（道路与铁道工程专业论文）盾构法施工掘进参数优化分析研究.pdf

j 塞奎鋈鑫璧撩蠢童篷浚塞爱塞燕蔫 中文摘要 溪褥法滚王技寒捷遮镶王程建浚孛遂疹褥鬟广泛痘鼷，整慝蠹莽怼篷擒舞避 参教阔关系规律豹研究翱对滞黪，骞必要藏典型她艨条件和线鼹条传下撼进参数 内在规律进符研究，对念理掘进参数的选取做出预测，并辩施工进程中极荔出瑰 鹩各类典藿毅障敲崮诊断，获丽傈涯燕王过程秘安垒，降羝王撵造徐，减少魏铰 藏差驰不利影雅。 失了竣谈答主要参数豹内凌双簿，鹫葵攀摄参数在特定终零袈舞等黪势毒毽 凝，绢确参数瀚舔数荚系及参数影响因素，本文采鲻数理统计方法黯上遽参数关 系蝮律热以研究，弗褥出如下绪论：对予特是的线路、她层条撵藤言，蒜掘进参 数蓬近觳匿淼努毒；鸟室袁模鍪试验续论耀浇，各突溅参数瓣邃晷关系鞍骣，缀 难戳显式函数加以描述；沿线地葳条件对擎选取的垒部握避参数均会产擞晨箸影 嚼，嚣线路条佟足会对部分撼逃参数产生纛著影昀。对于掘避参数豹影响程度遮 璇条件要文于线路条辞。 基于上述转板结论，需要采腰其蚀分耩方法来对参数闯关系规律棚以研究。 遴篷怒够实魏模辍籍怠处理懿入羞耱经翳缳方法，本文将摇遴参数努为蘸裘；一 煮为体现拜都因素条件韵输入交爨；另一类为体现蒋构系统响废输出燮黧褥对 于掘进参数内在媲律盼醭突翘题靼对转化为避过输入变量参数米预浏输嫩变量参 数瓣睡遂。耩究结暴袭鞲，裤经网络对掇避参鼗逶符预测盼努法是霹露煞，特弱 对于复杂地矮条件下豹鹰构试骏燃摊进_ i 雯稷，本文爨供7 一种较为理想豹掘进参 数赣溅方法。 茸前，搿于蒋拇法施工韵飙酸评倍曼撇注重墟膳与支护结构状态变化的研究， 黼对手盾梅籁统本身，特嬲是对于体现掘进状态变化豹参数数耀的研究还檩慰较 多。本文逶避辩藩梅藏工遵箨申爽燮蔽鼙瓣爨类势耩，褥各类皴簿逶过凌掘进参 数构成的状态向囊加戳播述，使精构掘进过稷中的敞簿诊断阔鼹转化为鬟杂系统 工作状态的模姨努类翘趱，劳凭借神经踺络骥式识别技本，完成j l | 麓工巾典型浚 薄的诊颧谶建对数掰诊颓结暴盼检验可知，神经弼络对予藏正过程串酌某些典 型故障具有较好盼谖刹能力，嚣耐对掘遴避稷具有蹙的指导懑义。 美键诱；器辛奄；握遘参数；统计分裾；神经弼络；籁灏；藏薅诊羝 分类号：u 2 5 ；6 2 5 i 5 a b s t r a c t t h es h i e l dt u n n e l i n gm e t h o di sm o l ea n dn i o r ea p p l i e di n t om c 1 op r o j e c t s b u tt h e s t u d yo nt h er e g u l a r i t yo ft u n n e l i n gp a r a m e t e r sh a sl a g g e d i ti sn c c s s a t yt os t u d yt h e r e g u l a r i t yo fp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt os o m eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n da l i g n m e n t c o n d i t i o n , t of o r e c a s tt h ep r o p e rp a r a m e t e r s , a n dt od i a g n o s et y p i c a lf a i h t r e st h a ta l e i n c l i n e dt oo c c u l ti nt h ep r o e m , s oa st oa 黼t h el n - o e e s so fs e c u r i t ya n dl o w e rt h e c o s ta n dt l i ea d v e r s ee f f e c to f m e t r op r o j e c t s i no r d e rt oo b t a i nt h er e g u l a r i t yo fp a r a m e t e r s , t h a ti s ，t oa c q u i r et h ed i s t r i b u t i o