大跨度箱涵頂進(jìn)姿態(tài)智能預(yù)測技術(shù)研究

李 虎

（中鐵二十四局集團(tuán)有限公司北京分公司， 北京 102600）

0 引言

大跨度多孔箱涵頂進(jìn)施工時(shí)，由于箱體受力不均勻容易導(dǎo)致涵體發(fā)生軸線偏移，一旦軸線偏移過大，就會(huì)造成偏離頂進(jìn)線路、箱涵失穩(wěn)或因局部受力過大引起受損、滑移困難甚至卡住等現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)箱涵頂進(jìn)到位后箱涵中心線與線路中心線間偏差超標(biāo)，而導(dǎo)致工程不合格。

在大跨度箱涵的頂進(jìn)過程中，利用智能箱涵頂進(jìn)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于箱涵姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。得到了箱涵姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如何判斷與預(yù)測姿態(tài)的變化趨勢(shì)，為千斤頂頂力的控制提供參考，保證糾偏的及時(shí)性與有效性，并將軸線偏差控制在合理的范圍內(nèi)，成為一個(gè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

1 工程概況

蘆東路（金星路—南六環(huán)）位于北京市西南部大興區(qū)，起點(diǎn)為南六環(huán)路，終點(diǎn)為金星路，道路全長7.87 公里，規(guī)劃道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)行車速度60km/h。在道路里程K6+964.72 處與既有鐵路相交，交叉處鐵路里程為K30+511,道路中線與鐵路交角為59.7°。

蘆東路下穿既有鐵路采用頂進(jìn)箱涵形式，箱涵孔徑為（4.8-11-13-13-11）m五孔連體式結(jié)構(gòu)。橋址處京滬鐵路為四線電氣化鐵路。由南向北分別為京滬鐵路四線、京滬鐵路上行線、京滬鐵路下行線及京滬鐵路三線。

2 大跨度箱涵的姿態(tài)智能預(yù)測技術(shù)

傳統(tǒng)方法采用人工觀察軸線偏差等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的走勢(shì)，以此判斷接下來幾鎬箱涵的軸線偏差，等箱涵的軸線偏差達(dá)到一定限值之后，才通過調(diào)整千斤頂?shù)捻斄?duì)箱涵進(jìn)行糾偏。傳統(tǒng)方法的人工觀察法可以認(rèn)為是“限值糾偏”，即當(dāng)箱涵的軸線偏差接近或超過一定的限制值時(shí)，才進(jìn)行糾偏。該方法一般需要多鎬之后，才能發(fā)現(xiàn)軸線偏差的變化趨勢(shì)，而且很可能由于施工誤差導(dǎo)致軸線偏差超過規(guī)定限值。本研究創(chuàng)新地提出了“趨勢(shì)糾偏”的思想，以“趨勢(shì)糾偏”替代傳統(tǒng)的“限值糾偏”。引入深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)軸線偏差的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行判別，從趨勢(shì)上進(jìn)行糾偏，以最大效率地提高糾偏的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，相比傳統(tǒng)方法糾偏判斷更快、糾偏效果更好。

2.1 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）概述

時(shí)間序列數(shù)據(jù)是指在不同時(shí)間上收集到的數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)反映了某一事物、現(xiàn)象等隨時(shí)間的變化狀態(tài)或程度。箱涵頂進(jìn)時(shí)軸線的偏差數(shù)據(jù)可以看作是時(shí)間序列數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)模型是由多種非線性映射層構(gòu)成的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。能夠?qū)斎胄畔⒅饘犹崛√卣?，找出其深層次的潛在?guī)律。因此，深度學(xué)習(xí)的模型可以應(yīng)用于箱涵頂進(jìn)偏差的預(yù)測。

在眾多的深度學(xué)習(xí)模型中，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Networ, RNN）將時(shí)間序列的概念引入到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使其在時(shí)序數(shù)據(jù)分析中表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性[2]。

2.2 LSTM（長短時(shí)記憶）模型計(jì)算原理

LSTM（長短時(shí)記憶）模型是在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要改進(jìn)模型。LSTM 模型的核心本質(zhì)在于：通過引入可控自循環(huán)，從而產(chǎn)生讓梯度能夠得以長時(shí)間可持續(xù)流動(dòng)的路徑，這使得它特別適合于處理時(shí)間序列相關(guān)任務(wù)，能夠在更長的時(shí)期內(nèi)跟蹤信息，是一種深度學(xué)習(xí)模型[3]。

