張雨雷,孔令臣,劉思國,李雨潤,紀文利
(1.中交第一航務(wù)工程局有限公司,天津 300461;2.中交天津港灣工程研究院有限公司,天津 300222;3.天津市水下隧道建設(shè)與運維技術(shù)企業(yè)重點實驗室,天津 300461;4.中交天津港灣工程設(shè)計院有限公司,天津 300461;5.河北工業(yè)大學土木與交通學院,天津300401)
雖然沉管隧道工法在我國起步較晚,但是發(fā)展非常迅速。在我國第一條廣州珠江隧道建成通車不足30 a的時間里,先后建成20余條沉管隧道。由于早期沉管隧道抗浮系數(shù)為1.1~1.2,人們很少考慮沉降問題,但是絕大多數(shù)沉管隧道都會出現(xiàn)不同程度的沉降,特別是對于軟土地基上的沉管隧道沉降值甚至可以達到幾十厘米,如:上海外環(huán)沉管隧道最大沉降為310 mm[1]。
在土木工程領(lǐng)域中對基礎(chǔ)沉降計算有數(shù)百年的歷史,涌現(xiàn)出了非常多的預(yù)測模型,盡管已建成的沉管隧道的數(shù)量不少,但國內(nèi)外關(guān)于沉管隧道沉降的研究卻十分有限。孫鈞院士提出對于港珠澳大橋沉管隧道工后沉降需要長期連續(xù)觀測的要求[2],沉管隧道管節(jié)沉降是沉管安全的不利因素,也是沉管隧道建設(shè)中無法避免又必須關(guān)注的安全問題。不均勻沉降過大會造成管節(jié)脫離、管內(nèi)涌水,進而引發(fā)安全事故。傳統(tǒng)的沉降預(yù)測模型在上部荷載維持相對穩(wěn)定或者已知最終荷載情況下進行。同時,陸上工程的地基參數(shù)獲取條件較好,具有較明確的獲取方式,而海上工程獲取原狀土較為困難,高昂的費用也是影響獲取沉降模型相關(guān)物理力學參量的重要因素。
國內(nèi)對于沉管沉降的大部分研究集中于潮汐對沉降的影響,而考慮管頂回淤影響的研究較少,魏綱等[3]通過理論計算得出潮汐影響下甬江隧道沉管段的浮動范圍為4~8 mm,不同管節(jié)的同一位置截面中,越靠近隧道中點的浮動量越大。謝雄耀等[4]通過有限元計算得出了淤積對隧道長期沉降影響顯著,同時指出隧道隨潮位變化產(chǎn)生周期性浮動,且不轉(zhuǎn)化為永久沉降。
本文結(jié)合港珠澳大橋工程實例,沉降測點布置情況[5],通過對雙曲線法、星野法、費爾哈斯法[6]、Richards生長曲線法[7]、支持向量機(SVM)[8]、差分整合移動自回歸(ARIMA)[9]和基于遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA+BP)[10]7種常用預(yù)測模型進行適用性研究,同時通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及首次提出的改進Richards法,進行考慮回淤及清淤影響的沉管隧道沉降預(yù)測研究,本研究不僅對港珠澳大橋沉管隧道的安全運營提供了極大助益,也為今后沉管隧道的設(shè)計施工提供寶貴經(jīng)驗。
港珠澳大橋主體工程跨越伶仃洋外海,全長近55 km,沉管隧道總長6.7 km,沉管段長5.664 km[11]。
結(jié)合工程地質(zhì)實況,沉管隧道區(qū)域主體采用2種地基處理方式,人工島暗埋段的地基經(jīng)降水聯(lián)合堆載預(yù)壓后采用高壓旋噴改良地基;沉管隧道E1S3—E5和E30—E33S6采用擠密砂樁方案[12],其中部分區(qū)域采用擠密砂樁+堆載預(yù)壓進行地基處理。沉管隧道E6—E29采用天然地基基礎(chǔ)方案。管節(jié)橫斷面圖如圖1所示。
圖1 港珠澳大橋沉管隧道橫斷面圖(cm)Fig.1 Cross-section of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel(cm)
對港珠澳大橋沉管沉放后進行了19次回淤掃測,管頂回淤量如圖2所示。從圖中可看出管頂回淤量近似線性增長的規(guī)律,對E21管頂回淤高度進行線性擬合,其相關(guān)系數(shù)為0.997。本文中使用的回淤時間序列通過對圖2管頂回淤高度進行曲線擬合獲取。選取其中回淤量最明顯的E21管節(jié)與回淤量不明顯的E7管節(jié)進行沉降預(yù)測研究。
圖2 管頂回淤量掃測統(tǒng)計Fig.2 Survey and statistics of back siltation at tube top
對于雙曲線法、星野法、費爾哈斯法、Richards生長曲線法,其中yt表示t時刻的沉降量,y0表示初始時刻的沉降量,A、B、C、D為模型待定參數(shù)。
雙曲線法:
星野法:
