēng)險。以破碎帶為例，盾構(gòu)施工過程中地層強度大幅變化會造成盾構(gòu)刀盤嚴重磨損[3-4]。王在泉等[5]認為破碎帶中的承壓裂隙水會引起涌水突泥，并造成地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。張慶松等[6]以及孫星亮等[7]從試驗和數(shù)值模擬2個方面說明破碎帶導(dǎo)致的開挖面地層差異會進一步加劇盾構(gòu)軸線偏移，并顯著增加地面沉降控制難度。因此，有必要對破碎帶盾構(gòu)隧道沉降問題做進一步研究。

目前，關(guān)于盾構(gòu)施工引起地面沉降的預(yù)測方法較為豐富。根據(jù)沉降分布規(guī)律提出的經(jīng)驗公式法,主要利用高斯曲線預(yù)測隧道橫斷面的沉降分布[8-9]。解析法是由Sagaseta[10]提出的利用數(shù)學(xué)方程計算盾構(gòu)施工引起的周圍土體位移從而預(yù)測地面沉降的方法。借助數(shù)值模擬技術(shù)，Lee等[11]通過建立數(shù)值模型研究盾構(gòu)隧道開挖過程對周圍地層的擾動影響，進而確定地面沉降數(shù)值。近年來，隨著人工智能應(yīng)用的日益成熟，韋凱等[12]基于盾構(gòu)施工參數(shù)采用蟻群算法對盾構(gòu)隧道的長期沉降進行預(yù)測。然而，上述方法多適用于均勻地層條件，在破碎帶等復(fù)雜地層條件下無法有效反映完整性較差的開挖面對地面沉降的影響。

本文依托廣州地鐵7號線謝村站—鐘村站區(qū)間(簡稱謝鐘區(qū)間)盾構(gòu)工程，在考慮盾構(gòu)超挖與注漿影響的基礎(chǔ)上，通過分析破碎帶開挖面特性與不同盾構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性，提出適用于破碎帶地層盾構(gòu)隧道沉降問題的深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型；并利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)對深度學(xué)習(xí)模型進行訓(xùn)練，有效提升破碎帶中盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測的準確性。

1 研究方法

為實現(xiàn)破碎帶盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測，本文主要從確定盾構(gòu)沉降影響參數(shù)以及建立預(yù)測模型2方面進行研究。

1.1 盾構(gòu)沉降影響參數(shù)

一般地層條件下，盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降主要由盾構(gòu)超挖引起地層損失或施工擾動引起盾構(gòu)周邊土體產(chǎn)生二次固結(jié)等因素造成[13-14]。謝自韜等[15]通過對盾構(gòu)注漿過程進行模擬分析，證明壁后注漿可顯著減小盾構(gòu)超挖引起的地面沉降。當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進線路中存在破碎帶時，破碎帶引起開挖面整體性降低以及地下水條件的改變會進一步增加發(fā)生開挖面失穩(wěn)、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，并最終影響盾構(gòu)施工造成的地面沉降結(jié)果。因此，本文將地層損失相關(guān)參數(shù)以及破碎帶特性作為影響地面沉降的2大類因素。

由于破碎帶與盾構(gòu)開挖面的相對位置不同，在開挖面可能出現(xiàn)不同的破碎帶分布情況。對盾構(gòu)隧道存在影響的破碎帶一般尺寸規(guī)模較大，相較于尺寸較小的盾構(gòu)開挖面，盾構(gòu)隧道掘進方向可假設(shè)與破碎帶垂直，且可將破碎帶在開挖面中的界面簡化為水平分布界面，如圖1所示。

(a) 盾構(gòu)沿線剖面圖(b) 盾構(gòu)開挖面剖面圖

圖1盾構(gòu)開挖面破碎帶分布示意圖

Fig. 1 Distribution of fractured zone on shield tunneling face

通過對比不同破碎帶分布情況下的地面沉降規(guī)律，可確定破碎帶對盾構(gòu)隧道沉降的影響。由于破碎帶顆粒尺寸、裂隙水含量等特性無法直接量化分析，故采用破碎帶在開挖面中的面積比作為直接反映破碎帶特性的參數(shù)進行研究分析。不同分布情況下破碎帶面積比的計算如圖2所示。以開挖面中心為原點建立坐標系，則破碎帶在開挖面中的面積為

