錢蔚然

摘要：在明確具體項(xiàng)目工程概況、水文地質(zhì)條件和既有1號(hào)線的調(diào)查情況的基礎(chǔ)上，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值計(jì)算，完成對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控量測(cè)。引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定輸入層、輸出層和隱藏層參數(shù)，通過訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)頂管沉降變形的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)；隧道下穿；矩形；頂管；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0? ?引言

隨著各地城鎮(zhèn)化建設(shè)工作的推進(jìn)、海綿城市開發(fā)工作的逐步完善，各地的地鐵、隧道等地下工程發(fā)展步入了黃金時(shí)期。在城市中，盾構(gòu)隧道、頂管隧道能高效、合理地利用城市地下空間，是城市基礎(chǔ)建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。城市軌道交通建設(shè)大多處于復(fù)雜環(huán)境中，因此項(xiàng)目施工通常具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

地鐵隧道不可避免地要穿越地表和地下的建筑物，為規(guī)范地鐵盾構(gòu)隧道施工，有關(guān)學(xué)者開展了大量研究。葉慶[1]等在開展研究后，明確了預(yù)留出入口會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成影響，并從遠(yuǎn)期預(yù)留口著手進(jìn)行了試驗(yàn)。張軒?kù)蟍2]等在開展研究后，引進(jìn)了隨機(jī)場(chǎng)理論，以某頂管隧道工程項(xiàng)目為例，對(duì)此類工程項(xiàng)目在施工時(shí)的地表變形特性進(jìn)行了分析，為控制施工中的表面構(gòu)筑物變形提供支持。程斌[3]從頂管隧道施工入手，以某超大斷面矩形頂管工程為例，對(duì)其全斷面渣土施工技術(shù)的優(yōu)化與改良進(jìn)行了分析，為完善、優(yōu)化工程項(xiàng)目施工技術(shù)提供幫助。

在新建地鐵盾構(gòu)下穿頂管隧道時(shí)，矩形頂管隧道結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)出許多特殊的受力和變形特征。一旦在施工中出現(xiàn)洞室設(shè)計(jì)、施工不合理，不僅會(huì)對(duì)工程帶來(lái)過大的附加內(nèi)力與變形，還會(huì)對(duì)洞室及地下各類管道的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。同時(shí)也會(huì)破壞洞室、巖層間的平衡，使洞室底部應(yīng)力解除、支護(hù)條件減弱，從而引發(fā)洞室排水系統(tǒng)失效，進(jìn)而引發(fā)連鎖性的結(jié)構(gòu)破壞。為解決此方面問題，需要規(guī)范地鐵盾構(gòu)隧道工程項(xiàng)目的施工。本文以博覽中心站-燕莊站隧道工程項(xiàng)目為例，開展地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控量測(cè)與頂管沉降變形預(yù)測(cè)。

1? ?工程概況

1.1? ?工程基本情況

本次研究的工程項(xiàng)目為地鐵隧道施工項(xiàng)目，該項(xiàng)目建設(shè)區(qū)間為博覽中心站燕莊站，正線隧道采用盾構(gòu)法施工。項(xiàng)目基本情況如表1所示。

博燕區(qū)間隧道左線，距1號(hào)線燕莊站車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻平面最近距離為1.29m，距1號(hào)線燕莊站車站主體結(jié)構(gòu)平面最近距離為2.36m。區(qū)間隧道左線，距燕莊站2號(hào)風(fēng)亭圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻平面最近距離為9.24m，距燕莊站2號(hào)風(fēng)亭結(jié)構(gòu)平面最近距離為10.24m。

1.2? ?水文地質(zhì)條件

區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間位置自上而下分為8個(gè)工程地質(zhì)單元層，6號(hào)線隧道掘進(jìn)地層主要為2-51細(xì)砂層，既有一號(hào)線隧道區(qū)間位于粉質(zhì)黏土、細(xì)砂中。地質(zhì)斷面如圖1所示。

1.3? ?既有1號(hào)線調(diào)查情況

鄭州市軌道交通1號(hào)線一期工程于2013年12月28日開通運(yùn)營(yíng)，全日運(yùn)營(yíng)17h。對(duì)既有1號(hào)線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并對(duì)既有1號(hào)線的概況與運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表進(jìn)行分析。既有1號(hào)線概況見表1。既有1號(hào)線運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表見表2。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的勘查發(fā)現(xiàn)，車站上行線大里程端盾構(gòu)井側(cè)墻有1處滲漏水，整體情況較好。下行線道床以及底板側(cè)墻交界處有多處滲漏水情況。車站結(jié)構(gòu)無(wú)混凝土掉塊、鋼筋外露及銹蝕、孔洞、疏松等問題。車站道床為鋼筋混凝土整體式，整體性較好，未發(fā)現(xiàn)道床脫空問題，但車站端頭存在整體下沉情況。區(qū)間隧道左右線側(cè)壁及管片接縫處有滲漏水。

