城市地鐵工程建設(shè)中隧道圍巖沉降數(shù)值的監(jiān)測(cè)與分析

姚燕雅

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000)

目前預(yù)測(cè)隧道施工地段圍巖沉降的方法主要有兩種，分別為數(shù)值模擬法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸法.在使用數(shù)值模擬法的研究中，張立亭[1]等利用灰色關(guān)聯(lián)算法優(yōu)化模型參數(shù)并建立了地表沉降的預(yù)測(cè)模型，結(jié)果顯示灰色關(guān)聯(lián)算法能有效反映系統(tǒng)影響因子與地表沉降之間的關(guān)聯(lián)程度；王煜涵[2]等基于工程情況，利用三維有限差分法對(duì)隧道施工的挖掘過程進(jìn)行數(shù)值模擬并預(yù)測(cè)地表沉降的程度，結(jié)合工程施工實(shí)際數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的正確性.在使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸法的研究領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣泛最簡(jiǎn)便的方法就是1969年P(guān)eck[3]提出的公式，在此基礎(chǔ)上，段紹偉[4]等根據(jù)長(zhǎng)沙市地鐵隧道施工的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)Peck公式進(jìn)行了地表最大沉降修正系數(shù)和沉降槽寬度修正系數(shù)的修正；張付林[5]等基于Peck公式和雙圓修正Peck公式，提出了類矩形盾構(gòu)法施工的隧道地表沉降的預(yù)測(cè)手段；針對(duì)軟土地區(qū)的隧道施工，申玉生[6]等從左線和右線表達(dá)式出發(fā)提出了修正的Peck公式，能夠?qū)匦嗡淼朗┕さ乇沓两颠M(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)；針對(duì)北京地區(qū)特殊的施工地層環(huán)境，楊子奇[7]等利用疊加原理，對(duì)疊加Peck公式在淺埋暗挖法施工的雙線隧道的地表沉降預(yù)測(cè)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究.

上述研究成果基于當(dāng)前主流的兩種研究方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，本文使用MATLAB軟件對(duì)工程施工現(xiàn)場(chǎng)的地表沉降的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過比較預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，可以為現(xiàn)場(chǎng)施工工作提供參考.

1 工程概況

1.1 隧道施工區(qū)間地質(zhì)和水文情況

施工工程路段為無錫地鐵施工區(qū)間，隧道長(zhǎng)度為891.271雙延米，高新園區(qū)站前單渡線長(zhǎng)93.405 m.施工區(qū)間最大埋深25.36 m，最小埋深7.22 m.施工工程路段隧道土層結(jié)構(gòu)從下到上分別是洪積層、第四世紀(jì)晚更新世沖，接下來依舊是洪積層和第四世紀(jì)全新世沖，最上層是人工素填土.施工工程區(qū)間在施工前勘測(cè)時(shí)地下水埋深7～9 m，地下水位高程7.74～12.26 m.基于以上地質(zhì)和水文基本情況，本區(qū)間地鐵隧道施工采用臺(tái)階開挖法和交叉中隔壁法(CRD).

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次地鐵隧道施工采用臺(tái)階開挖法，施工區(qū)間渡線段左線縱斷面：DK20+604.408-DK20+660.208；右線縱斷面：DK20+687.929-DK20+726.367，在海-高區(qū)間高新園區(qū)站橫通道設(shè)置，7組觀測(cè)斷面，標(biāo)記為DB04-DB10.在總計(jì)100 d的檢測(cè)中，從工作面前方開始總計(jì)設(shè)置了7組斷面，間隔20 m斷面即設(shè)置一組.在隧道施工開始后，到挖到距離掌子面50 m為止，地面沉降水平保持穩(wěn)定發(fā)展.根據(jù)以上情況，以6月2日公布的DB06斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，基于施工要求，從6月23日開始記錄的監(jiān)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)如圖1.

從圖1可知，隧道中線與左右線隧道中線的正上方地面沉降情況比較嚴(yán)重，另一方面，隧道邊緣的地面沉降情況不甚明顯，即該施工隧道整體圍巖沉降呈“凹槽”狀，具有比較明顯的沉降槽特征，與Peck提出的正態(tài)沉降曲線相吻合.