2.3 基于深度學(xué)習(xí)的箱涵軸線偏差預(yù)測方法

基于深度學(xué)習(xí)中的LSTM 模型，可以對(duì)箱涵軸線偏差這一時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與預(yù)測。根據(jù)LSTM 的計(jì)算原理，結(jié)合本工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了箱涵軸線偏差的預(yù)測方法。

整體的計(jì)算流程需要通過箱涵軸線偏差數(shù)據(jù)的預(yù)處理與標(biāo)準(zhǔn)化、模型訓(xùn)練、模型預(yù)測、軸線偏差數(shù)據(jù)輸出等步驟。

2.4 箱涵軸線偏差預(yù)測

為驗(yàn)證前述建立的箱涵軸線偏差預(yù)測方法的預(yù)測效果，以本工程箱涵頂進(jìn)時(shí)箱涵中線偏差數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合糾偏效果，對(duì)預(yù)測效果進(jìn)行檢查。

圖1 第一次糾偏時(shí)中軸線偏差實(shí)測及預(yù)測值

如圖1 所示，正值表示實(shí)際中軸線偏向左側(cè)，負(fù)值表示實(shí)際中軸線偏向右側(cè)。箱涵在頂進(jìn)初段，由于箱涵整體都在滑板上運(yùn)行，左右頂力情況基本均衡，側(cè)面也不受力，因此箱涵的中軸線整體運(yùn)行在平穩(wěn)區(qū)間。在脫離滑板前后，箱涵的軸線偏差產(chǎn)生了巨大波動(dòng)。而后，在第30 鎬前后，中軸線后部呈現(xiàn)向左轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，而中軸線前部產(chǎn)生了向右轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。設(shè)置軸線偏差限值為5cm，利用深度學(xué)習(xí)的預(yù)測方法對(duì)軸線偏差的趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，可以得到從第34 鎬開始，軸線偏差呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且中軸線前后偏差預(yù)測值均超過了5cm，其中中軸線前偏差的預(yù)測值在第38 鎬時(shí)達(dá)到了-8.3cm，而中軸線后偏差的預(yù)測值在第39 鎬時(shí)達(dá)到了9.84cm。因此需要從第34 鎬開始實(shí)施糾偏動(dòng)作。

圖2 第一次糾偏后至第二次糾偏時(shí)中軸線偏差實(shí)測及預(yù)測值

根據(jù)第一次糾偏時(shí)的深度學(xué)習(xí)預(yù)測值，需要在第34 鎬進(jìn)行糾偏，如圖2 所示?，F(xiàn)場施工時(shí)，在第34 鎬時(shí)對(duì)箱涵頂進(jìn)方向進(jìn)行了糾偏。從圖中可以看出，糾偏效果良好，中軸線前后均控制在5cm 的范圍之內(nèi)。由于糾偏及時(shí)，箱涵的軸線偏差擴(kuò)大的趨勢(shì)得到了遏制，因此在60 鎬前箱涵沿著中線穩(wěn)步頂進(jìn)。當(dāng)鎬數(shù)超過60鎬之后時(shí)，軸線的前后部分又分別朝著向右和向左的方向移動(dòng)，導(dǎo)致箱涵整體以斜向右方的角度頂進(jìn)，不利于施工控制。根據(jù)軸線偏差預(yù)測值，當(dāng)鎬數(shù)達(dá)到69 鎬時(shí)，中軸線后偏差預(yù)測值將會(huì)達(dá)到9.5cm，而中軸線前偏差預(yù)測值將會(huì)達(dá)到-9cm。因此需要從66 鎬開始進(jìn)行第二次糾偏。

圖3 第二次糾偏后至頂進(jìn)結(jié)束中軸線偏差實(shí)測及預(yù)測值

如圖3 所示，在第66 鎬時(shí)對(duì)箱涵頂進(jìn)方向進(jìn)行了糾偏。糾偏效果良好，中軸線前后均控制在5cm 的范圍之內(nèi)。由于糾偏及時(shí)，箱涵的軸線偏差擴(kuò)大的趨勢(shì)得到了遏制。第66 鎬之后，中軸線的偏差距離進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，前后部分的偏差值均控制在5cm 以內(nèi)，直到頂進(jìn)施工完全結(jié)束。從整個(gè)頂進(jìn)過程的整體效果來看，可以說箱涵的整體頂進(jìn)姿態(tài)控制良好，配合姿態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)[4]，有效地降低了頂進(jìn)施工的難度，提高了姿態(tài)控制的準(zhǔn)確性。

