林大煒，林從謀，黃逸群，黃清祥，孟希

（華僑大學(xué) 巖土工程研究所，福建 泉州362021）

隧道變形規(guī)律的研究一直是隧道工程的重點(diǎn)課題，通過對隧道變形規(guī)律的研究可以更好地對施工過程進(jìn)行指導(dǎo).目前，已有一些學(xué)者對不同隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了分析.陳建勛等［1］測試了單洞兩車道分離式黃土隧道施工變形，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析；張端良等［2］探討了軟弱圍巖隧道的變形規(guī)律；段寶福等［3］結(jié)合現(xiàn)場施工監(jiān)測采用有限元模擬分析，總結(jié)了炭質(zhì)頁巖小凈距隧道左右洞在施工差別時的圍巖變形規(guī)律；趙東平等［4］對大斷面黃土隧道變形規(guī)律進(jìn)行了研究；何宗文［5］對大跨度砂質(zhì)粘土隧道施工變形規(guī)律的研究 .然而，有關(guān)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對小凈距2擴(kuò)4隧道的變形規(guī)律進(jìn)行研究的報(bào)道比較少見.近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量的研究，得到了不少小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的研究成果.李長洪等［6］采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對露天礦邊坡變形進(jìn)行預(yù)測；王博等［7］運(yùn)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對基坑變形預(yù)測的研究；林景棟等［8］基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鋁電解槽狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測；王宇譜等［9］將小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于日長預(yù)報(bào)，但未見運(yùn)用BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對特大斷面超小凈距2擴(kuò)4隧道進(jìn)行變形預(yù)測.本文采用BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對特大斷面超小凈距2擴(kuò)4隧道進(jìn)行變形預(yù)測.

1 圍巖變形規(guī)律分析

福建省泉廈高速擴(kuò)建工程大帽山隧道的擴(kuò)挖右線與新建左線兩洞軸線為29.61 m，中夾巖凈寬為8.83 m（0.4B），屬于特小凈距隧道，如圖1所示.隧道在Ⅴ級圍巖中開挖跨度達(dá)22 m，扁平率為0.626，最大開挖總面積約250 m2，同時又是軟弱圍巖中的大斷面扁平隧道.該隧道斷面大、跨度大、扁平率大，國內(nèi)基本沒有可類比的工程，設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)極少，所以采用現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)對其變形位移進(jìn)行分析，通過研究圍巖的變形規(guī)律，來確保圍巖的穩(wěn)定性.

大帽山隧道擴(kuò)挖采用中隔壁（CD）法施工，開挖先后步序依次為A，B，C，D導(dǎo)坑，如圖2所示.文中以典型斷面ZK460＋055的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)作為研究對象，監(jiān)測點(diǎn)的布置情況依據(jù)隧道的開挖步序來確定.即A導(dǎo)坑開挖后布設(shè)了1，2，3三個測點(diǎn)，等到C導(dǎo)坑開挖后才布設(shè)了4，5這兩個測點(diǎn).

圖1 大帽山隧道洞室位置關(guān)系圖（單位：cm）Fig.1 Relation of cavern position of Damaoshan tunnels（unit：cm）

圖2 隧道導(dǎo)坑編號及測點(diǎn)布置Fig.2 Pilot tunnel numbering plan and arrangement of monitoring points

圖3為斷面ZK460＋055的周邊收斂數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)正值表示外擴(kuò)，負(fù)值表示收斂.從圖3可知：由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工方法等原因，從整體趨勢分析，周邊位移在施工過程中出現(xiàn)了擴(kuò)張和收斂趨勢的交替.周邊位移1→3曲線在前期的變化不會很大且位移是收斂的，說明A 導(dǎo)坑的開挖對周邊變形影響不會很明顯.隨著第3工序的進(jìn)行，C導(dǎo)坑開挖后，開始布設(shè)測點(diǎn)5并監(jiān)測周邊位移1→5和3→5，可以發(fā)現(xiàn)3條曲線數(shù)據(jù)在監(jiān)測第13 d左右開始迅速增大且趨勢是向著正值發(fā)展，表明3個監(jiān)測點(diǎn)在迅速擴(kuò)張；到了第20 d左右，3條周邊位移又迅速地收斂，直到第25 d左右，3條曲線變化的趨勢才變的比較平緩；之后，周邊位移1→5繼續(xù)緩慢地收斂，但1→3和3→5位移開始緩慢地外擴(kuò)；到了第52 d后，3條曲線的變化趨勢都已經(jīng)變得平緩且基本上在一個范圍內(nèi)波動，表明此時圍巖的周邊變形位移已經(jīng)穩(wěn)定了.