no f p a a a m e t e r so ns o l n cc o n d i t i o n s ，t of i n do u tf i m e t i o n a lr e l a t i o n s h i pa n di n f l u e n c i n g f a c t o r sf o r p a r a m e t e r s , m a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c si sa l le f f e c t i v ew a y t h es t a t i s t i c c o n c l u s i o n sg oa 8f o l l o w s ：a l lt h ep a r a m e t e r sa p p e a ra p p r o x i m a t e l yn o r m a ld i s t r i b u t i o n o nt h ec o n d i t i o n sa p p o i n t e d ；c o m p a r i n gw i t l lc o n c l u s i o n sd e r i v e df r o mm o d e lt e s t s a l l t h ep a r a m e t e r sm e a s u r e dh a v eat o ow e a kq u a n t i t a t i v er e l a t i o nt od e s c r i b eb ，e x p l i c i t f o r m u l a t i o n ；t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sw i l lh a v eg r e a t e re f f e c t so na l lt h ep a r a m e t e r s t h a nt h ea l i g n m e n tc o n d i t i o n sw i l ld o a c c o r d i n g t ot h es t a t i s t i cc o n c l u s i o n sa b o v e , t h es t u d yo nt h er e g u l a r i t yo f t u n n e l i n g p a r a m e t e r sn e e d so t h e rm e a n s t h em c a l r l so fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) i s c o m p e t e n tf o rd i s p o s a lo fp r o b l e m sw i t h 晒i n f o r m a t i o n t h et u n n e l i n gp a r a m e t e r s c a nb cg r o u p e di nt w o ：ei si n p u tv a r i a b l e 鹪o u t e rc o n d i t i o n s 锄dt h eo t h e ri so u t p u t v a r i a b l ea ss y s t e mr e s p o n s e t h e n , t h ep r o b l e mo nt h ep a r a m e t e rr e g u l a r i t y 啪b e c o n v e r t e di n t ot h ep r o b l e m0 1 1f o r e c a s t i n gt h eo u t p u tv a r i a b l eb yt h ei n l , u tv a r i a b l e t h e s t u d yc o n c l u s i o ni st h a t , t h ep a r a m e t e r - f o r e e a s d n gm e t h o df o rs h i e l dt u n n e l i n gi s f e a s i b l e , , e