為確保工程項(xiàng)目施工的規(guī)范性，施工前對(duì)下穿一號(hào)線隧道周邊情況進(jìn)行分析。下穿一號(hào)線隧道范圍內(nèi)，地面為金水路與未來(lái)路交叉口，地面為既有的市政道路。下穿范圍內(nèi)存在直徑800mm的混凝土污水管線，沿著金水路東西方向敷設(shè)，埋深為3.9m。鑒于此，施工前應(yīng)明確區(qū)間磨樁施工以及后期運(yùn)營(yíng)階段，在地面增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)志，并加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)巡查，以防止地面出現(xiàn)大量堆載等不良問題。

2? ?地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控量測(cè)

2.1? ?監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻處布設(shè)車站結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要影響區(qū)按5m間距布設(shè)，次要影響區(qū)按10m間距布設(shè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在區(qū)間車站結(jié)構(gòu)上，埋設(shè)專用監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。點(diǎn)位埋設(shè)要牢固，利于長(zhǎng)期保存，且不能影響列車運(yùn)行。附屬結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在附屬出入口通道結(jié)構(gòu)拐角處地板上布設(shè)[4]。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在整個(gè)車站結(jié)構(gòu)上，將測(cè)點(diǎn)布設(shè)在與車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻距離50cm的位置上[5]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2? ?主要觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)即要求

根據(jù)地鐵地下通道的位置特殊性，利用幾何水準(zhǔn)測(cè)量法，對(duì)車站結(jié)構(gòu)的垂直位移和差異變形進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄[6]。對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，需要以表4中記錄的主要觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)。

2.3? ?監(jiān)測(cè)原則

在使用封閉水準(zhǔn)線的情況下，只能進(jìn)行一條直線的觀測(cè)。而在使用附和水準(zhǔn)線的情況下，則需要做一次來(lái)回的監(jiān)測(cè)，然后再使用兩個(gè)觀測(cè)高差的中間值來(lái)調(diào)整[7]。

監(jiān)測(cè)要點(diǎn)如下：對(duì)所用的設(shè)備必須定期檢查，如果觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)異常，則要及時(shí)檢查和糾正。在監(jiān)測(cè)過程中，要確保監(jiān)測(cè)環(huán)境和圖像質(zhì)量。在監(jiān)測(cè)之前，必須對(duì)記錄文件中的每一個(gè)控制偏差參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地設(shè)置，監(jiān)測(cè)完畢后，必須在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其封閉或附加偏差情況進(jìn)行檢查，并在檢查合格后才能進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)，必須符合各種有關(guān)的技術(shù)條件。采用嚴(yán)格的平差法，調(diào)整后的數(shù)據(jù)精度要達(dá)到0.1mm。根據(jù)變形觀測(cè)站各階段的高度，計(jì)算出各個(gè)階段垂直位移量、各個(gè)階段的變形率以及累積的垂直位移量。

2.4? ?監(jiān)測(cè)站點(diǎn)穩(wěn)定性分析

以穩(wěn)定的參考站點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的穩(wěn)定性分析。將相鄰兩個(gè)時(shí)間段的觀測(cè)值的變化與最大觀測(cè)值（中間誤差的兩倍）進(jìn)行對(duì)比，如果觀測(cè)值的變化低于最大觀測(cè)值，則可視為該時(shí)間段的觀測(cè)值沒有變化，或者變化不明顯。對(duì)于多個(gè)時(shí)期的形變數(shù)據(jù)，如果相鄰時(shí)期的形變很小，但是在多個(gè)時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)出顯著的變化，就應(yīng)該被認(rèn)為是發(fā)生了變化。

假設(shè)基點(diǎn)為已知高程，結(jié)合測(cè)得的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的高差，經(jīng)過嚴(yán)密平差后得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程，再將其與前次測(cè)量得到的高程作差得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值，其公式為：

△h=Hn-Hn-1? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：△h代表測(cè)點(diǎn)沉降值；Hn代表某一測(cè)點(diǎn)n的高程；Hn-1表示遷移測(cè)點(diǎn)n-1的高程。

