基于循环神经网络的超大直径盾构掘进地表沉降预测方法研究

为了研究超大直径盾构掘进过程地面沉降规律,以武汉市和平大道南延线盾构工程为研究对象,首先收集了超大直径盾构下穿过程掘进参数和地层地质参数,并使用盾构掘进过程深跨比描述超大直径盾构影响特征;其次,通过收集现场沉降测点数据分析盾构隧道施工阶段地表沉降的影响范围,计算了90%、95%、99%三种置信区间下地表沉降影响范围;最后,选取不同范围内的多元时序数据作为输入参数,分别建立了基于贝叶斯优化算法（BO）的长短期记忆（LSTM）、BP神经网络和随机森林（RF）大直径盾构地面沉降预测模型.模型运行过程中,通过贝叶斯优化算法分别寻找三种不同模型下的最优超参数,并通过四种评价指标对比模型精度.结果如下：(1)在90%置信水平下三种算法均表现出最高精度,通过区间计算筛选有效输入参数能有效提高模型预测精度;(2)LSTM对隧道沉降的预测结果优于传统机器学习算法模型,MAPE最低达到8.91%,R2达到90%.     

基于ABC-BP神经网络的地铁盾构地表沉降预测

为研究地层参数和盾构掘进参数与地表沉降的非线性关联性,依托南京地铁6号线盾构区间,采用人工蜂群算法ABC优化BP神经网络,建立可预测地表沉降的ABC-BP神经网络模型。连续3个断面地表沉降预测结果表明:ABC-BP神经网络的预测精度和预测稳定性优于BP神经网络,且预测值与实测值一致；ABC-BP神经网络可较为准确地反映盾构机接近监测断面过程中的地表变形演变规律,最终实现地表变形控制的目的。提出了ABC-BP神经网络现场应用思路,构建了地层-掘进参数-沉降的关系,进而通过地层参数直接实现对盾构掘进参数和地表变形控制。     

基于机器学习算法的盾构掘进地表沉降预测方法

针对有限元、地层损失率等方法难以考虑多参数耦合作用情况下的地表沉降预测的问题,基于BP神经网络(BPNN)和随机森林算法(RF)两种机器学习算法的多参数、非线性拟合能力,提出了预测盾构掘进过程中地表最大沉降以及纵向沉降曲线的预测方法.通过粒子群算法(PSO)确定机器学习算法的最优超参数,通过k折交叉验证方法提高预测方法的鲁棒性.结果表明BP神经网络的预测结果误差较大,难以预测到较大的地表沉降,随机森林算法能够准确预测地表最大沉降和纵向沉降曲线.     

盾构长距离下穿铁路股道引起的地表沉降分析

以天津津滨轻轨天津站至七经路站的盾构施工区间工程为对象,对多条铁路轨道下,盾构长距离推进过程中引起的地表变形进行了三维有限元数值模拟,根据模拟结果分析了盾构施工导致沿盾构方向和垂直于盾构方向的地表沉降量,总结了盾构施工各阶段发生的地表沉降变化规律;研究了盾构掘进对地表的扰动范围;模拟和分析了不同工况下盾构施工引起的地表沉降差异.结果表明,数值计算的地表最大沉降量在18~20 mm,与其监测值较吻合,注浆量对地表沉降的影响比注浆压力和土舱压力显著.
     

双线隧道盾构施工对临近 高层建筑物的影响分析

以北京市轨道交通6号线某区间盾构隧道工程实例为背景,针对双线盾构掘进先后通过临近高层建筑物的特殊情况,首先通过FLAC3D软件对该工程进行数值模拟,分析了先后盾构掘进两条平行隧道时地表最大沉降值的位置,以及盾构掘进与临近建筑物相互作用对地表沉降的影响;其次,对盾构掘进先后穿过高层建筑物的实测数据进行了分析,获得了双线盾构顺序穿越临近高层建筑物过程中地表沉降的变化规律;最后,分析了盾构施工对临近高层建筑物的影响.结果表明：在盾构面前方20 m作用的范围内,地表略微隆起,而盾构通过40 m后地表沉降基本稳定;后行隧道引起的地表沉降大于先行隧道引起的地表沉降;临近高层建筑物在隧道沉降槽影响范围内时,盾构施工对建筑物影响较大,而与双线隧道的先后施工顺序关系不大,数值计算和实测结果相符,对类似工程有一定的借鉴和指导意义.     

