汪 俊

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101100)

1 引言

隨著我國城市軌道交通快速發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法得到廣泛應(yīng)用[1-2]，其具有施工質(zhì)量高、環(huán)境影響小、施工成本低等優(yōu)點，但是在復(fù)雜地層條件下使用盾構(gòu)法開挖隧道仍會遇到較多技術(shù)難題[3-5]。富水圓礫地層中盾構(gòu)法施工掘進參數(shù)設(shè)置不合理，極易造成地層變形超限引起地面塌陷和涌水涌砂等工程事故，對城市居民人身安全和工程本身造成不良影響。因此，確定強滲透富水圓礫地層盾構(gòu)掘進參數(shù)的合理范圍并對推進速度進行預(yù)測，對于保障施工安全、提高施工效率、控制施工成本具有重要意義。

王洪新等[6]利用模型試驗數(shù)據(jù)對土壓平衡盾構(gòu)主要掘進參數(shù)之間的相關(guān)性做出了總結(jié)；于云龍等[7]依托石家莊地鐵1號線白留區(qū)間隧道工程，通過對盾構(gòu)原始掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，建立標(biāo)準(zhǔn)推力-標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩特征空間，并對傳統(tǒng)盾構(gòu)掘進速率模型進行修正；江華等[8]依托北京地鐵9號線盾構(gòu)工程，在大粒徑卵礫石地層開展土壓平衡盾構(gòu)現(xiàn)場掘進試驗，通過分析試驗數(shù)據(jù)，得出土壓平衡盾構(gòu)主要掘進參數(shù)之間的相關(guān)性特征；魏新江等[9]依托杭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道工程，研究了盾構(gòu)機參數(shù)關(guān)系及其對地層位移的影響；李超等[10]依托深圳地鐵11號線車公廟站-紅樹灣站和南山站-前海灣站兩個區(qū)間隧道工程，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了復(fù)合地層條件下盾構(gòu)掘進參數(shù)的預(yù)測模型。但針對強滲透富水圓礫地層土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)的合理范圍及推進速度的預(yù)測研究較少。

本文以呼市軌道交通2號線的帥內(nèi)區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為依托，針對強滲透富水圓礫地層段土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)進行研究，選取推進速度、總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、土倉壓力、貫入度等掘進參數(shù)為研究對象，在對其進行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，研究富水圓礫地層合理掘進參數(shù)范圍，并利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立掘進速度預(yù)測模型，為類似工程中參數(shù)的選取與調(diào)整提供參考。

2 工程概況

本文研究對象為呼市軌道交通2號線帥家營站-內(nèi)大南校區(qū)站-南八里莊站(不含)，共兩站兩區(qū)間，其中帥家營站 -內(nèi)大南校區(qū)站區(qū)間(CK04＋899.423～CK06＋389.431)長度約1 490 m，區(qū)間隧道為單洞雙線圓形斷面，采用盾構(gòu)法施工，左、右線間距12～14 m(見圖1)。

圖1 區(qū)間平面

(1)工程地質(zhì)

區(qū)間位于大黑河沖湖積平原區(qū)，地面高程介于1 040.1～1 048.9 m之間，相對高差約9 m。帥內(nèi)區(qū)間沿線地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土，全新統(tǒng)-上更新統(tǒng)沖湖積粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫，中更新統(tǒng)湖積粉質(zhì)黏土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂。具體地質(zhì)縱斷面見圖2。帥內(nèi)區(qū)間隧道覆土厚度8.9～16.2 m，所穿地層以中密、密實圓礫為主。圓礫地層結(jié)構(gòu)松散，屬于力學(xué)不穩(wěn)定層。該地層主要以顆粒粒徑在2～20 mm的圓礫石為主，占總體含量的50%，粒徑大于20 mm的卵石占20%左右，最大粒徑約為50 mm。結(jié)構(gòu)級配分布不均，顆粒間填充以雜砂、土質(zhì)為主，且顆粒之間的空隙大、黏聚力較小。

