超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模與相關(guān)性分析研究

陳 睿 王志華，2 張澤坤 周 誠(chéng)

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074；2.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

引言

超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，由于盾構(gòu)施工深埋地下，難以直接觀察，盾構(gòu)機(jī)上設(shè)置的各類(lèi)傳感器記錄的數(shù)據(jù)成為了解盾構(gòu)機(jī)施工狀況的一個(gè)切入點(diǎn)。但盾構(gòu)機(jī)記錄的參數(shù)類(lèi)型多，數(shù)據(jù)量極大，如何從這些海量的數(shù)據(jù)中，提取出對(duì)分析超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程有價(jià)值的數(shù)據(jù)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

針對(duì)盾構(gòu)參數(shù)的研究已有很多，例如：李俊逸研究了掘進(jìn)速度、推力等6個(gè)盾構(gòu)參數(shù)在復(fù)合地層中掘進(jìn)的規(guī)律性[1]；鄭剛[2]研究了出土量、扭矩等5個(gè)盾構(gòu)參數(shù)與盾構(gòu)掘進(jìn)速度關(guān)系，以及其對(duì)地表沉降的影響。但上述研究主要從盾構(gòu)參數(shù)本身出發(fā)，直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，忽略了盾構(gòu)施工過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，選擇的參數(shù)較少，對(duì)其復(fù)雜的作用過(guò)程關(guān)注不夠[3-5]。

因果關(guān)系，更具體地說(shuō)是不同盾構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是盾構(gòu)施工需要了解的關(guān)鍵問(wèn)題，目的是發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工過(guò)程中發(fā)生的潛在機(jī)制[6，7]。一組盾構(gòu)參數(shù)的時(shí)間序列演變之間存在相關(guān)關(guān)系是眾所周知的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)。Pearson相關(guān)系數(shù)提供了一組盾構(gòu)參數(shù)的演變相似度的信息，但是，相關(guān)系數(shù)并不能說(shuō)明是否有其他盾構(gòu)參數(shù)影響了觀察到的關(guān)系，解決這一問(wèn)題的一種方法是利用偏相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量度[8]。偏相關(guān)是研究?jī)蓚€(gè)盾構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性是如何與第三個(gè)盾構(gòu)參數(shù)相關(guān)的有力工具，使用偏相關(guān)系數(shù)來(lái)研究復(fù)雜系統(tǒng)已變得越來(lái)越普遍，它被用于研究基因網(wǎng)絡(luò)[9，10]，以及調(diào)查市場(chǎng)指數(shù)如何影響市場(chǎng)中的股票[11]。

因此，本文提出了一種基于超大直徑盾構(gòu)參數(shù)間偏相關(guān)關(guān)系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度提出了一種超大直徑盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的表征方法。通過(guò)實(shí)時(shí)的盾構(gòu)壓力艙數(shù)據(jù)快速求出清晰直觀的穩(wěn)定性值，方便實(shí)際施工中對(duì)其進(jìn)行觀察與控制； 結(jié)合某超大直徑越江盾構(gòu)隧道工程三段不同掘進(jìn)地層的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了盾構(gòu)參數(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，得出了盾構(gòu)參數(shù)指標(biāo)與盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖面壓力波動(dòng)的相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際盾構(gòu)工程中，通過(guò)構(gòu)建盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，推算得到開(kāi)挖面穩(wěn)定性表征值，進(jìn)而調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)以達(dá)到保持開(kāi)挖面穩(wěn)定的目的，為未來(lái)預(yù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖面穩(wěn)定性、盾構(gòu)機(jī)的智能化及無(wú)人化發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義提供了幫助。

1 工程概況與盾構(gòu)參數(shù)選取

1.1 工程概況

本文涉及的某超大直徑地鐵越江隧道盾構(gòu)機(jī)直徑達(dá)15.76m，如圖1所示。此越江隧道工程盾構(gòu)段全長(zhǎng)約2 600m，隧道區(qū)間起點(diǎn)里程為K4+050，終點(diǎn)里程為K1+450。圖2顯示了該超大直徑越江隧道工程的地理位置。在此段掘進(jìn)中，盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)歷了三段不同的地層，分別是入江前粉細(xì)砂地層(里程LK3+530～LK4+050，1-259環(huán))，越江軟硬不均地層(里程LK2+800～LK3+450，300-620環(huán))及越江粉細(xì)砂地層(里程LK2+340～LK2+740，650-850環(huán))，其所處位置已在圖1中標(biāo)出。三段地層示意圖如圖3所示，地層名稱、代號(hào)及狀態(tài)由表1給出。本文從三段地層中，各選取了100環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 某超大直徑越江地鐵盾構(gòu)隧道工程地理位置圖