曲线盾构隧道施工地表沉降分析

目的研究盾构法隧道曲线段施工过程中产生的不均匀地表沉降,提高对隧道曲线段地表沉降的预测及计算能力.方法以马来西亚吉隆坡某地铁隧道区间盾构施工为案例背景,通过现场试验、拟合计算及二维数值计算等方法,研究曲线隧道地表沉降计算,分析地表沉降、千斤顶推力等因素之间的关系.结果在经典的隧道施工地表沉降经验计算公式的基础上提出了修正公式,该修正公式更适合于预测计算曲线盾构隧道施工的地表沉降,最大误差值在4%以内.同时给出了地表不均匀沉降量与盾构不均衡推力之间的关系式.结论笔者提出的曲线盾构隧道地表沉降计算公式优于经典的地表沉降经验计算公式,可更准确的描述曲线盾构隧道施工过程中地表沉降槽的形态.     

盾构掘进参数的统计试验与优化控制

盾构掘进参数的变化与控制对盾构自身及周围环境的影响是十分关键的.结合天津地铁建国道站至天津站区间盾构施工参数记录,针对盾构掘进过程中的掘进速度和力学掘进参数进行了分析与模糊统计试验,并提出了针对力学掘进参数的优化控制措施.研究结果表明:盾构机掘进速度过高或过低均为盾构机掘进的不利工作状态,存在一个盾构机掘进的最优工作状态;基于模糊集合理论,定义了盾构力学掘进参数在各自最优取值范围内的工作状态,为其"正常掘进状态",相应的掘进速度、力学掘进参数的最优取值范围可以应用于制定对地表沉降的优化控制措施,为满足地表毫米级沉降要求提供了有效保障.     

盾构近距离下穿桥梁数值分析与监测

目的分析盾构掘进施工对桥桩的影响,评估盾构掘进对桩体位移、桩身轴力、弯矩等的影响程度.方法以石家庄轨道交通1号线下穿周汉河桥段为例,采用三维数值模拟的方法建立双线盾构穿越桥梁桩基础模型,对盾构掘进施工过程中所引起的桩基础的位移和内力进行分析,以数值分析为基础制定合理的监测方案,对盾构掘进穿越桥梁基础进行现场监测.结果盾构施工造成的桥桩应力变大,1号桩最大应力为0.86 MPa,2号桩最大应力为1.96 MPa远小于设计值22.4 MPa;左线盾构掘进完成后,地表的最大沉降为5 mm,右线盾构掘进完成后,地表最大沉降为10.2 mm;桥桩的最大水平位移为2.6 mm,其中2号桥桩的沉降最大,为9.35 mm;下穿周汉河桥桩段路面最大下陷值为6.9 mm,3处桥梁桩顶沉降分别为5.78 mm、5.51mm和5.43 mm,小于施工限值12 mm.结论数值模拟计算结果与现场实测数据的结果符合较好,说明模拟计算时所建立的数值模型与相关物理力学计算参数的确定是合理可靠的.     

铁路轨道下盾构施工所致地面沉降的数值模拟

以天津津滨轻轨天津站站——七经路站盾构施工区间工程为对象,采用三维有限元方法,对在多条铁路轨道下长距离盾构掘进过程引起的地表变形进行数值模拟.根据模拟结果,详细分析盾构穿越导致的沿盾构方向和垂直于盾构方向的地表沉降,得出盾构施工各阶段的地表沉降规律,研究盾构掘进对地表的扰动范围,分析先施工隧道和后施工隧道对地表沉降的贡献差异,并探讨对铁路荷载的影响.计算结果与监测结果吻合较好.     

盾构掘进法开挖隧道对地表沉降影响的预估

盾构掘进法开挖隧道引起的地表沉降对地面建筑物影响在地下工程施工中越来越受到人们的关注,而这个问题的关键是要对地表沉降进行预估.总结了国内外对盾构掘进法开挖隧道引起地表沉降进行预估的常用计算方法,如Peck横向沉降槽经验公式及修正公式、数值分析法、模型试验法和智能决策理论方法.最后就目前国内外盾构掘进法施工隧道对地表沉降影响研究中存在的问题进行了探讨,并提出了一些实质性的建议.     