費爾哈斯法:
Richards生長曲線法:
對于ARIMA模型,通過對ACF檢驗與PACF檢驗對模型進行識別,差分進行定階,BIC準則進行參數(shù)估計,并對模型進行白噪聲與模型質(zhì)量檢驗。
對于SVM模型預(yù)測需要提供預(yù)估的預(yù)測值進行,因此,較適用于具有周期性規(guī)律的數(shù)據(jù),本次提供預(yù)估值為擬合模型使用沉降數(shù)據(jù)的最大值。
對于GA+BP模型,通過遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重與閾值,提高模型收斂速度,避免陷入局部最優(yōu)解。
通過E7管節(jié)2 a的實測數(shù)據(jù)進行模型的建立,計算全部實測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)(見表1),并將預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)繪制于圖3中。
表1 預(yù)測模型相關(guān)系數(shù)匯總表Table 1 Summary of correlation coefficients of prediction model
圖3 不考慮管頂回淤E7管節(jié)沉降預(yù)測Fig.3 Settlement prediction of E7 tube segment without considering back siltation at the top of the immersed tunnel
由圖3看出曲線擬合狀況良好,預(yù)測結(jié)果除ARIMA模型未收斂外,其余模型收斂程度相似。對于E7管節(jié)模型預(yù)測質(zhì)量由高到低分別是星野法>Richards法>雙曲線法>GA+BP>SVM>費爾哈斯法>ARIMA。因此,對于E7管節(jié)在不考慮回淤量對沉管沉降影響時,星野法、Richards法、雙曲線法和GA+BP全部實測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均大于0.8,預(yù)測質(zhì)量良好。當考慮回淤量時,改進Richards法較Richards法預(yù)測相關(guān)系數(shù)提高了0.014。
通過對E21管節(jié)2 a實測數(shù)據(jù)進行模型的建立,并將預(yù)測值與實測值繪制于圖4中。
圖4 不考慮管頂回淤E21管節(jié)沉降預(yù)測Fig.4 Settlement prediction of E21 tube segment without considering back siltation at the top of the immersed tunnel
圖4顯示不考慮回淤情況下,曲線擬合質(zhì)量欠佳,預(yù)測結(jié)果除ARIMA模型未收斂外,其余模型收斂程度相似,計算全部實測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)(見表1)。雖然ARIMA模型相關(guān)系數(shù)為0.931,但是不同預(yù)測時間段的相關(guān)系數(shù)較低(1 a相關(guān)系數(shù)0.543、3 a相關(guān)系數(shù)0.372),同時,結(jié)合上面的分析與圖3可知,ARIMA模型長期預(yù)測失真,因此在模型質(zhì)量排序中將其剔除后,對于E21管節(jié)模型預(yù)測質(zhì)量由高到低分別是星野法>雙曲線法>Richards法>SVM>GA+BP>費爾哈斯法。對于E21管節(jié)在不考慮回淤量對沉管沉降影響時,星野法、Richards法、雙曲線法和GA+BP的全部實測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.8,預(yù)測質(zhì)量良好。當將回淤量考慮進預(yù)測時,改進Richards法相較于Richards法預(yù)測相關(guān)系數(shù)提高了0.239。
通過Fitzhugh H A[13]對Richards模型的分析可知,Richards模型具有單調(diào)遞增、有界和“S”形的特性,并且對參數(shù)m取特征值,Richards模型可以轉(zhuǎn)換為諸多典型的“S”形生長模型,方程擁有很強的靈活性,可以反映規(guī)律性的實際增長趨勢。由表2可以看出,在管頂回淤高度較大時,通過Richards計算得出的最終沉降量已經(jīng)超出了魏綱[14]統(tǒng)計國內(nèi)外19條沉管隧道實測數(shù)據(jù)得出的總沉降平均值108 mm,參數(shù)失真。