表1 地層代號(hào)及其狀態(tài)

(a)入江前粉細(xì)砂地層

1.2 盾構(gòu)參數(shù)選取

在盾構(gòu)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)每隔10s記錄一次參數(shù)信息，記錄的盾構(gòu)參數(shù)多達(dá)977種，涵蓋了盾構(gòu)掘進(jìn)的各個(gè)方面。本研究旨在分析超大直徑盾構(gòu)的開(kāi)挖面穩(wěn)定性，并非所有盾構(gòu)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)記錄的參數(shù)都與盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性強(qiáng)相關(guān)，例如盾尾油脂注入量、氣體檢測(cè)、液位開(kāi)關(guān)等數(shù)據(jù)，引入到研究中反而會(huì)起干擾結(jié)果。在超大直徑盾構(gòu)穩(wěn)定性控制中，推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及泥水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定的影響最為顯著，具體而言，推進(jìn)速度反映盾構(gòu)掘進(jìn)的難易程度，且與進(jìn)泥、排泥平衡息息相關(guān)； 總推力是盾構(gòu)掘進(jìn)的主要?jiǎng)恿Γ?超大直徑盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)特性在于有多個(gè)油缸分區(qū)，各分區(qū)直接的協(xié)調(diào)配合是參數(shù)設(shè)置的難點(diǎn)，因此，此案例中盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)記錄的推進(jìn)油缸推力A-F應(yīng)加入分析。

刀盤(pán)接觸盾構(gòu)開(kāi)挖面，直接影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等反映了刀盤(pán)的實(shí)際掘進(jìn)情況；刀盤(pán)電流、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)總電流及刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)總扭矩反映了盾構(gòu)機(jī)對(duì)于刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的控制；刀盤(pán)伸縮油缸行程是對(duì)液壓系統(tǒng)的體現(xiàn)；左支撐力矩、轉(zhuǎn)矩支撐左、右壓力是支持刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)，這些參數(shù)綜合反映了刀盤(pán)及其驅(qū)動(dòng)的各項(xiàng)屬性，應(yīng)納入分析。

以往的盾構(gòu)參數(shù)研究中，泥水循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)由于不直接參與掘進(jìn)施工，相比推力、扭矩等參數(shù)較少被采用，但泥水循環(huán)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)泥水艙液位高度、輸送挖掘土體以保持挖掘泥水、進(jìn)泥與排泥的平衡，對(duì)于開(kāi)挖面穩(wěn)定，控制至關(guān)重要。因而，參與泥水循環(huán)的主要參數(shù)如進(jìn)泥壓力、進(jìn)泥與排泥比重、工作艙體積流量檢測(cè)、泥水循環(huán)管路流量檢測(cè)、排泥與進(jìn)泥體積流量檢測(cè)等，都應(yīng)列入研究參數(shù)中。此外，總出土量和實(shí)際開(kāi)挖方量是對(duì)挖掘土體的反映，也應(yīng)列入研究參數(shù)中。盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)于挖掘土體的滲透率也有記錄，將此參數(shù)也作為泥水循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)表征，納入研究。

綜上所述，選擇3類(lèi)32維盾構(gòu)參數(shù)作為本文的研究對(duì)象，其名稱及代表含義如表2所示，其中推進(jìn)油缸推力分為6個(gè)艙室。為了直觀地表示盾構(gòu)參數(shù)，從環(huán)流、掘進(jìn)、刀盤(pán)類(lèi)參數(shù)中各挑選2個(gè)，繪制入江前粉細(xì)砂掘進(jìn)地層中第50環(huán)盾構(gòu)波動(dòng)曲線如圖4所示。

表2 本文選取的32維盾構(gòu)參數(shù)

圖4 第50環(huán)盾構(gòu)參數(shù)波動(dòng)圖

2 超大直徑盾構(gòu)參數(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

2.1 偏相關(guān)系數(shù)及相關(guān)性影響計(jì)算

如圖4所示，僅為一環(huán)且經(jīng)過(guò)篩選之后的超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)已經(jīng)如此復(fù)雜，若要直接采用盾構(gòu)參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行所有盾構(gòu)參數(shù)、全部掘進(jìn)過(guò)程的研究將會(huì)十分困難。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可以將高維、繁多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低維數(shù)據(jù)，并將其可視化，是研究盾構(gòu)數(shù)據(jù)的良好工具。本文考慮構(gòu)建超大直徑盾構(gòu)參數(shù)的偏相關(guān)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行研究。