(1)

式中:Af為開挖面中破碎帶的面積，m2；r為開挖面半徑，m；h為破碎帶侵入開挖面的高度，m。

因此，破碎帶面積比可表示為

(2)

式中Kf為破碎帶面積比。

(a) 隧道沿線地層分布

(b) A-A剖面(c) B-B剖面

圖2破碎帶面積比計算示意圖

Fig. 2 Calculation sketches of area ratio of fractured zone

由于破碎帶分布情況需基于地層勘察結(jié)果確定，所以在盾構(gòu)掘進過程中較難實時分析。為增加工程實用性，本研究采用相關(guān)系數(shù)矩陣分析方法，確定與破碎帶面積比具有較強相關(guān)性的盾構(gòu)施工參數(shù)作為破碎帶特性參數(shù)。

實時記錄的盾構(gòu)施工參數(shù)主要有推力、刀盤轉(zhuǎn)矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進速率、螺旋輸送機速率和土艙壓力等參數(shù)。利用相關(guān)系數(shù)矩陣法可對上述參數(shù)與破碎帶面積比之間的相關(guān)性進行分析，并最終選擇相關(guān)性最高的1～2個盾構(gòu)施工參數(shù)作為破碎帶特性參數(shù)。

1.2 深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型

深度學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)過程為信號前向從輸入層經(jīng)過隱含層傳播至輸出層，再將誤差從輸出層經(jīng)隱含層反向傳播至輸入層，并依次調(diào)節(jié)隱含層到輸出層的權(quán)重和偏置以及輸入層到隱含層的權(quán)重和偏置。深度學(xué)習(xí)模型高效的學(xué)習(xí)特點，使其適用于基于多影響因素的盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測。

深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測地面沉降的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。為優(yōu)化深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型的運算效率和預(yù)測精度，對影響地面沉降的相關(guān)因素進行篩選。盾構(gòu)掘進過程中,由超挖和注漿共同作用下確定的地層損失是造成地面沉降的最主要原因。具體地，超挖是由于盾構(gòu)姿態(tài)變化、軸線偏移等因素引起，可以通過盾構(gòu)間隙進行量化；注漿則是對超挖造成地層損失的一種補償機制，可通過注漿量量化。因此，本研究將量化的盾尾間隙、注漿量以及破碎帶特征參數(shù)作為輸入量，通過深度學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)反饋機制確定盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測模型。

1—n影響因素；S地面沉降。

圖3深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測地面沉降的結(jié)構(gòu)圖

Fig. 3 Structure of deep learning model for settlement prediction

2 研究結(jié)果

本研究依托廣州地鐵7號線謝鐘區(qū)間盾構(gòu)工程，應(yīng)用上述研究方法確定破碎帶中盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測模型，并對預(yù)測結(jié)果進行驗證分析。

2.1 工程概況

廣州地鐵7號線謝鐘區(qū)間盾構(gòu)工程位于華南褶皺帶，區(qū)域原始地貌類型可分為珠江三角洲沖積平原地貌和剝蝕殘丘地貌。其中，珠江三角洲沖積平原地貌的特點是地勢較平坦，現(xiàn)地貌多為擬建道路及新客站附屬工程的施工場地，下臥基巖多為白堊系粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖；剝蝕殘丘地貌現(xiàn)多為廠房和市政道路，少量區(qū)域為農(nóng)用地，下臥基巖多為震旦系混合花崗巖，該區(qū)域局部丘崗和沖溝相間，地面起伏較大。