s p e c i a l l yf o r t h et e s t i n ga d v a n c eu n d e rc o m p l i c a t e dg e o l o g i c a le o n d i t i o m a tp r e s e n t , c o m p a r i n gw i t l at h es t u d yo nt h es t a t eo fs t r a t u ma n ds t r t t e t u r ef o rr i s k e s t i m a t i o nf o rs h i e l dt u n n e l i n g , l e s sa t t e n t i o nh a sb e e np a i do nt h es h i e l ds y s t e m , p a r t i c u l a r l y0 1 1t h et u n n e l i n gp a r a m e t e r sw h i c hr e f l e c tw o r k i n gs t a t e s o m ek i n d so f t y p i c a lf a i l u r e s 啪b ed e s c r i b e db ys t a t ev e c t o r sc o m p o s e do ft u n n e l i n gp a r a m e t e r s a f t e rt y p i c a lf a i l u r e sa l ec l a s s i f i e d 5 0 ，t h ep r o b l e mo fd i a g n o s i n go ff a i l u r 伪i nt h e t r a m e l i n gp l o c e s $ c a l lb ec o n v e r t e di n t ot h a to fp a t t e r nd i s e r i m i n a l i o no fc o m p l e x s y s t e l m b ym c a n so fa n np a t t e r nd i s c r i m i n a t i o nt e c h n i q u e s , t h et y p i c a lf a i l u r e si n 啪咖c t i o n sc 眦b ed i a g n o s e d b yt e s t i n gt h ed i a g n o s i sr e s u l t s , a n nc a l ld i a g n o s e s o m l ) t y p i c a lf a i l u r e sw e l l a n d 啪o f f e rag o o dg u i d a n c ef o r t h es h i e l dt u n n e l i n 辱 k e y w o r d s ：s h i e l dt u n n e l i n g ；t u n n e l i n gp a r a m e t e r ；s t a t i s t i c a la n a l y s i s ；a r t i f i c i a l n e u r a ln 畦轷幽：f o r e c a s t i n g ；d i a g n o s i n go f f a i l u r e c l a s s n o ；u 2 5 ：6 2 5 i l 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保窝、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或郯分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印绒扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和倍阅。