此外，還可以采用回歸分析等數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)?？梢允褂肁NSYS等有限差分軟件，來(lái)對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行模擬計(jì)算，并與地質(zhì)情況、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、施工進(jìn)度等因素相結(jié)合，來(lái)對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

3? ?頂管沉降變形預(yù)測(cè)

在對(duì)頂管沉降變形預(yù)測(cè)時(shí)，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)研究目標(biāo)確定輸入層、隱藏層和輸出層神經(jīng)元的數(shù)量。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層使它具備了非線性映射的能力，加入隱藏層有利于改善模型的精度，降低誤差，提高建模效率，但同時(shí)也會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度[8]。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得到了相同訓(xùn)練次數(shù)下，兩個(gè)隱蔽層分別為1和2，兩者之間的差異非常小。但如果隱藏層是1，則增加一個(gè)隱藏層并不會(huì)使網(wǎng)絡(luò)性能得到有效改善，對(duì)此可以增加一個(gè)隱藏層。對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層而言，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以依據(jù)下述公式得出：

式中：n1代表隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。n代表輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。m代表輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。c代表常數(shù)，取值在0～10范圍內(nèi)。除此之外，n1還應(yīng)當(dāng)滿足下式條件：

n13=log2 n? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

當(dāng)輸入值不同，且不同值之間存在很大差異時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂率就會(huì)降低，運(yùn)算時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)。為了提高效率，并進(jìn)一步消除誤差，可使用數(shù)據(jù)歸一化來(lái)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以使它們都在（0，1）之間，從而消除各個(gè)維度數(shù)據(jù)之間的巨大等級(jí)差距。在預(yù)測(cè)前，按照表5中記錄的內(nèi)容，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。按照表5中的內(nèi)容完成對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練后，可利用下述公式中的相關(guān)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)模型擬合程度的描述：

式中：r代表相關(guān)系數(shù)，xi代表實(shí)際測(cè)量值，yi代表預(yù)測(cè)結(jié)果，xa代表實(shí)際測(cè)量均值，ya代表預(yù)測(cè)均值。然后將相關(guān)系數(shù)最高結(jié)果對(duì)應(yīng)的模型輸出，作為最終的頂管沉降變形預(yù)測(cè)結(jié)果。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以博覽中心站-燕莊站隧道工程項(xiàng)目為例，開展地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控量測(cè)與頂管沉降變形預(yù)測(cè)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的監(jiān)測(cè)布置、沉降變形預(yù)測(cè)研究，為工程項(xiàng)目的規(guī)范化施工提供技術(shù)支持。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)此類項(xiàng)目施工的規(guī)范化處理，應(yīng)在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)待下穿1號(hào)線出入口的監(jiān)測(cè)。如沉降（或隆起）值過大，應(yīng)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)。盾構(gòu)下穿1號(hào)線出入口時(shí)，要提前與地鐵公司運(yùn)營(yíng)分公司聯(lián)系，將B出入口進(jìn)行臨時(shí)關(guān)閉。施工中要注意對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行控制，保證同步注漿及二次注漿，減小盾構(gòu)施工的擾動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程項(xiàng)目施工的具體需求，提高漿液質(zhì)量，確保漿液流動(dòng)性和初凝強(qiáng)度等符合規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉慶. 遠(yuǎn)期預(yù)留出入口施工對(duì)淺埋頂管隧道影響研究[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2022（2）：139-141.

[2] 張軒?kù)希┏扇A，孫曉賀，等.基于隨機(jī)場(chǎng)理論的頂管隧道施工地表變形特性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，54（6）：2174-2189.

[3] 程斌，陳治.超大斷面矩形頂管隧道全斷面渣土改良施工技術(shù)[J].建材世界，2023，44（3）：147-150.

[4] 佘芳濤，吳征奇，周偉蹤，等.考慮關(guān)鍵施工參數(shù)的矩形頂管隧道圍巖變形控制分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2022，44（S1）：247-253.

[5] 耿英宸，張昊然.土壓平衡頂管隧道鄰近房屋施工技術(shù)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2022，20（6）：61-64+51.

[6] 蔣凱，黃林沖，梁禹.長(zhǎng)距離曲線頂管隧道施工過程中力學(xué)行為特征[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，18（11）：2963-2970.

[7] 楊朝帥，鄒翀，潘岳.大斷面矩形小凈距頂管隧道群施工地層變形規(guī)律研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2021，19（5）：111-117.

[8] 卞榮，龍?jiān)拢R雷，等.樁基施工對(duì)鄰近頂管隧道的擾動(dòng)影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（18）：7551-7557.