根據(jù)本區(qū)間地質(zhì)勘查所揭露地層的地質(zhì)時代、成因類型和巖性特征度等工程特性，將沿線范圍內(nèi)巖土層劃分為9類： 人工填土層、沖積—洪積砂層、沖積—洪積、坡積土層、殘積土層、基巖全風(fēng)化帶、基巖強風(fēng)化帶、基巖中風(fēng)化帶、基巖微風(fēng)化帶和糜棱巖。經(jīng)現(xiàn)場勘察，在盾構(gòu)隧道200—600環(huán)內(nèi)存在糜棱巖破碎帶，長度約為350 m，總體走向為東南向西北，與盾構(gòu)隧道呈26°，盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)的破碎帶具體分布情況如圖4所示。

(a) 盾構(gòu)左線地層分布

圖4 謝鐘區(qū)間破碎帶分布情況

Fig. 4 Distribution of fractured zones on Xiecun Station-Zhongcun Station Section

破碎帶內(nèi)的巖土種類主要有強風(fēng)化糜棱巖、中風(fēng)化糜棱巖和微風(fēng)化糜棱巖3類。強風(fēng)化糜棱巖呈現(xiàn)灰綠或淺灰色，巖石礦物風(fēng)化強烈，巖芯呈半巖半土狀，遇水易軟化、崩解；中風(fēng)糜棱巖表現(xiàn)為灰綠或淺灰色，呈糜棱結(jié)構(gòu)或碎裂構(gòu)造，母巖為石英巖，主要礦物為石英、長石和綠泥石，裂隙稍發(fā)育，巖芯呈塊狀及少量短柱狀，巖質(zhì)較硬，錘擊聲脆，平均巖石質(zhì)量指標(RQD)值約為25；微風(fēng)化糜棱巖多為灰綠或淺灰色，巖石結(jié)構(gòu)為糜棱結(jié)構(gòu)或碎裂構(gòu)造，母巖為石英巖，主要礦物為石英、長石和綠泥石，巖芯較完整，局部可見少量風(fēng)化裂隙，巖芯呈短柱—長柱狀，巖質(zhì)堅硬，錘擊聲響，平均巖石質(zhì)量指標(RQD)值約為85。

2.2 盾構(gòu)施工參數(shù)

盾構(gòu)施工過程中，對區(qū)間每環(huán)的推力、刀盤轉(zhuǎn)矩、刀盤轉(zhuǎn)速以及掘進速度進行記錄，結(jié)果如圖5所示?？傮w上，盾構(gòu)在進入破碎帶前的掘進速度相對較高，進入破碎帶后盾構(gòu)左右線的掘進速度均開始震蕩下行，并最終保持在20 mm/min左右。在300環(huán)附近由于受破碎帶與上軟下硬復(fù)合地層的影響，刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整較為頻繁，且出現(xiàn)較大范圍的波動。盾構(gòu)總推力則一直保持波動狀態(tài)，但均值變化不大。刀盤轉(zhuǎn)矩一直保持寬幅震蕩，可能是受開挖面破碎程度影響的原因。

(a) 盾構(gòu)總推力

(b) 刀盤轉(zhuǎn)矩

(c) 刀盤轉(zhuǎn)速

(d) 掘進速度

Fig. 5 Shield tunneling parameters in fractured zone of Xiecun Station-Zhongcun Station Section

2.3 地面沉降及相關(guān)參數(shù)監(jiān)測

盾構(gòu)掘進過程中，每隔20環(huán)設(shè)立地面沉降監(jiān)測截面，記錄盾構(gòu)通過截面后盾構(gòu)隧道正上方的最大地面沉降值，含破碎帶的200—600環(huán)地面沉降結(jié)果如圖6所示。盾構(gòu)左右線均以沉降為主，左線350環(huán)與右線275環(huán)附近存在輕微地面隆起。盾構(gòu)左右線沉降最大值均出現(xiàn)在400環(huán)附近。