圖1 DB06斷面地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 模型預(yù)測(cè)和實(shí)地檢測(cè)對(duì)比

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

設(shè)計(jì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般分為三個(gè)步驟：設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)→確定參數(shù)→選擇并處理訓(xùn)練樣本[8]，落實(shí)到本文的地鐵隧道圍巖沉降的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)備從以下幾方面展開：選取仿真樣本→設(shè)計(jì)沉降預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)→學(xué)習(xí)并訓(xùn)練仿真樣本→檢驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果→分析模型結(jié)果.

2.2 仿真設(shè)計(jì)

2.2.1 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

本文以研究對(duì)象海-高區(qū)間的第三方實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，剔除邏輯不合理的斷面實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合地表沉降相關(guān)因素選取其中20個(gè)斷面的實(shí)地檢測(cè)數(shù)據(jù)為對(duì)象，按照工程施工要求，在不同的斷面上采取合理的施工工藝，主要采用臺(tái)階法，部分?jǐn)嗝娌捎媒徊嬷懈舯诜?CRD).結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)和工程實(shí)際，選取了10個(gè)可取得的權(quán)重較大的影響因素進(jìn)行實(shí)證分析，具體如表1所示.本施工段地層主要力學(xué)參數(shù)以表2為標(biāo)準(zhǔn)取值.

表1 目標(biāo)斷面基本情況

表2 施工斷面巖土層力學(xué)參數(shù)

本次實(shí)證分析選取了16個(gè)隨機(jī)訓(xùn)練樣本，4個(gè)隨機(jī)檢驗(yàn)樣本，10個(gè)權(quán)重較大的影響因素為輸入節(jié)點(diǎn)，地表沉降最大值為輸出節(jié)點(diǎn).BP網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練通過訓(xùn)練步數(shù)和目標(biāo)來決定停止與否，滿足其中任一條件即可，當(dāng)中間層神經(jīng)元為8個(gè)的時(shí)候，訓(xùn)練結(jié)果滿足本次BP神經(jīng)模型預(yù)測(cè)模型的要求.

本文選取數(shù)據(jù)的前16個(gè)斷面是訓(xùn)練樣本，后4個(gè)斷面是檢驗(yàn)樣本，經(jīng)過模型仿真訓(xùn)練，在訓(xùn)練步數(shù)達(dá)到501時(shí)滿足要求，均方誤差值是0.0006927，可以停止訓(xùn)練.

在以上16個(gè)訓(xùn)練樣本中，三個(gè)斷面樣本的誤差較大，推測(cè)原因?yàn)閿嗝娴乇沓两祵?shí)測(cè)數(shù)值過小，剔除這些誤差較大的樣本，其他訓(xùn)練樣本最大誤差為15%，檢驗(yàn)樣本最大誤差為14.44%.經(jīng)過模型預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比可知(圖2)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型在對(duì)施工過程中的因素影響地表沉降時(shí)能進(jìn)行有效的預(yù)測(cè).

2.2.2 影響地表沉降的敏感性因素分析

本文選擇地表沉降較為明顯的6個(gè)斷面研究洞徑和埋深對(duì)地表沉降的預(yù)測(cè)值的影響，見表3各斷面的洞徑和埋深.

表3 6個(gè)斷面的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果

設(shè)置6個(gè)斷面為訓(xùn)練樣本，兩個(gè)敏感性因素的均值為仿真樣本，步數(shù)設(shè)置為最多2000，將兩個(gè)敏感性因素的極值區(qū)間均分，取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行地表沉降的預(yù)測(cè)，其他設(shè)置不變，仿真結(jié)果如圖3、4.

圖3 基于洞徑因素的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 基于隧道埋深因素的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

可以看出，隧道圍巖沉降的水平與洞徑大小成正比，與隧道埋深成反比，這一結(jié)果與施工實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)相符.因此，考慮洞徑和隧道埋深這兩個(gè)敏感性因素對(duì)預(yù)測(cè)隧道圍巖沉降更合理.

3 結(jié) 論

(1)地鐵隧道圍巖沉降的分布曲線與Peck公式分布曲線基本吻合.(2)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真，不考慮敏感性因素，剔除三個(gè)誤差大樣本，余下訓(xùn)練樣本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較小.(3)加入兩個(gè)敏感性因素，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異更小，更有利于指導(dǎo)實(shí)際工程.下一步研究方向是將三維數(shù)值模擬結(jié)果與MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較研究.