同意学校向国 家有关郝门或机构送交论文的复日1 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导拜签名： 签字日鬻；年弱嚣签字e t 期： 年月翻 独创性声明 本入声明所星交的学位论文是本人在等癖指导下进符黪磷究王佟和取褥鲍研 究成果，除了文中特别船以标注和致谢之处强，论文中不包食其饱人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育梳构箭学位或证书 而使用过酌材料。与我一同工作的同志黠本研究所徽瓣任倪燹献均跫在论文中终 7 鹦确的说骥并表示7 谢意。 学位论文终者签名：签字日期：年月 臼 致谢 本论文的工作是在我的导师粱青槐教授的悉心指导下完成的，梁老师严谨的 渗学态发窝科学戆王终方法绘了我援大豹帮助秘影响。程憩衷心感谢三攀亲粱老 师对我的关心和指导 嚣黩，李兴毫老努、广烈索恁下铁邋总公司蒙晓莲筑理、巾铁十三髑姚甥会 总工对予本研究工作也给予了热情的帮助，并对论文撰筠提出了许多宝贵意见， 在戴表零衷心豹感谢。 在实验室工作及撰写论文期闻，金巍、马鸣楠等同学对我论文中的研究工俸 给予了热情帮助，在此起她们表达我的感激之 擎。 最厢，特黪j 感谢我的父母和亲友。他们无微不至的关怀和觳切的期麓是我熊 够专心完成学业的重要动力源泉 j 蠹塞疆太堂瑟圭越谂奎 。绪论 i 1 研究譬景 1 i 。1 地铁工援快速发展 2 0 世纪以来，伴随着世界范围内的城市纯进程糯捷，城市建设快速发展，城 市规模不断扩大，城紊人i ：3 急剧膨胀。海多城市不隧程度上出现了用地紧张、交 递拥堵、环嫒污染严重、能源消耗加蒯等闷遂，这给城市受活带来了徽大的影嫡， 也制约着经济和社会的遴一步发展。 在这样的背景下，世界各国纷纷开始采熙立体化的快速轨道交通方式来解决 日益恶化的城市交通问题。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种软遴 交通形式并存的璐代城市轨道交逶体系。其中，地下铁道具有运爨大、速度抉、 噪音小、污染轻、能耗低等优点。目前，全球已有3 5 个阁家和地区的8 0 多座城市 修建了约6 0 0 0 公里的地下铁道很多城市如伦教、色黎、缝约、东隶、葜骺科已 形成了蠲遥，k 达的她铁线躅，运星占城市交逶曩的5 麟以上。 我厘灼地下铁路建设状况悬：起步较晚，但发展较侠1 9 6 5 年，我匿渗建了 第一条圭噍下铁路一北京堍铁。天津、上海氇在7 0 年代开始了地铁的修建工作。 1 9 9 3 年，广蚺成为我鞋大陆第四瘗修建地铁的城市。进入靳世纪以来，伴随着我 国经济的发展和城市化进程的加快，轨道交通建设将成为我国城市发展豹耋点之 一。除了裔前已投入运营能托索、上海、广媸、天津、深圳、建寨魃铁外，正褒 建设或准备建设地铁顼魁的城市有：沈阳、成都、讴安、杭州，宁波等2 0 多座城 市。可见，我国地铁建设的发展前景慧十分广阔的 1 。2 詹构施工法广泛采用 盾构法是一种暗挖施蔓方法，即羼掬机在鼷壳抵御围岩压力的情况下，由刀 盘切削前方上体势运至盾后运输系统。通过顶推千斤顶的报力自行前进，同时由 快速组拼成环的钢筋混凝士管片形成隧邋主体结构。 蜃 奄法旌工是城枣地下工程建设的主要手段之一由于作妲面在地面以下， 避免了开槽明挖的一些缺点。因而其有戳下优点：对周围环境影晌较夺，施王巾 不会弓| 超地下水位降低，拜挖弓l 起她袭淀降铰小；掘进速度较快；隧洞成型质艟 较好；藏王环境较好，机城化程度赢，其有人性化，嗓音小，占有场遣少；施正 中支护衬砌质薰可靠且造价较低；施工穿越溺邋不受影确，受天气影晌较夸； 在 支质蓑水位高条件下建设埋深较大的隧邀，煮较裹的技术经济优越性。 盾构施工技术在我国刚刚起步随着近年来国内城市轨道交通项目建设的兴 起，盾构施工技术在地铁工程隧洞成型建设中键到越来越广泛的应用。盾构毒妪工 技术不仅在上海德到了鞍为成熟的应月，在我鼹其他骆建地铁的城枣，如姥泰、 广州、瀑堋、瘫窳等也郯褥到了太力推广，其在撼铁王稷建设串赝占汔重也将不 叛掇高。 l 。1 3 蜃梅施王法在广州孰遘交遥顼嚣串的瘫用 广媸枣枣区建筑揍密集，冬类枣敢、遥禳管线缀横交镑；遮质条件复杂，索 有“趣震馋纺镕”之称；魏之珠江求系的影晌，线路登须多次穿越珠江。因此， 在魂铁工稷修建过程中，丈规模采用了盾构施工技术。广卅f 地铁已建及在建线路 盾构法施工使用情况如表1 1 所示由表中数据可看出。盾构法施工在广州地铁建 设中所占的比重逐步提高，并将成为未来城市地铁施工的生要方法。 袁l 。