地鐵盾構(gòu)施工性能分析

李明芳

(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責任公司,北京 100000)

1 盾構(gòu)掘進性能因素

隧道項目中機械開挖的性能分析和預測非常重要,因為整個項目的進度/完工時間和單位成本/盈利能力都是基于隧道性能進行的。這在使用盾構(gòu)掘進機的大斷面隧道工程中尤為重要,因為盾構(gòu)掘進是一個復雜的土-機相互作用過程,受到許多因素的影響。這意味著,在了解性能的復雜性和動態(tài)性之前,研究可能影響盾構(gòu)掘進性能的因素至關(guān)重要。如先前研究中所述,盾構(gòu)掘進性能受許多因素影響,這些因素可分為三大類:幾何特征、地質(zhì)條件和盾構(gòu)機可靠性。

首先,幾何參數(shù)對盾構(gòu)掘進隧道的盾構(gòu)掘進性能和開挖速度有決定性影響,如距隧道面的距離、隧道軸線距地面的深度和隧道直徑。因此,深度與直徑之比超過2.5的較深隧道對盾構(gòu)機的扭矩有很大影響。換句話說,較深隧道的性能將低于較淺隧道。由于直徑?jīng)]有變化,幾何參數(shù)的影響將隨著盾構(gòu)隧道縱向發(fā)展中開挖深度的增加而擴大。

其次,在盾構(gòu)掘進之前必須了解地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。這些條件將影響設(shè)計施工階段并避免意外事件。盾構(gòu)刀具在隧道開挖過程和盾構(gòu)開挖效率與土壤類型有關(guān)。然而,幾乎不可能對隧道沿線每段的土壤類型進行詳細的地質(zhì)調(diào)查,因此很難獲得土壤類型的真實值。因此,許多研究基于盾構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù),通過數(shù)值和反分析技術(shù)研究了地面條件或土壤參數(shù)對盾構(gòu)性能的影響。特別是,研究了兩個參數(shù),即剪切強度和楊氏模量,發(fā)現(xiàn)它們對先進比率有很大影響。此外,困難的地面類型,如斷裂帶、塊狀巖體、粘性土壤、擠壓巖石、混合面、高滲透性和地下水壓力,可能導致盾構(gòu)性能不佳和成本超支。案例研究表明,不利的地質(zhì)條件會嚴重影響盾構(gòu)掘進推進速度和刀具磨損。在某些極端情況下,盾構(gòu)機可能被堵塞或埋在擠壓地面、嚴重的巖爆條件或斷裂帶中。

盾構(gòu)機的可靠性和可維護性也被普遍認為是影響盾構(gòu)性能的關(guān)鍵因素?？煽啃灾傅氖歉鞣N工作條件下盾構(gòu)性能的穩(wěn)定性,尤其是開挖面的土壓力和水壓平衡能力。在交替的施工順序中,即推進和環(huán)形建造步驟中,盾構(gòu)機必須為周圍土壤的垂直和水平荷載提供足夠的支撐,并將對地面的沉降影響降至最低。然而,提高推進率只能縮短推進過程的時間。這表明盾構(gòu)掘進性能不僅與機器的推進速度相關(guān),而且還受到后勤維護的影響,后勤維護通常會降低整個施工過程的生產(chǎn)率。例如,挖掘出的泥漿通過排放管道運出隧道,而泥漿通過進料管道注入挖掘室。如果排放或進料管道堵塞,盾構(gòu)機必須停止前進過程,從而產(chǎn)生非生產(chǎn)性工時。因此,盾構(gòu)機的可靠性和可維護性對于確保高性能盾構(gòu)掘進工程至關(guān)重要。

然而,本研究并不強調(diào)找出這些因素如何影響隧道掘進期間的盾構(gòu)性能。主要關(guān)注盾構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系及其對盾構(gòu)性能的解釋。考慮到上述因素,很明顯,盾構(gòu)性能是受幾何特征、地質(zhì)和水文條件以及盾構(gòu)機可靠性影響的高度復雜系統(tǒng)的輸出。到目前為止,對盾構(gòu)性能的分析仍然主要基于經(jīng)驗、簡化的靜態(tài)尺寸模型和理論假設(shè)。因此,基于盾構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析方法可以提供對盾構(gòu)性能的全面理解。