黄土地层盾构隧道开挖对地表沉降影响的有限元分析

基于黄土地层，采用邓肯-张非线性弹性本构模型，考虑盾构隧道开挖过程对周边建筑物的影响，建立了盾构隧道衬砌与土体相互作用的有限元计算模型．对黄土地层中盾构隧道外径和埋深及其与邻近建筑物的距离对地表及相邻建筑物沉降的影响规律进行了数值分析，结果表明：在相同盾构外径下，地面沉降随隧道埋深的增加几乎呈线性减小趋势；在相同隧道埋深下，地面沉降随盾构外径的增加几乎呈线性增大趋势；无论盾构外径如何，隧道顸部及相邻建筑物处的地表沉降值均随隧道和建筑物水平距离与盾构外径比的增大而减小，也随隧道埋深的增大而减小．文中给出了受沉降影响较大的范围，可为地下工程施工时对周边建筑物及地基采取加固措施提供理论依据，并为西部地区的地下工程建设提供参考．     

软土地层双线隧道地表沉降计算公式修正

由于双线隧道存在复杂的耦合作用,盾构施工引起的地表沉降规律极为复杂,所以准确计算地表沉降较为困难。本文基于Peck公式和Chapman修正参数,考虑先行隧道的施工影响和双线隧道的相对位置关系,通过参数的经验量化,建立了双线隧道地表沉降的计算公式。此外,依托苏州市轨道交通S1号线工程,讨论公式在不同土层中的适用性及参数取值范围,在此基础上采用PLAXIS 3D有限元软件对双线隧道盾构施工进行了数值模拟。结果表明：在软土地层中进行盾构施工,应用本文修正公式计算得到的地表沉降值与数值模拟和现场实测结果均较为吻合。修正公式考虑了双线隧道的位置信息,可以定量反映隧道埋深和双线隧道间距对地表沉降的影响。该研究可为软土地区双线隧道盾构施工沉降计算提供参考。     

天津市软土地层地铁盾构区间下穿施工对京沪高铁南仓特大桥影响的数值分析

为研究天津地区软土地层隧道盾构区间下穿施工对京沪高铁南仓特大桥的影响,以下穿京沪高铁的天津地铁7号线外院附中站-榆关道站区间隧道工程为背景,对下穿京沪高铁南仓特大桥段区间盾构隧道进行设计,通过运用Midas/GTS有限元软件数值分析方法对盾构区间下穿京沪高铁南仓特大桥进行有限元数值分析。研究盾构区间下穿京沪高铁南仓特大桥施工过程中桥面、桥墩、承台及桥桩位移变化规律特征。总结盾构区间侧穿桥桩施工过程中桥桩附加应力变化规律;揭示了盾构区间下穿京沪高铁特大桥施工过程中承台差异沉降及地层应力变化规律。结果表明,盾构隧道施工过程中京沪高铁天津南仓特大桥桥桩附加弯矩较小,桥面、承台、桥墩及桥桩沉降最大值均在控制标准值范围以内,桥桩水平位移最大值在控制标准值范围以内,不会对大桥产生破坏影响。可见在软土地区盾构施工对高铁特大桥有一定程度影响,但通过施加工程措施后,可有效降低对桥的影响程度,保证高铁桥的安全。研究成果可为类型工程施工设计提供参考。     

富水卵石层桩底小净距盾构下穿京台高速公路桥梁变形控制措施

以济南市轨道交通R1线王府庄站~大杨庄站区间盾构隧道下穿京台高速公路桥梁为工程依托,采用MIDAS-GTS有限元软件建立三维计算模型对比分析有无注浆两种工况下桥墩变形特征,计算结果表明：无注浆加固条件下,桥墩竖向沉降最大值达10.24mm,接近变形控制值10.0mm;采用袖阀管注浆加固条件下,桥墩竖向沉降最大值为6.35mm,加固效果对保护桥梁变形效果明显。施工过程中通过控制盾构掘进参数、同步注浆、补强注浆、渣土改良技术等施工精细化技术措施来减小盾构施工对桥梁扰动;针对桥梁沉降达到预警值、控制值分阶段采取洞内径向注浆、应急支顶措施,确保桥梁结构安全。监测结果显示,盾构整个穿越过程中,桥墩最大沉降值为3.11mm,表明袖阀管注浆加固对控制桥梁变形起到很好地效果。     