土體損失率作為均質(zhì)地層條件下盾構(gòu)引起地面沉降最主要的因素，在謝鐘區(qū)間盾構(gòu)掘進過程中，采用記錄盾尾間隙以及注漿量的方法進行了監(jiān)測。圖7與圖8分別示出200—600環(huán)盾尾間隙均值與注漿量數(shù)值。盾構(gòu)左右線盾尾間隙的均值基本都保持在70～80 mm，左線偶爾存在下降的情況，但總體上盾構(gòu)掘進過程中地層損失保持在穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)左線的注漿量基本保持在6～8 m3，而右線則在350—425環(huán)出現(xiàn)明顯上漲。

圖6 謝鐘區(qū)間盾構(gòu)隧道地面沉降

Fig. 6 Ground settlement during shield tunneling in Xiecun Station-Zhongcun Station Section

圖7 謝鐘區(qū)間200—600環(huán)盾尾間隙

Fig. 7 Shield tail gap of ring 200 to 600 in Xiecun Station-Zhongcun Station Section

Fig. 8 Grouting volume of ring 200 to 600 in Xiecun Station-Zhongcun Station Section

綜合圖7和圖8可知，350—425環(huán)地層損失率在盾尾間隙保持不變和注漿量增加的共同作用下產(chǎn)生下降，但按照均值地層沉降規(guī)律，此時，地面沉降應(yīng)出現(xiàn)減小趨勢。然而，圖6對應(yīng)的實際地面沉降在350環(huán)減小后立即出現(xiàn)增大趨勢，并在400環(huán)左右盾構(gòu)左右線同時達到沉降最大值。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的差異，可以推測均值地層地面沉降規(guī)律在破碎帶地層條件下的適用性較差，需進一步考慮潛在的破碎帶特性參數(shù)對地面沉降的影響。

2.4 破碎帶表征因素分析

由圖4中破碎帶分布情況可確定開挖面內(nèi)破碎帶的侵入高度，并由式(1)和式(2)得到開挖面破碎帶面積比，計算結(jié)果如圖9所示。開挖面破碎帶面積比的變化趨勢與地層分布情況具有一致性。盾構(gòu)左線開挖面破碎帶占比更大，而盾構(gòu)右線的破碎帶面積比的變化更為頻繁。

圖9 謝鐘區(qū)間破碎帶面積比

Fig. 9 Area ratio of fractured zone in Xiecun Station-Zhongcun Station Section

剔除不存在破碎帶的開挖面后，采用相關(guān)系數(shù)矩陣分析破碎帶面積比與盾構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，計算結(jié)果如表1所示。表中，Kf為破碎帶面積比，F(xiàn)為推力，T為刀盤轉(zhuǎn)矩，R為刀盤轉(zhuǎn)速，A為掘進速度。通過對不同盾構(gòu)參數(shù)相關(guān)系數(shù)的對比分析，可確定刀盤轉(zhuǎn)矩與破碎帶面積比的相關(guān)性最好，故將刀盤轉(zhuǎn)矩作為代表破碎帶特性的參數(shù)。

表1 面積比與盾構(gòu)參數(shù)相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果

2.5 深度學(xué)習(xí)模型沉降預(yù)測

剔除謝鐘區(qū)間200—600環(huán)內(nèi)開挖面不存在破碎帶的環(huán)號后，得到左線共86環(huán)、右線共298環(huán)刀盤轉(zhuǎn)矩、盾尾間隙以及注漿量數(shù)據(jù)。將右線298環(huán)參數(shù)數(shù)據(jù)作為輸入值導(dǎo)入模型的輸入層，將對應(yīng)的地面沉降數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型輸出層。預(yù)測模型訓(xùn)練結(jié)束后，對左線86環(huán)參數(shù)以及對應(yīng)的地面沉降進行驗證。通過設(shè)置不同隱含層和節(jié)點數(shù)進行模型試算發(fā)現(xiàn)，將隱含層設(shè)置為1層、隱含層節(jié)點數(shù)設(shè)為10、迭代次數(shù)設(shè)為3 000，可得到滿足工程精度要求的預(yù)測結(jié)果。同時，進一步增加節(jié)點數(shù)并未帶來預(yù)測精度的顯著上升，反而極大增加計算成本。