因此，大跨度箱涵頂進(jìn)姿態(tài)智能預(yù)測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為以下兩點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)預(yù)測，可以隨著軸線偏差的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，將軸線偏差控制在較低水平。

（2）能快速準(zhǔn)確判別軸線偏差的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)糾偏動(dòng)作提供參考依據(jù)。

2.5 箱涵頂進(jìn)過程軸線偏差實(shí)測數(shù)據(jù)分析

本節(jié)針對(duì)兩次糾偏后的軸線偏差實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)軸線偏差的發(fā)展趨勢(shì)及其原因進(jìn)行歸納總結(jié)。

圖4 前后中線偏差與頂進(jìn)鎬數(shù)關(guān)系圖

從圖4 可以看出頂進(jìn)過程中箱涵在初頂?shù)囊欢蝺?nèi),由于箱涵全部在滑板上運(yùn)行[5]，左右兩組頂進(jìn)用力情況均衡，側(cè)面也沒有其他摩阻力,之所以會(huì)發(fā)生偏向，是因?yàn)榛宓氖┕ふ`差造成的。

離開滑板前，前后中線基本均向右偏，而剛離開滑板時(shí)，前中線先開始向左偏，并且偏差量較大，是由于左側(cè)前刃腳和底面已經(jīng)吃土，摩阻力加大，而箱涵主體及重心仍在底滑板之上，受潤滑物質(zhì)的作用，摩阻力偏小，因此在頂力作用下產(chǎn)生橫向浮動(dòng)偏移。而在箱涵離開滑板之后，前中線達(dá)到11cm 的偏差之后迅速往回偏是因?yàn)椴扇×思m偏措施，糾偏措施主要是靠助力補(bǔ)償油泵的工作調(diào)整左右側(cè)的力量，左右力量懸殊從而產(chǎn)生順時(shí)針方向的力偶矩作用于框架箱涵之上，使之恢復(fù)到接近中線的位置。

箱涵在前端離開鐵道處時(shí)，箱涵前端有較大的向右偏移量[6]，是由于左側(cè)前端處于空頂狀態(tài)造成。

從圖中分析得在整個(gè)頂進(jìn)過程中頂進(jìn)一鎬的最大中線偏移增量為13.2cm，在離開滑板后即箱涵左右底面均吃土后頂進(jìn)一鎬的最大中線偏移增量為4.1cm。施工完成后，橋體中心軸線與設(shè)計(jì)值相比，前端向右偏移3.6cm，后端向左偏移1.3cm。

3 結(jié)論

通過開展對(duì)大跨度箱涵姿態(tài)智能預(yù)測技術(shù)的研究，基于深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)頂進(jìn)過程中軸線偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，為糾偏動(dòng)作提供參考依據(jù)。具體結(jié)論如下：

（1）基于LSTM（長短時(shí)記憶）這一深度學(xué)習(xí)模型，建立了箱涵頂進(jìn)時(shí)的軸線偏差預(yù)測方法，應(yīng)用于大興新城蘆東路下穿京滬鐵路工程中，并指導(dǎo)了現(xiàn)場糾偏工作的開展。

（2）工程實(shí)踐證明基于深度學(xué)習(xí)的箱涵姿態(tài)智能預(yù)測技術(shù)可以隨著軸線偏差的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，將中軸線前后偏差控制在5cm 范圍之內(nèi)，同時(shí)能快速準(zhǔn)確判別軸線偏差的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)糾偏動(dòng)作提供參考依據(jù)。

（3）通過軸線偏差實(shí)時(shí)預(yù)測與箱涵頂進(jìn)姿態(tài)實(shí)時(shí)糾偏，實(shí)測數(shù)據(jù)表明箱涵整個(gè)頂進(jìn)過程中除去箱涵剛離開滑板的特殊情況，頂進(jìn)一鎬的最大中線偏移增量為4.1cm，在5cm 的控制限值以內(nèi)，效果優(yōu)異。