偏相關(guān)系數(shù)即考慮了其他一個(gè)或多個(gè)變量的兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)?；谧兞縕的變量X和Y之間的偏相關(guān)系數(shù)ρ(X，Y：Z)是X和Y與Z不相關(guān)的殘差之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。為了獲得X和Y的這些殘差，需要將它們回歸在Z上。偏相關(guān)系數(shù)ρ(X，Y：Z)可以用相關(guān)系數(shù)ρ(X，Y)，ρ(X，Z)和ρ(Y，Z)來(lái)計(jì)算：

(1)

較小的ρ(X，Y：Z)值可能表明變量Z在很大程度上影響X和Y之間的相關(guān)性，即ρ(X，Y)～ρ(X，Z)*ρ(Y，Z)。但是，若相關(guān)系數(shù)ρ(X，Y)、ρ(X，Z)和ρ(Y，Z)很小，因此ρ(X，Y：Z)也可以很小，這種情況應(yīng)該被排除。為了區(qū)分這兩種情況，求

d(X，Y：Z)=ρ(X，Y)-ρ(X，Y：Z)

(2)

將此值稱為Z對(duì)X和Y的相關(guān)性影響。僅當(dāng)Z對(duì)ρ(X，Z)影響較大時(shí)，此值才會(huì)大。因此，在下文中將把關(guān)注點(diǎn)放在較大的d(X，Y：Z)值上。

2.2 盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)閾值和權(quán)重算法

盾構(gòu)參數(shù)的偏相關(guān)閾值復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(Partial Correlation Threshold Network of Shield Tunneling Parameter，PCTN)是以一環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)的盾構(gòu)參數(shù)(例如推進(jìn)速度、總推力)為節(jié)點(diǎn)、盾構(gòu)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性為邊的網(wǎng)絡(luò)。PCTN網(wǎng)絡(luò)中，相關(guān)性影響值d(X，Y：Z)高于特定閾值的被保留在網(wǎng)絡(luò)中。在PCTN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的元素，在本文中即是盾構(gòu)參數(shù)，給定盾構(gòu)參數(shù)X、Y與Z，設(shè)置兩個(gè)有向連接，分別是Z→X和Z→Y，以表明盾構(gòu)參數(shù)Z對(duì)參數(shù)X和Y的相關(guān)性影響，當(dāng)且僅當(dāng)：

d(X，Y：Z)≥

Z+kσZ(d(X，Y：Z))

(3)

其中，Z和σZ(d(X，Y：Z))是對(duì)于Z為所有除X、Y參數(shù)以外的盾構(gòu)參數(shù)的d(X，Y：Z)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，而k是影響閾值的參數(shù)?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)的屬性在很大程度上取決于參數(shù)k的值。為了選擇合適的k值，需要迭代選擇該參數(shù)的不同值，然后計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有邊的權(quán)重之和，將該值表示為Ew(k)。當(dāng)k=0時(shí)，計(jì)算出Ew(0)，當(dāng)k為不同值時(shí)，繪制出Ew(k)/Ew(0)的曲線。另外，k值的選取還應(yīng)考慮到盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的連通性，因此，要算出對(duì)應(yīng)k值的最大連接網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，表示為NLC(k)，并且繪制出NLC(k)/N的曲線圖。理論上說(shuō)，每環(huán)盾構(gòu)參數(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)都是不同的，應(yīng)繪制所有環(huán)的Ew(k)/Ew(0)和NLC(k)/N曲線，再取k值，由于篇幅所限，本文選取了三段地層的各一環(huán)，繪制其曲線，選擇出一個(gè)具有共性的k值。繪制出三條Ew(k)/Ew(0)和NLC(k)/N曲線如圖5所示。

(a)第50環(huán)k值曲線

由圖5可知，k=2.5是一個(gè)比較好的選擇，這時(shí)，網(wǎng)絡(luò)有最大的連接分量，網(wǎng)絡(luò)為非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且便于計(jì)算和分析。此盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)是有權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于兩個(gè)盾構(gòu)參數(shù)間的有向連接Z→X，其權(quán)重為滿足式3的Y的個(gè)數(shù)。與所有基于閾值的網(wǎng)絡(luò)一樣，此盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)閾值非常敏感，閾值為0時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是全連接的，隨著閾值的增加，網(wǎng)絡(luò)可以為盾構(gòu)參數(shù)間的偏相關(guān)結(jié)構(gòu)提供更多信息。本文選擇了一個(gè)相當(dāng)高的閾值參數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)不平凡且可以消除統(tǒng)計(jì)性誤差的影響，雖然增加閾值會(huì)大大減少網(wǎng)絡(luò)中的連接數(shù)量，但在較高閾值時(shí)，仍然可以有效地分析盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的工程意義。