2 盾構(gòu)掘進性能常規(guī)分析

一般來說,盾構(gòu)掘進機的性能分析涉及兩個定義部分,即刀具壽命和開挖速度。前者通常以平均刀具壽命(小時)、工作面上行駛的米數(shù)、每米隧道的刀具數(shù)或每立方米開挖巖石的刀具數(shù)表示。顯然,刀具消耗的增加會影響維護時間和機器利用率。隧道性能的另一個定義更常被引用為隧道掘進機的開挖速度。它是指對某些參數(shù)的測量和估計,包括:(1)貫入率(ROP),也稱為貫入率(PR),通常以m/h表示,是指機器接觸地面并處于生產(chǎn)狀態(tài)時每單位時間的線性開挖進尺。(2)利用率(UR),以百分比(%)表示,表示鉆孔時間與總時間的比率?？倳r間指每個工作日的工作小時數(shù)。(3)提前率(AR),是以m/d表示的每日提前量,是項目進度的衡量指標。通常,隧道項目中的生產(chǎn)性時間段分為交替的生產(chǎn)過程:推進和環(huán)建。這表明,項目績效不僅與現(xiàn)場物流和機器維護水平相關(guān),還受機器推進速度和其他性能影響參數(shù)的影響。開挖速度變化的原因是圓盤被壓在開挖面上,以產(chǎn)生等于或低于圓盤刀具標稱容量或機器推力容量的刀具負載。換言之,在圓盤上施加高水平推力和法向力將導致深度穿透的地下工作面,需要超出機器能力的高滾動力和刀頭扭矩。在這種情況下,帶有推力/扭矩的機器功率被用作盾構(gòu)掘進作業(yè)的控制參數(shù)。這就是為什么經(jīng)常引用每穿透力(FPD)和每穿透扭矩(TPD)來評估和預測盾構(gòu)掘進性能。FDP可定義為單位穿透的總推力

(1)

式中:D為圓盤刀具在現(xiàn)場的穿透力(每轉(zhuǎn))(mm/rev);F為液壓推力系統(tǒng)的總力。與FDP指數(shù)類似,FDP可定義為單位穿透扭矩,如下所示

(2)

式中:T是盾構(gòu)掘進中的扭矩。大FPD和TPD反映出開挖面土壤堅硬,盾構(gòu)性能低,反之亦然。然而,這些經(jīng)驗分析方法僅涉及上述幾個參數(shù),因為歷史項目中很難收集到與盾構(gòu)性能相關(guān)的許多其他參數(shù),其中嵌入了關(guān)于盾構(gòu)性能的隱含信息和知識。

如今,計算機技術(shù)的擴散、普遍性和日益強大的能力極大地增強了我們在盾構(gòu)隧道中實時數(shù)據(jù)收集、存儲和操作的能力。長期以來,基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的使用被認為是提高生產(chǎn)力和提高地鐵項目質(zhì)量的關(guān)鍵。這些系統(tǒng)提供了大尺寸的盾構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在不同的隧道條件下具有不同的參數(shù)和異質(zhì)性。為了從這些高維數(shù)據(jù)中揭示隱藏模式,并將其轉(zhuǎn)化為顯性信息或知識以供進一步使用,許多研究人員致力于數(shù)據(jù)挖掘的跨學科研究,以彌合盾構(gòu)工程、應(yīng)用統(tǒng)計學和計算機科學之間的差距。自動化數(shù)據(jù)處理方法,包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、遺傳算法、決策樹和最近的支持向量機,已經(jīng)開始增強數(shù)據(jù)挖掘的能力。一些研究人員試圖量化應(yīng)用于沙中泥漿盾構(gòu)TBM的驅(qū)動力及其空間和時間分布,以便更好地預測TBM-土壤相互作用參數(shù)。數(shù)據(jù)挖掘方法也應(yīng)用于盾構(gòu)機掘進推力的建模和推力預測的顯式表達式。其他人基于可用數(shù)據(jù)研究了不同地質(zhì)和TBM操作參數(shù)之間的關(guān)系,并使用數(shù)據(jù)挖掘方法提供了新的方程式。此外,回歸樹和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預測機械TBM的比能和切削性能參數(shù)。

粗略地說,現(xiàn)有的盾構(gòu)掘進性能數(shù)據(jù)挖掘研究局限于對一些關(guān)鍵性能參數(shù)的理解和預測,這是創(chuàng)建抽象數(shù)據(jù)模型的一種推理方法,而不是包含所有考慮的高維參數(shù)的系統(tǒng)視圖。很少有系統(tǒng)視角來建模和分析盾構(gòu)掘進性能,這對于運營商和現(xiàn)場管理人員合理理解宏觀和微觀層面至關(guān)重要。前者用于創(chuàng)建關(guān)于盾構(gòu)性能的全局圖,而后者則關(guān)注其中的具體細節(jié)。因此,動機是一個問題:我們能否開發(fā)一個基于數(shù)據(jù)的系統(tǒng)模型來分析盾構(gòu)隧道中的這些高維和異構(gòu)性能數(shù)據(jù)?因此,引入了具有數(shù)據(jù)挖掘方法的復雜網(wǎng)絡(luò)理論來探索盾構(gòu)掘進中的性能特征。