(2)工程水文

區(qū)間地下水埋深介于7.2～15.1 m之間，地下水水位高程介于1 032.30～1 035.01 m之間。場區(qū)地下水主要為賦存于第四系松散層中的孔隙潛水，主要含水層為第四系全新統(tǒng)-上更新統(tǒng)沖湖積砂類土、圓礫地層，為強透水層，總體以富水及中等富水為主。

圖2 隧道地質(zhì)縱斷面

(3)盾構(gòu)機概況

帥內(nèi)區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機施工，刀盤直徑6.44 m，開口率約37%。具體刀盤、刀具配置見表1及圖3。

表1 盾構(gòu)機刀具配置

圖3 盾構(gòu)機刀盤配置

3 掘進參數(shù)規(guī)律及施工效果分析

3.1 掘進參數(shù)規(guī)律分析

選取帥內(nèi)區(qū)間左線隧道125環(huán)～324環(huán)進行研究，采用統(tǒng)計學(xué)方法，分析總推力、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速、注漿壓力、推進速度、刀盤扭矩、土倉壓力及貫入度等掘進參數(shù)的變化規(guī)律，進而確定合理的參數(shù)選取范圍。各掘進參數(shù)變化曲線見圖4，掘進參數(shù)95%置信區(qū)間上下限統(tǒng)計見表2。

由圖4可以看出，土壓平衡盾構(gòu)在強滲透富水圓礫地層中掘進螺旋機轉(zhuǎn)速需要不斷調(diào)整，變化波動范圍較大，主要是因為強滲透富水圓礫地層具有強透水性且區(qū)間隧道位于水位以下，掘進過程中易產(chǎn)生噴涌，這時需要通過控制螺旋機的出渣速度來控制噴涌。其次波動范圍相對較大的為總推力、推進速度、貫入度、刀盤扭矩以及泡沫注入量，這主要是因為盾構(gòu)隧道掘進過程是一個系統(tǒng)工程[11]，為了保證安全高效進行掘進，需要對一些掘進參數(shù)進行微調(diào)，盾構(gòu)機內(nèi)部各參數(shù)又相互影響，最終造成一定的波動。土倉壓力和刀盤轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，說明掘進過程中渣土改良措施較為合理，能夠保證土倉內(nèi)的壓力，而刀盤轉(zhuǎn)速一般設(shè)定為一定值。

表2 掘進參數(shù)合理選取區(qū)間

圖4 掘進參數(shù)變化曲線

通過對200組掘進參數(shù)記錄進行統(tǒng)計分析，結(jié)合表2，以其95%的置信區(qū)間上下限作為該種地層掘進參數(shù)合理取值范圍，得出以下結(jié)論:強滲透富水圓礫地層盾構(gòu)總推力宜設(shè)定在9 759.87～9 916.98 kN之間，刀盤轉(zhuǎn)速宜設(shè)定在 1.30～1.33 rpm，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速宜設(shè)定 9.94～10.62 rpm，注漿壓力宜設(shè)定在1.45～1.49 bar之間(以上為主動調(diào)控參數(shù)設(shè)定范圍)；刀盤扭矩宜穩(wěn)定在3 093.00～3 203.75 kN·m之間，推進速度穩(wěn)定在71.02～73.20 mm/min之間，土倉壓力分別穩(wěn)定在1.07～1.09 bar(上部)、1.33～1.35 bar(中部)、1.69～1.70 bar(下部)，貫入度宜穩(wěn)定在58.22～59.44 mm/r。

3.2 掘進效果分析

選取帥內(nèi)區(qū)間左線隧道125環(huán)～324環(huán)之間地表沉降監(jiān)測點作為研究對象，地表沉降穩(wěn)定值如圖5所示。其中，“Z130”中“Z”代表左線，“130”代表130環(huán)正上方地表沉降監(jiān)測點位置。