小曲率半径隧道盾构施工的地表沉降规律分析——以南昌地铁1号线为例

为探究小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的变化规律，利用Mindlin解建立小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的解析计算模型，以南昌地铁1号线盾构隧道工程为依托，通过与现场监测和已有Mindlin解析计算模型的对比分析，验证本文所建立沉降预测模型的合理性，并依次从盾构附加推力、盾壳不均匀摩擦力和地层损失对地面变形的影响进行分析。研究结果表明：本文所建立的小曲率半径隧道盾构施工引起的地表沉降解析计算模型可有效应用于实际隧道工程的沉降预测，提高了预测精度；盾构开挖过程中，横断面地表沉降槽呈“V”型，近似正态分布，施工产生的地层损失对地面沉降的影响更大；随着盾构路径两侧推力及摩擦力分布不均程度的增加,地面沉降槽中心偏移情况而增大，地面沉降与地层损失呈非线性相关。研究成果可为类似拟建和在建盾构隧道工程提供理论指导与参考。     

盾构近距穿越桥梁施工对地表及桥梁桩基的影响

结合某地铁区间隧道盾构施工近距穿越桥梁桩基的复杂条件,选取桥台与桥墩基础影响最大断面,对盾构施工引起地表沉降及桥梁桩基的变形、应力及内力进行三维数值模拟计算。结果表明:①双线隧道盾构推进引起地表最大沉降位于双线隧道中间某处,大于单线隧道引起的地表最大沉降,地表沉降随着两条隧道间距的减小而增加;②右线隧道盾构施工引起B0C0桥台桩基近隧道边桩产生的最大变形与内力均发生在距桩顶13 m处,最大横向挠曲变形、纵向挠曲变形分别为2. 0、4. 8 cm,边桩内力致使桥台桩基超出承载能力,承台发生倾向隧道一侧的倾斜和水平面内扭转,严重影响桩基的安全;③双线隧道盾构施工引起B7C7桥墩桩基近隧道边桩桩顶处产生最大位移,最大横向水平位移、纵向水平位移分别为2. 6、5. 2 cm,右侧桥墩桩基承台产生的最大横向水平位移、竖向位移、纵向水平位移分别为3. 2、3. 4、4. 6 cm,承台发生倾向隧道一侧的倾斜和水平面内扭转,倾斜值为0. 001 8,接近规范规定的允许值,盾构施工时须引起注意。基于上述分析结果,提出盾构近距推进时的施工监测及施工参数调整的建议。     

双线盾构隧道斜交下穿对高速公路的影响

为研究盾构隧道斜交下穿施工对既有高速公路工程的影响,以某城市轨道交通盾构下穿工程为背景,采用FLAC3D进行盾构施工三维数值模拟,分析了双线盾构施工对公路路面、路堑边坡的影响规律,评价了施工方案的安全性。结果表明：盾构斜交下穿时,路面沉降呈现三维非对称特征,在公路横断面方向,沉降曲线呈现左低右高的线性规律,在公路纵断面方向,沉降曲线呈现左高右低的不对称“V”形,且横断面方向沉降总是大于纵向沉降;边坡竖向位移大于水平位移,以沉降变形为主,开挖面距边坡坡脚水平距离约为2倍洞径时,边坡位移显著增加,该区段为施工强影响区;双线盾构贯通后,路面最大沉降值为3.15mm,纵向沉降变化率为0.0094% ,边坡最大水平位移为1.2mm,三者均小于变形控制标准,公路路基、边坡无塑性区出现,处于弹性状态,盾构下穿施工对既有高速公路影响较小。研究结果可为类似盾构下穿工程提供参考。     

盾构法近距离下穿施工对既有盾构隧道的影响

新建隧道近距离下穿既有盾构隧道,势必会引起既有隧道不均匀变形.以北京地铁12号线西三区间盾构穿越机场专线为工程背景,提出了适合既有运营隧道纵向刚度折减的修正等效连续模型.模型以轨顶面为中性轴位置,可以较好考虑运营隧道对道床、钢轨等结构的影响.数值分析及与已有经验模型对比结果表明,修正等效连续模型预测值与监测值最吻合,验证了模型在本工程中的适应性.从隧道净距及地层性质两方面进行了参数分析,研究结论可为类似盾构下穿既有线路工程提供参考.