3 復雜網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用

形成復雜系統(tǒng)的最基本因素是其元素之間的相互作用。復雜網(wǎng)絡(luò)的一個優(yōu)點是,它允許人們用抽象圖的相同語言描述不同的、有時不同的系統(tǒng)。這些圖基于節(jié)點(或頂點)和鏈接(或邊)的概念,這些節(jié)點可以與系統(tǒng)的單個結(jié)構(gòu)或功能元素識別,鏈接(或邊緣)表示節(jié)點對之間的物理交互或其他關(guān)系。盡管對圖論有統(tǒng)計學物理理解,但復雜網(wǎng)絡(luò)對理解拓撲結(jié)構(gòu)對復雜系統(tǒng)動力學和組件的影響非常有幫助。這樣,不僅具有明顯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),如萬維網(wǎng)、交通和通信系統(tǒng),復雜網(wǎng)絡(luò)分析也可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)表示更抽象的系統(tǒng):生物現(xiàn)象、金融市場等。從復雜網(wǎng)絡(luò)理論衍生出的一些使人們更好地理解了控制復雜系統(tǒng)行為和性能的機制。

該理論已被一些研究采用,這些研究調(diào)查了與建筑業(yè)相關(guān)的不同方面,如基礎(chǔ)設(shè)施維護的彈性和建筑組織。然而,建筑行業(yè)領(lǐng)域?qū)碗s網(wǎng)絡(luò)的主要研究集中于結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),即一個物理網(wǎng)絡(luò),其中網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點和邊緣代表建筑項目中的真實部分或組件。重構(gòu)它們相當于將連接映射到相應(yīng)的鏈接中,如在真實系統(tǒng)中所見。例如,在電力基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中,節(jié)點可以是發(fā)電站、轉(zhuǎn)換站、輸電塔等,而高壓輸電線路在相應(yīng)的鏈路上提供信息。與物理網(wǎng)絡(luò)相比,一些復雜系統(tǒng)缺乏關(guān)于節(jié)點和鏈路的明確信息,需要從反映其動態(tài)行為和功能性能的大量測量數(shù)據(jù)中重建這些信息。在最一般的情況下,這些重構(gòu)功能網(wǎng)絡(luò)(也稱為依賴網(wǎng)絡(luò))具有三個不同的分析方面,即連接性測量、閾值和拓撲度量。為了觀察給定的拓撲度量,有必要選擇合適的同步度量和閾值。這一問題將通過使用數(shù)據(jù)挖掘方法來解決,以減少復雜網(wǎng)絡(luò)表示中的主觀程度,這表明這兩個領(lǐng)域?qū)嶋H上可以以協(xié)同方式使用。

對于盾構(gòu)掘進性能的評估,重建復雜網(wǎng)絡(luò)涉及使用高維和異構(gòu)盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)的兩個施工周期(管片環(huán))的性能之間是否存在某種關(guān)系。這些屏蔽隧道性能關(guān)系中的每一個反過來都會改變最終的性能網(wǎng)絡(luò)拓撲,因此需要不同的閾值和拓撲度量。更改閾值對可以評估的性能網(wǎng)絡(luò)拓撲度量有重要影響。例如,在密集網(wǎng)絡(luò)中,平均測地線距離總是趨于1,而在稀疏網(wǎng)絡(luò)中,很難觀察到復雜的圖案。本文將復雜網(wǎng)絡(luò)理論與數(shù)據(jù)挖掘方法相結(jié)合,在具有拓撲財產(chǎn)的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中繼承了高維現(xiàn)場數(shù)據(jù)中的盾構(gòu)掘進性能動力學和特征。