由圖5可知，125環(huán)～324環(huán)之間地表沉降基本處于11～16 mm之間，城市軌道交通的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)一般為30 mm[12-13]，說明盾構(gòu)穿越該研究區(qū)段所采用的掘進參數(shù)較為合理，掘進效果良好。

圖5 研究區(qū)段地表沉降曲線

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推進速度預(yù)測

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測原理

BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照誤差回傳算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要包含輸入層、一層或多層隱含層、輸出層和連接各層的神經(jīng)線，每一層可有若干節(jié)點，具體組成見圖6。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能信息處理系統(tǒng)，無需事先確定輸入、輸出之間映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程，通過已知樣本對自身算法進行訓(xùn)練，即可在給定輸入值時得到滿足要求的預(yù)測結(jié)果。訓(xùn)練一般分為兩步:(1)正向傳播確定誤差大?。?2)誤差反向傳播調(diào)整神經(jīng)元閾值和各神經(jīng)元間聯(lián)接強度即權(quán)值，使誤差逐漸下降，當(dāng)誤差能夠滿足精度要求即可停止訓(xùn)練，得到預(yù)測模型。

4.2 掘進參數(shù)相關(guān)性分析及預(yù)測模型構(gòu)建

為討論推進速度與各掘進參數(shù)的相關(guān)性，更加準(zhǔn)確地確定推進參數(shù)與各掘進參數(shù)間關(guān)聯(lián)性模型，本文采用Pearson相關(guān)性分析方法對200環(huán)掘進參數(shù)數(shù)據(jù)進行研究。其中，注漿量及注漿壓力主要涉及到同步注漿，與推進速度關(guān)系不大，故不做分析。推進速度與各掘進參數(shù)相關(guān)性見表3。

表3 推進速度與各掘進參數(shù)相關(guān)性

通過以上掘進參數(shù)相關(guān)性分析，并結(jié)合工程實際情況，本文推進速度預(yù)測模型的因變量選取總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和泡沫注入量。

采用MATLAB建立推進速度BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，選取帥內(nèi)區(qū)間左線隧道125環(huán)～324環(huán)掘進參數(shù)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，340環(huán)～370環(huán)數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和掘進參數(shù)分析的特點，本文采用單隱層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輸入節(jié)點為總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和泡沫注入量；輸出節(jié)點為推進速度。依據(jù)經(jīng)驗公式(1)，隱層節(jié)點數(shù)設(shè)為13個。

本模型傳遞函數(shù)，輸入層到隱含層為logsig函數(shù)，隱含層到輸出層為purelin函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)為trainlm。學(xué)習(xí)速率為0.05，目標(biāo)精度為0.01。

4.3 推進速度預(yù)測模型及效果分析

預(yù)測值與實測值對比曲線見圖7，相對誤差見圖8。

圖7 推進速度擬合曲線

圖8 推進速度相對誤差

由圖7可以看出，預(yù)測值與實測值變化趨勢基本一致，但存在一定的誤差。結(jié)合圖8，可以看出相對誤差絕對值基本控制在7%以下，均值約為5%。由于施工的不確定性和實測數(shù)據(jù)本身具有誤差，不可避免地存在少量值誤差較大，最大值約為14%，但這些點并沒有影響曲線總體趨勢，推進速度預(yù)測值和實測值曲線變化趨勢基本一致，具有很好的擬合度，可以為施工中提高掘進效率而調(diào)整相關(guān)掘進參數(shù)提供一定借鑒。

5 結(jié)論

(1)本文依托呼市軌道交通2號線帥內(nèi)區(qū)間隧道工程，在收集、整理大量掘進參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，確定了富水圓礫地層中各掘進參數(shù)的合理選取范圍。

(2)通過對以上數(shù)據(jù)進行歸一化處理和Pearson相關(guān)性分析，得到了富水圓礫地層中各掘進參數(shù)間的相關(guān)性。

(3)根據(jù)相關(guān)性，采用MATLAB建立了富水圓礫地層中基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推進速度預(yù)測模型。經(jīng)檢驗，該模型預(yù)測精度滿足施工要求，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。