表2 Richards法與改進Richards法參數(shù)對比統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of parameters comparison between Richards method and improved Richards method
通過對沉管隧道沉降現(xiàn)象及規(guī)律進行總結(jié)歸納,探討沉降的組成及機理,結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)回淤量對沉降預(yù)測影響較大。因此,考慮通過引入回淤荷載,優(yōu)化Richards預(yù)測結(jié)果,由此提出改進Richards法:
式中:γ′為淤泥浮容重;z為t時刻回淤厚度;G′為管體單寬浮重度;A1為沉管隧道最終沉降量;B1為初始沉降參數(shù);C1為沉降速度參數(shù);D1為曲線形狀參數(shù)。上面的4個待定參數(shù)與Richards法一致,其中A1為去除回淤影響后的最終沉降量。
對E21管節(jié)進行考慮回淤預(yù)測模型研究,研究通過GA+BP、改進Richards法進行對比(見圖5),圖5給出了1 a、2 a、3 a的GA+BP和改進Richards法的計算結(jié)果,通過曲線可以看出,改進Richards法收斂速度快,1 a的數(shù)據(jù)即可有較好的計算結(jié)果,而GA+BP需要3 a以上的數(shù)據(jù)才能保證預(yù)測精度。表1中呈現(xiàn)2 a二者平均相關(guān)系數(shù),改進Richards法高達0.968,而GA+BP為0.755。
圖5 考慮管頂回淤E21管節(jié)沉降預(yù)測Fig.5 Settlement prediction of E21 tube segment considering back siltation at the top of the immersed tunnel
此外,對模型穩(wěn)定性進行研究,對于既定工程,改進Richards模型中γ′、G′為常數(shù),因此,待定系數(shù)僅為A1、B1、C1、D1與Richards模型一致。表2給出了2 a以及1 872 d的全部實測數(shù)據(jù)的參數(shù)估計結(jié)果,通過此表可以看出,二者的2 a參數(shù)估計結(jié)果均較為穩(wěn)定,但是對于全部實測數(shù)據(jù)參數(shù)估計結(jié)果改進Richards比Richards更穩(wěn)定,同時,2 a與全部數(shù)據(jù)改進Richards參數(shù)A1沉管隧道最終沉降量估計值的變化量小于4%。
改進Richards法通過引入隨時間增長的回淤變量來考慮回淤的影響,實際工程中管頂淤積不可能無限增長,可能存在沖刷或者為了降低沉降量而采取的清淤措施。本文通過調(diào)整管頂回淤高度,實現(xiàn)清淤預(yù)測的嘗試。
對于港珠澳大橋沉管隧道清淤預(yù)測選取E21管節(jié)進行分析,假定當管頂淤積高度達到5 m時,開始清淤至管頂淤積高度為3 m,如此反復(fù)。預(yù)測結(jié)果見圖6。
圖6 E21管節(jié)考慮清淤的沉降預(yù)測Fig.6 Settlement prediction of E21 tube segment considering dredging
選取甬江沉管隧道E5管節(jié)進行分析,通過文獻[4]中甬江隧道信息、實測數(shù)據(jù)、清淤時間及清淤施工標準,結(jié)合文獻[15]、[16]綜合確定回淤速率,預(yù)測結(jié)果見圖7。
圖7 E5管節(jié)考慮清淤的沉降預(yù)測Fig.7 Settlement prediction of E5 tube segment considering dredging
基于港珠澳大橋沉管隧道實測沉降數(shù)據(jù),對比研究已有的7種沉降預(yù)測算法,提出改進Richards預(yù)測模型,主要研究結(jié)果如下:
1)在基本沒有回淤影響的情況下,沉管隧道沉降星野法、Richards法、雙曲線法、GA+BP的相關(guān)系數(shù)均大于0.8,有較好的預(yù)測質(zhì)量。
2)改進Richards比Richards、GA+BP模型表現(xiàn)得更穩(wěn)定可靠且收斂速度更快。
3)嘗試改進Richards在港珠澳大橋沉管隧道及甬江隧道清淤下的沉降預(yù)測,模型表現(xiàn)良好。