綜上所述，構(gòu)建本文研究的32維盾構(gòu)參數(shù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖6所示。

圖6 超大直徑盾構(gòu)參數(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3 超大直徑盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)特征提取及分析

3.1 盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及繪制

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，在每段地層中分別選取一環(huán)盾構(gòu)參數(shù)(與上文繪制k值曲線環(huán)號(hào)相同)，構(gòu)建并繪制其網(wǎng)絡(luò)圖如圖7所示。圖中盾構(gòu)參數(shù)的名稱、種類(lèi)、含義由表2給出，將環(huán)流類(lèi)盾構(gòu)參數(shù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為紅色，掘進(jìn)類(lèi)參數(shù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為藍(lán)色，刀盤(pán)類(lèi)參數(shù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為黑色。節(jié)點(diǎn)間連接的粗細(xì)即表示此連接的權(quán)重。

可以看出，不同地層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有明顯差別，圖7(a)分成了左右兩個(gè)部分，通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)相連； 圖7(b)整體性更高，環(huán)流類(lèi)參數(shù)幾乎均處于網(wǎng)絡(luò)外圍； 圖7(c)也分成了右側(cè)緊密連接部分和左側(cè)稀疏連接部分，且有一個(gè)僅有一條連接的“孤立節(jié)點(diǎn)”。

(a)第50環(huán)盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)

要對(duì)此超大直徑盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的分析，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)宏觀特征進(jìn)行提取，從定量角度進(jìn)一步分析。

3.2 盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)特征提取

本文選取了若干項(xiàng)常用的網(wǎng)絡(luò)宏觀指標(biāo)，給出其名稱及含義如表3所示。

表3 網(wǎng)絡(luò)宏觀指標(biāo)

計(jì)算并繪制這些網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的圖像如圖8所示。

(a)不同地層的集聚系數(shù)

由此求得每環(huán)盾構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo)值。以往的研究表明，總推力、刀盤(pán)扭矩、總出土量等參數(shù)在盾構(gòu)掘進(jìn)中起關(guān)鍵作用，而本文指出，盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)特征也反映出了一定的盾構(gòu)掘進(jìn)性質(zhì)。進(jìn)一步考慮從開(kāi)挖面壓力艙壓力波動(dòng)的角度，分析這些指標(biāo)對(duì)于實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的影響。本超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)工程案例中，掘進(jìn)壓力分5個(gè)壓力艙室及1個(gè)氣泡艙室記錄，考慮以艙室壓力的方差均值為開(kāi)挖面壓力波動(dòng)情況的表征。

3.3 結(jié)合開(kāi)挖面壓力的網(wǎng)絡(luò)及盾構(gòu)特征分析

首先，對(duì)三段地層的所有300環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)色譜分析，如圖9所示。由圖可知，對(duì)地層不加考慮，將全部數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)，壓力方差與任何網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)以及盾構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均無(wú)明顯相關(guān)性。

圖9 全地層相關(guān)性色譜圖

考慮將三段地層數(shù)據(jù)分段分析，繪制三段地層壓力方差與各個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性色譜圖，如圖10所示。

由圖10可知，三段地層中與壓力方差相關(guān)性最好的指標(biāo)分別是推力方差、平均距離與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)熵，其他指標(biāo)在本地層中與壓力方差的線性相關(guān)均較弱。為進(jìn)一步了解壓力方差與這三個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性，繪制這三段地層壓力方差與相應(yīng)指標(biāo)的散點(diǎn)圖，如圖11所示。

圖10 三段地層的相關(guān)性色譜圖

(a)入江前粉細(xì)砂地層

根據(jù)圖11可知，除少數(shù)離群點(diǎn)外，這三個(gè)盾構(gòu)指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖面壓力方差有較好的線性相關(guān)關(guān)系。其中，總推力方差、網(wǎng)絡(luò)平均距離與壓力方差呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)熵與壓力方差呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 應(yīng)用案例

此工程案例采用的盾構(gòu)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)按時(shí)間將盾構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出數(shù)據(jù)界面如圖12所示。本案例中，信息監(jiān)控系統(tǒng)每10s記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄非常頻繁，必然會(huì)產(chǎn)生一些誤差數(shù)據(jù)。由于盾構(gòu)參數(shù)本身在時(shí)刻不停地波動(dòng)和突變，傳統(tǒng)的3σ原則并不適用，剔除誤差數(shù)據(jù)需要分析每環(huán)盾構(gòu)參數(shù)的波動(dòng)曲線，找出誤差點(diǎn)，再刪除此時(shí)刻記錄的所有數(shù)據(jù)，使盾構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)量在不同參數(shù)間保持一致。本研究以左線盾構(gòu)掘進(jìn)為研究對(duì)象，挑選了處于上節(jié)所述的三段典型地層的1-250環(huán)、350-550環(huán)、620-880環(huán)作為研究區(qū)間，其中有些環(huán)的盾構(gòu)行程不是從0mm起至2 000mm止，最終收集符合條件的盾構(gòu)數(shù)據(jù)460條。從三段典型地層分別選取100環(huán)盾構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)成本研究的研究對(duì)象。