圖4為ZK460＋055的拱頂沉降位移數(shù)據(jù)圖.從圖4可知：拱頂位移1的前期階段變化很小，說明A導(dǎo)坑的開挖對拱頂位移的影響比較?。浑S著C導(dǎo)坑開挖之后布設(shè)了測點(diǎn)4，拱頂位移1和4在第11 d左右開始迅速的下沉，到了第20 d左右才趨于比較平緩；隨著擴(kuò)挖的進(jìn)行，拱頂位移1和4在第50 d后開始趨于平緩并且在一個范圍內(nèi)波動，說明此時圍巖的拱頂變形已經(jīng)穩(wěn)定了.通過對周邊位移和拱頂沉降的變化趨勢分析，表明小凈距擴(kuò)挖隧道在CD法施工時可以確保圍巖的穩(wěn)定性.

圖3 周邊變形位移數(shù)據(jù)圖Fig.3 Peripheral deformation displacement

圖4 拱頂沉降位移數(shù)據(jù)圖Fig.4 Vault settlement of tunnel

2 BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

在圍巖變形的預(yù)測中，采用的Morlet小波函數(shù)的函數(shù)式為

此時網(wǎng)絡(luò)的輸出表達(dá)式為

以泉廈高速大帽山擴(kuò)挖隧道為工程實(shí)例，采用典型斷面ZK460＋055的周邊位移1→3部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，將連續(xù)5 d的數(shù)據(jù)作為一個輸入數(shù)據(jù)，然后，以第6 d作為網(wǎng)絡(luò)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)，按照這種方式進(jìn)行滾動式訓(xùn)練.按照以下3個步驟來建立BP小波網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型［10-11］.

步驟1 對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，確定輸入層節(jié)點(diǎn)個數(shù)M＝5，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)個數(shù)n＝15，輸出層節(jié)點(diǎn)個數(shù)N＝1，動量因子μ＝0，學(xué)習(xí)率r1＝r2＝0.3，訓(xùn)練誤差egoal＝0.001，對平移因子bj，伸縮因子aj，以及網(wǎng)絡(luò)權(quán)值ωi，j，ωj，k隨機(jī)賦予初始值.

步驟2 訓(xùn)練輸入樣本，則E關(guān)于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的梯度向量計(jì)算式為

步驟3 權(quán)值修正.根據(jù)相對誤差E對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和小波函數(shù)參數(shù)進(jìn)行修正，使訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值逼近期望值，重復(fù)訓(xùn)練，直至滿足要求算法結(jié)束.

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)處理

為了驗(yàn)證上述提出的BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測隧道圍巖變形的有效性，以該隧道的Ⅲ級圍巖典型斷面ZK460＋055周邊位移1→3部分監(jiān)測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本.由于隧洞在監(jiān)測的過程中容易受到一些其他因素的影響，所以對要訓(xùn)練的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪［12-13］.其中：小波函數(shù)選取Db3函數(shù)，最大尺度為3.ZK460＋055斷面周邊位移1→3監(jiān)測數(shù)據(jù)的去噪結(jié)果，如圖5所示.

3.2 預(yù)測結(jié)果對比

將用Ⅲ級圍巖典型斷面ZK460＋055周邊位移1→3的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，繼續(xù)以該斷面的某連續(xù)5 d的數(shù)據(jù)作為輸入組，預(yù)測第6 d的變形值；然后，將該預(yù)測數(shù)值加入預(yù)測樣本預(yù)測下一天的變形位移，實(shí)現(xiàn)滾動式預(yù)測.以實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合預(yù)測數(shù)據(jù)，連續(xù)迭代預(yù)測5 d的變形位移值.同時，對施工及支護(hù)方法相同和地質(zhì)條件相似的ZK460＋070周邊位移1→2和2→3，以及Ⅳ級圍巖斷面ZK460＋095周邊位移1→2和1→3變形數(shù)值進(jìn)行預(yù)測，并和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的數(shù)值進(jìn)行對比，結(jié)果如表1～3所示.表1～3中：Δm，Δp，E分別為隧道變形位移的實(shí)測值、預(yù)測值及其相對誤差.