4 通過復雜網(wǎng)絡(luò)的盾構(gòu)掘進性能建模

在此介紹的盾構(gòu)掘進性能建模和分析方法旨在彌合高維數(shù)據(jù)挖掘與盾構(gòu)性能復雜網(wǎng)絡(luò)方法之間的差距。從高維和異構(gòu)性能數(shù)據(jù)構(gòu)建盾構(gòu)隧道性能網(wǎng)絡(luò)有三個步驟。(1)使用高斯核函數(shù)和多個屏蔽參數(shù)計算段環(huán)之間的相似度,以形成具有表示節(jié)點的行和列以及表示鏈接的矩陣條目的相似度矩陣。為了簡化建模,通常通過閾值設(shè)置和討論將加權(quán)相似矩陣轉(zhuǎn)換為二元鄰接矩陣,以進一步進行無向網(wǎng)絡(luò)建模。(2)二值化鄰接矩陣,如果值大于閾值,則其元素被設(shè)置為1;否則它們被設(shè)置為0。閾值的選擇將影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此選擇合適的閾值非常重要。(3)計算和比較網(wǎng)絡(luò)度量,包括節(jié)點度、平均最短路徑長度、聚類系數(shù)、中間中心度和社區(qū)結(jié)構(gòu),見圖1。

圖1 盾構(gòu)掘進性能復雜網(wǎng)絡(luò)建模的主要階段

4.1 盾構(gòu)掘進性能相似矩陣

在本研究中,盾構(gòu)性能網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點表示隧道中的段環(huán),而鏈路表示取決于盾構(gòu)操作數(shù)據(jù)集的相關(guān)連接。每個盾構(gòu)掘進循環(huán)是指在隧道中建造的每個管片環(huán),包括盾構(gòu)機的一次推進和用于安裝襯砌管片的一次停止。因此,由于地質(zhì)、水文和機械條件的影響,相關(guān)關(guān)系對應(yīng)于不同盾構(gòu)掘進周期中性能和效率相似性的大小。

4.2 復雜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)閾值設(shè)置

全連通圖可用于表示網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點集(或頂點)和相應(yīng)的邊集(或連接)組成。據(jù)說,連接的存在與否表明了兩個節(jié)點之間某些交互的強度或重要性。在完全連通的圖中,非線性相互依賴的弱相關(guān)性沒有統(tǒng)計學意義。因此,通過閾值去除這些弱邊緣,我們能夠更好地引出任何潛在的非隨機結(jié)構(gòu)和復雜的網(wǎng)絡(luò)特征。然而,刪除太多的邊會斷開圖形,從而對拓撲財產(chǎn)的計算造成限制。通過對盾構(gòu)性能數(shù)據(jù)的高斯核相似矩陣進行閾值化得到的網(wǎng)絡(luò)的拓撲財產(chǎn)將取決于閾值的選擇。如果閾值較高且邊緣數(shù)較低,則網(wǎng)絡(luò)將稀疏連接,一些區(qū)域節(jié)點可能斷開連接;如果閾值較低且邊緣數(shù)較高,則網(wǎng)絡(luò)將更緊密地連接,但也將具有隨機拓撲。因此,在進一步的網(wǎng)絡(luò)分析之前,定義一系列閾值以產(chǎn)生具有小世界拓撲的完全連接的網(wǎng)絡(luò)是高度優(yōu)先的步驟。

5 結(jié)束語

考慮到屏蔽性能網(wǎng)絡(luò)拓撲的識別,在屏蔽過程中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建的各個屏蔽環(huán)之間的關(guān)系和相互作用。這為通過復雜網(wǎng)絡(luò)視角評估不同環(huán)中的屏蔽性能提供了一種新的方法,這與基于多個屏蔽參數(shù)的傳統(tǒng)分析的屏蔽性能評估是互補的。然而,尋找一種新的方法來測量屏蔽性能網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的影響并不是重點。旨在討論拓撲財產(chǎn)的潛在價值,以進一步進行盾構(gòu)性能風險評估和檢測結(jié)果,從而在實踐中進一步識別地質(zhì)條件。地質(zhì)條件對盾構(gòu)性能有很大影響。這一事實是分析盾構(gòu)掘進性能的動機,以便工程師推斷和評估地質(zhì)條件的變化。從復雜網(wǎng)絡(luò)的角度來看,地質(zhì)條件的特征和影響與盾構(gòu)性能的分類密切相關(guān)。幾何和巖土特性的值在不同性能社區(qū)之間具有不同的范圍,這表明在施工環(huán)境中存在模塊化的幾何和巖結(jié)構(gòu)。不難發(fā)現(xiàn),覆蓋層土壤和隧道通道土壤的差異及其地質(zhì)風險水平可以通過盾構(gòu)隧道性能網(wǎng)絡(luò)中的集群社區(qū)來解釋。結(jié)果表明,在盾構(gòu)性能網(wǎng)絡(luò)中檢測到的群落可以作為隧道地質(zhì)條件的分類,這在盾構(gòu)隧道地質(zhì)風險評估中具有潛在價值。