圖12 盾構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面

與直接采用盾構(gòu)參數(shù)方差進(jìn)行相關(guān)性分析相比，提取了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)特征后的相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)及決定系數(shù)R2顯著提高，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表4所示。

表4 線性擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)比看出，經(jīng)過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，一方面，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)揭示了參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及參數(shù)的關(guān)聯(lián)情況如何影響開(kāi)挖面穩(wěn)定性； 另一方面，顯著提高了相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)，使得通過(guò)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)推算開(kāi)挖面穩(wěn)定性情況成為可能。具體而言，所有地層數(shù)據(jù)中，開(kāi)挖面穩(wěn)定性與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)熵關(guān)系為：

y=-5.104x+5.633

(4)

在入江前粉細(xì)砂地層中，開(kāi)挖面穩(wěn)定性與掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)集聚系數(shù)關(guān)系為：

y=-1.422x+2.513

(5)

在越江軟硬不均地層中，開(kāi)挖面穩(wěn)定性與掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)熵關(guān)系為：

y=-9.918x+10.41

(6)

在越江粉細(xì)砂地層中，開(kāi)挖面穩(wěn)定性與掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)出度中心性關(guān)系為：

y=3.502x-0.408

(7)

此外，若不僅僅以線性關(guān)系來(lái)審視開(kāi)挖面穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在這段地層中，二次函數(shù)擬合效果優(yōu)于線性擬合，如圖13所示，其R2為0.735，結(jié)果更為顯著。

圖13 二次函數(shù)擬合效果圖

5 結(jié)論

本文提出了一種基于超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)構(gòu)建偏相關(guān)閾值網(wǎng)絡(luò)(Partial Correlation Threshold Network， PCTN)的方法，并且以某超大直徑越江盾構(gòu)隧道工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制了盾構(gòu)參數(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)圖，最后通過(guò)求取超大直徑盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的宏觀指標(biāo)及盾構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，分析了盾構(gòu)指標(biāo)與盾構(gòu)開(kāi)挖面壓力波動(dòng)情況的相關(guān)性，得出如下結(jié)論：

(1)提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的超大直徑盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性表征方法，基于工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)一段盾構(gòu)區(qū)間中三段典型地層的開(kāi)挖面穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在這三段地層中，相關(guān)性最好的盾構(gòu)參數(shù)分別為刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)總扭矩、總推力及刀盤(pán)扭矩。

(2)提出了基于盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)間偏相關(guān)系數(shù)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)偏相關(guān)閾值網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，基于工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其與開(kāi)挖面穩(wěn)定性有一定關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)整體性好、沒(méi)有核心節(jié)點(diǎn)且推進(jìn)、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)與泥水循環(huán)這三類(lèi)盾構(gòu)參數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中均勻分布時(shí)，此環(huán)掘進(jìn)的開(kāi)挖面穩(wěn)定性往往更優(yōu)。

(3)通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行提取，得到了三段地層中網(wǎng)絡(luò)的各種指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在越江上軟下硬地層中，盾構(gòu)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的平均權(quán)較低且節(jié)點(diǎn)間平均距離更長(zhǎng)，表明此地層中網(wǎng)絡(luò)連接較為稀疏且盾構(gòu)參數(shù)間關(guān)聯(lián)性較差； 進(jìn)一步研究了盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性表征值與網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，在三段地層中，網(wǎng)絡(luò)集聚系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)熵和網(wǎng)絡(luò)出度中心性分別是相關(guān)性最好的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，相關(guān)性相比盾構(gòu)參數(shù)方差顯著提升。

本研究未涉及計(jì)算開(kāi)挖面穩(wěn)定性表征值后如何調(diào)整各項(xiàng)盾構(gòu)參數(shù)，以降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定的方法，未來(lái)可以通過(guò)進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)收集—穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型構(gòu)建—穩(wěn)定性預(yù)測(cè)—盾構(gòu)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整”的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)的無(wú)人化、智能化。

本文為未來(lái)通過(guò)盾構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)揭示盾構(gòu)掘進(jìn)的內(nèi)在機(jī)理、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性提供了幫助。