l 广州地铁已建夏虚建线路壤捷法施工使用媾况 蜃椒台数 线路 全长( 融)盾构施工长度及所占h ：例 压盛榴混农蜃橡 1 号线 1 8 2 4 5 个区阏，4 。4 5 ( 2 4 4 ) l 台2 台 2 号线2 3 3 26 个区趔，7 6 9 ( 2 5 1 )6 台 3 号线3 6 。6 51 2 个区闻，2 2 8 2 ( 6 2 1 )1 3 台2 台 4 号线 1 0 1 76 个区阅，8 3 5 ( 8 2 1 )l o 台 5 号线 3 1 9 1 7 个区阅，2 2 。9 ( 7 1 8 嚣)2 4 台2 台 6 母线规划延长 已招标9 个区闻，长度9 ，5 l f 瓣 6 台1 台 2 、8 号线 2 1 t7 58 个区间，1 0 7 6 ( 4 9 。5 )8 台2 台 与她固蛙，为了更好缝满足规划设计、建设秘运营的需要，广势| 隶率先在溺 内采用囊线窀瓤运载暴统。广州市辘遴交遥翻号线燕国内第一条采用直线电机系 统按术豹轨道交通线路，也是墩界首象中大运量的蠹线电机线路与传统运载系 统相比，直线嘏机驱动地铁系统具有优良的动力性能和爬坡能力，线路的最大坡 度为8 0 ，远大予传统地铁轮轨粘麓孝引时的最大坡度3 0 ；直线电机驱动的嫩 铁车辆采用径向转向架，运费性能大大提巍，线鼹最小曲线拳绦可以减少到必8 0 鹎 巍线电毒f l 驱动避铗系统车辆憨裹度鼯 氍，缩夺了蘧遴断瑟瑟积，跑常娆穗铁隧遂 襁瘦减， b l 3 - l 砖。 1 。2 盾梅拖工方法国内多l 研究应用现状 器橡法薤羔技术起步较晚，餐遥年发展较恢。蠢麸欧溯第一次使雳詹梅法| | 三l 采，詹构施工掺建遣下隧道琵有近1 8 0 年的掰变褥构设备经历了手弼式、挤压 j l 巍窑嫒鑫娄亟土堂敛i 幺窑 式、半机械式、机械式( 局部气压式盾构、泥水加压式盾构、士压平衡式盾构) 的 发展，机械化程度越来越高，对媳层的适应性也越来越好尤其是7 0 年代英圜和 妇本分别开发的可平衡开挖面水土压力的两种新型掘进机泥水加压平衡盾构 机和士压平衡式膳构机。盾构法施工技术已广泛用于世界备国地铁、铁路、公路、 市政、水电隧道工程。 随着盾构旌誓技术的不断发展，其相关的理论及方法也在不断完善。尤其在 些盾构法施工应用较多的国家，如荚国、日本、德两等，其有关的理论实践研 究已经取得了不少成果襁比之下，我国盾构法施工技术阑冈起步，相关研究的 深入程度远远不及上述先进西家 目前国内对于盾构机掘进参数规律性的研究大都戳单个参数分析或两个参数 之闻关系的分析为主，没能穰好地揭涿各参数阎的内在联系，致使盾构设计、燕 正过程中的参数途择和参数控镪基本t 停留在经验阶段。尽管如既，戳内学者在 这方面散了大量有价值的工作2 0 0 0 年，李文勇磺究了上海建铁2 号线下穿l 号线 时，盾构麓王参数( 硪面箍力、推迸速度、注浆量) 对l 号线交形药影黎。2 0 0 2 攀， 球继立绪合t 海撼铁2 号线静施工，研究了麓王参数对缝表沉降豹影臻，瓴话薤瑟 支护压力韵大，j 、顼迸壤力鹣大夸、詹鞫攉遴速度影嫡等；嚣东遮爝弹栏力学孛 鼢厚壁溺桶理论，得出器逗鬻豫爨熬犬夸与蜷表援降豹关系( 注浆蹩黪宠壤效果通 过影瘸瘸尾超豫麓，避焉影璃到蟪表淀降) 。2 0 0 4 年，袁敏歪遁过瓣广髑嫩铁一、 二号线器梅橼逶发性有关静刀盘糖矩等圭簧技术参数翔刀具毒置型式的分蛎和研 究，对茭会壤蛙遴孬7 谬羚：张蓐美结会广州枣孰道交逶兰号线天河雾运站 华煮烀大站矮构送闽遴遂工援豹捷工，应髑芷交试验技术对舱鹾力、推力、刃 鑫转速等主要握避参数慰握进速度、刀盘扭矩的影响进行现场试验研究，并建立 7 医平赞建詹拇在款土中的掘进速度数学模型_ 秘刀擞扭矩数学模型；赵华松通 过数值模拟，建立了地武沉降与艟掏疆土厚度( h ) 、盾构或径( d ) 、土层性质参数 ( e ) 、舱压力( p ) 的经骏公式；攀大勇结合南京地铁期盾构掘进过程中监测数 据，对土体交形特性与盾构工作参数( 土舱压力、注浆量、出渣量) 的关系进行了 分析。2 0 0 5 年，秦建设利用f l c 3 1 ) 分别研究砂土地层和粘士地层中土舱支护压力 与地表变形的关系；邓忠义结合上海复兴东路越汽隧道盾构施工大量监测数据， 对餍构施工参数( 切口水压，送泥密度、摊泥密度、推进速度、刀盘力矩、千斤顶 顶力、注浆糙力、注浆量、土砂艇，掘削时问和腐构平而、高程、方位角、转角 等) 与开挖面的稳定与平衡做了研究2 0 0 6 年，杨洪杰予以盾构前方的隆起量作为 主要控制量，讨论了盾构各种控翩参数的相互关系。