從表1，2和3可知：BP小波網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測精度方面明顯優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的誤差波動幅度大，而BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度誤差基本上能夠控制在10%以內(nèi)；BP小波網(wǎng)絡(luò)在對圍巖短期變形的預(yù)測中還是比較準(zhǔn)確的，并通過不斷獲得新的實(shí)測數(shù)據(jù)不斷修正和替換預(yù)測數(shù)據(jù)，來進(jìn)行長期的預(yù)測.此外，黃志波等［11］運(yùn)用BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大斷面隧道變形進(jìn)行了預(yù)測.表明該方法不僅能應(yīng)用于擴(kuò)挖隧道，在所有隧道中均可應(yīng)用.該方法對防止隧道施工過程中險(xiǎn)情的發(fā)生和指導(dǎo)布置下一階段的施工任務(wù)，都具有重要的意義.

圖5 ZK460＋055斷面周邊位移去噪曲線圖Fig.5 Peripheral displacement denoising curves of ZK460＋055 section

表1 ZK460＋055周邊位移實(shí)測值和預(yù)測值的對比Tab.1 Comparison between measured data and prediction data about peripheral displacement of ZK460＋055

表2 ZK460＋070周邊位移實(shí)測值和預(yù)測值的對比Tab.2 Comparison between measured data and prediction data about peripheral displacement of ZK460＋070

表3 ZK460＋095周邊位移實(shí)測值和預(yù)測值的對比Tab.3 Comparison between measured data and prediction data about peripheral displacement of ZK460＋095

4 結(jié)論

1）小凈距2擴(kuò)4隧道具有和其他隧道不同的變形規(guī)律.研究結(jié)果表明：大帽山隧道擴(kuò)挖工程A導(dǎo)坑開挖對周邊位移1→3曲線在前期的變化影響不會很大且位移是收斂的；C導(dǎo)坑開挖后到了第13 d，3個監(jiān)測點(diǎn)開始迅速地?cái)U(kuò)張，第20 d左右三條周邊位移又迅速地收斂，直到第25 d左右變化趨勢才變的比較平緩，1→5繼續(xù)緩慢地收斂，但1→3和3→5位移開始緩慢地外擴(kuò)，到了第52 d之后，3條曲線的變化趨勢都已經(jīng)變的平緩且基本上在一個范圍內(nèi)波動 .這表明此時圍巖的周邊變形位移已經(jīng)穩(wěn)定了.

2）將小波函數(shù)引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其預(yù)測精度誤差基本上能夠控制在10%以內(nèi)，跟BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比具有更快的收斂速率和更高的預(yù)測精度.因此，運(yùn)用BP小波網(wǎng)絡(luò)可以較精確預(yù)測小凈距大斷面擴(kuò)挖隧道的變形，對判斷圍巖穩(wěn)定性具有重要意義.

［1］ 陳建勛，王夢恕，軒俊杰，等.兩車道公路黃土隧道變形規(guī)律［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2012，12（3）：9-18.

［2］ 張端良，王劍，張運(yùn)良.軟弱圍巖隧道變形規(guī)律與施工安全控制技術(shù)［J］.公路工程，2011，36（2）：124-128.

［3］ 段寶福，翁現(xiàn)合.炭質(zhì)頁巖小凈距隧道圍巖變形規(guī)律研究［J］.施工技術(shù)，2012，41（374）：87-89.

［4］ 趙東平，喻渝，王明年，等.大斷面黃土隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（6）：64-69.

［5］ 何宗文.大跨度砂質(zhì)粘土隧道施工變形規(guī)律研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（4）：12-18.

［6］ 李長洪，范麗萍，郭俊溫.小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在露天礦邊坡變形預(yù)測中的應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)，2010，19（7）：77-79.

［7］ 王博，商岸帆，郭晨，等.小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在基坑變形預(yù)測的研究與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（19）：225-229.

［8］ 林景棟，王豐，廖孝勇.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋁電解槽狀態(tài)預(yù)測［J］.控制工程，2012，19（2）：290-293.

［9］ 王宇譜，呂志平.小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)日長預(yù)報(bào)算法研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2012，32（1）：127-131.

［10］ 張?jiān)诔?，林從謀，黃志波，等.爆破振動特征參量的BP小波預(yù)測［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（1）：77-81.

［11］ 黃志波，林從謀，黃金山，等.BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在大斷面隧道變形預(yù)測中的應(yīng)用［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（6）：680-683.

［12］ 梁桂蘭，徐衛(wèi)亞，談小龍，等.巖石高邊坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的小波變換去噪處理［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（9）：1837-1844.

［13］ 呂俊白.小波系數(shù)局部特征的自適應(yīng)圖像降噪算法［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（6）：636-640.