圖10示出考慮破碎帶和不考慮破碎帶模型的預(yù)測效果對比。相較于不考慮破碎帶特性時的深度學(xué)習(xí)模型沉降預(yù)測結(jié)果，考慮破碎帶的預(yù)測值與沉降實測值更為接近，說明本研究提出的深度學(xué)習(xí)模型能基于刀盤轉(zhuǎn)矩等盾構(gòu)施工參數(shù)更加準確地預(yù)測盾構(gòu)隧道沉降值。因此，針對破碎帶盾構(gòu)施工，考慮破碎帶特性的預(yù)測效果好于僅考慮盾構(gòu)超挖和注漿的預(yù)測效果。

圖10 深度學(xué)習(xí)模型沉降預(yù)測擬合效果

Fig. 10 Fitting results of settlement prediction results by deep learning model

3 分析討論

圖11示出剔除開挖面無破碎帶環(huán)號的盾構(gòu)左線深度學(xué)習(xí)模型誤差。盾構(gòu)掘進至300環(huán)附近時，開挖面內(nèi)的破碎帶面積比較大。使用不考慮破碎帶特性模型的預(yù)測效果較差，最大誤差達20 mm，不符合工程使用要求。對應(yīng)的考慮破碎帶特性模型的預(yù)測誤差僅為8 mm左右，預(yù)測精度更高。其余盾構(gòu)掘進過程中，預(yù)測誤差均維持在±10 mm，基本滿足工程要求。但是，預(yù)測結(jié)果與實測值還存在一定的誤差，其原因可能與破碎帶裂隙發(fā)育程度有關(guān)，將由后續(xù)研究做進一步分析。需要指出的是，本研究僅利用深度學(xué)習(xí)模型探索了隧道軸線正上方的最大沉降，對于沉降的橫向分布未作研究。今后可結(jié)合Peck公式對地面沉降分布形態(tài)的深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型做進一步研究。

圖11 深度學(xué)習(xí)模型誤差分析

盡管本研究提出的預(yù)測模型具有較好的實用性，但常規(guī)工程僅對盾構(gòu)沿線地質(zhì)進行勘查，使得破碎帶的分布限于隧道沿線的平面內(nèi)，無法進一步研究破碎帶與隧道相對位置關(guān)系對開挖面破碎帶分布情況的影響。鑒于仍存在破碎帶特性參數(shù)不夠全面、地面沉降監(jiān)測斷面間隔較大等局限，本預(yù)測方法仍有一定的改進空間。

4 結(jié)論與建議

本文依托廣州地鐵7號線謝鐘區(qū)間盾構(gòu)工程，研究破碎帶中盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測方法，得到以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)隧道開挖面破碎帶的分布情況可根據(jù)其侵入高度確定，破碎帶面積比可反映破碎帶對盾構(gòu)隧道沉降的影響程度。通過相關(guān)系數(shù)矩陣法確定刀盤轉(zhuǎn)矩與破碎帶面積比相關(guān)性較強，可作為破碎帶的特性參數(shù)。

2)盾構(gòu)隧道沉降影響因素分為破碎帶特性和地層損失相關(guān)參數(shù)2大類。破碎帶特性由刀盤轉(zhuǎn)矩進行量化； 地層損失由反映盾構(gòu)超挖情況的盾尾間隙以及反映地層補償?shù)淖{量決定。

3)深度學(xué)習(xí)模型以影響因素為輸入層、地面沉降為輸出層，通過盾構(gòu)右線數(shù)據(jù)訓(xùn)練后可較為準確預(yù)測盾構(gòu)左線沉降值?？紤]破碎帶特性后的沉降預(yù)測精度顯著提升，大部分預(yù)測誤差可控制在±10 mm。

4)模型預(yù)測結(jié)果顯示，考慮開挖面破碎狀態(tài)可提高盾構(gòu)沉降預(yù)測的準確性，故建議繼續(xù)對開挖面節(jié)理特性的量化分析進行研究，并提出相關(guān)指標應(yīng)用于盾構(gòu)沉降的預(yù)測分析。