其中，常用的研究的方法及 手段主要有：盾构法施工相关机理研究、模型试验研究方法、计算机数值计算方 法、人誓智能分析方法等 3 1 。2 。i 盾构法燕王互作梗鬻霉 究 机理研究的主要弱的是为了更好地解决如下闷题：如何选定与特定地层条件 籀适应豹蘑麴辍类登；在器辏凝类型已经确定熬臻况下，麴铐锌对漂瓣特性， 选择合理的切削方式，从而满怒掘进速度缀快，并能最大限度地提高施工的效率； 农特定地层条件下，如何选定与地层特性相适宜的艨构机工作参数，从而能确保 辩挖面酌稳定性，谴褥缝表不麓予产生遥太静交形，盾梅施童对地层产燕酶撬动 嫩小。 黉统施工方法越嗲地震条终戆交纯较必敏感。凌不嗣建鬟条终下，娥层处理、 汗挖方法、支护手段蕻至支护原理都有很大的区别。故技术上的矛盾主要集中在 线路、地质、支护三尝上。盾构法施工把复杂的线路、地质条件相对简化，不同 黪线黎、戆蕨条锌只瓣施工孛掇迸模式静选择产玺澎确。由予现代纯飘城盾祷霹 蛾质条件有很强的自通应性，使得地质条件对施工的影响相对传统施工有所减弱 因筵，盾构旌工的主要技术矛麓已经不露榘中在地矮窝支护上，援进参数瓣设定 岛控制、管片选型、注浆工艺成为同样璧要的技术控制点，其中掘进参数的设定 与控制和管片选型对隧道质量所起的影响较大，也怒盾构旌工的一个难点。 霾褥熬藏工过覆突琢上是一今复杂豹系绫工程。隽了象疆系统熬稳定性，霜 时也为了提高机器掘避效率，盾构机的掘进参数( 摧力、推进速度、刀盘转速、螺 旋枫转速、士舱压力) 之间需满足一定的匹配性。参数的优化和匹配，使羼构枫达 到稳定静最佳掘进获悉。 破坏这种状态的患器因素悬施工过程中对周围土体的扰动。它包括膊构对土 髂豹接压葶拜竣动、燕载与帮载、琵蒙农医生秀与下黪象弓l 起i 魏戆交雾、缝表隆 起与下沉等。由于受铡施工的扰动，土体的物理力学性质与原状土相比将发生深 刻的变化，因而在盾构施工过獠巾及隧道建成后对周曝环境的影响也将发生质的 燹纯。土钵受扰葫螽髓凌鹃改交主要集中袭瑰在：童捧结构豹交往； 童俸懿斑 力状态或成力路径变异；土体的孔隙水厩力变化等方面土体扰动是地层变形 豹原医，嚣她层变形怒拨动熬续莱。体捷动静影噙范围窝稷瘦取决手缀多因素， 遂包括：褥构型式； 盾构掘进参数( 如土舱压力、刀盘扭矩、推力、出土量、 压浆量、压浆压力、翔欠挖量、盾尾间隙椁) ；土体性质及隧道所处的环境； 麓遘瑾深上都蓊载懿影豌； 珑遴蔻褥足孽爱耪瑚等( 易宏箨，l 鹁蛰。 因此，如何选择合理的盾构掘进参数，即通过参数的优化和匹配，既能使开 挖嚣保持稳定，又能健体受列的扰动最小，从丽蠢效控制地表变形，减少对邻 谶建筑物的影响，仍然是设计与施工中必须面箍的一个问题。 j 蠢塞箍太雯嚣圭越谂奎 1 2 2 模毽试验研究方法 模型试验是髓道及地下工程研究中常照的一种方法，它以相似理论为理论基 础。模型试验的主要优点是规模小，周期短、花赞少，有耩予我 f 】对地下工程有 深入的了解国内外均认为模型试验与现场实测嗣样重要，恧且一般都先进 亍模 型试验，基进行现场量测，以褥出较为切合实际的结论建立在裙似理论基磕上 的模型试验可以是寇往试验，也可戬是定餐试验，掰作先结构计算豹辅助手段， t 琶可作为独立静王具进行结构性质研究。缡尺模型选验特别是小比尺模型试验耳 兹是人们常常采用的一静方法，即将原型的几何尺寸按照一定眈例缩小后进行研 究小眈尺模型试验又可分为小眈尺常烧模型试验和小毙足离，0 模型试验。 在常规模型试验方瑟，森麟等人( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ，1 9 8 9 ) 分别针对砂质土和精性 进行了睡枣鼋机工作参数与f 霹隙水压的关系的研究。松奉嘉静等人 1 9 8 9 ) 进行7 多瞬断面盾构籀青特性盼试验研究。霍久昭正、富泽秀治等人( 1 9 9 2 ) 为硪究溅承 拥压詹构王法褒离求鹾、大蠼深条修下进行丈断短掘进的适应性，通过模型试验 阐述了掘削璇的稳定机理。豫明罐( 1 9 弼) 进行了上海较士地区浅覆土瑶构隧遴冻 结加强模梭试验的醑究。荣毅枳等人( 1 9 9 7 ) 为解决惩承压下泥水加难平缀盾构开 挖匿平骜控制设备，特进行了双螺旋输送机的验证试验。细j l f 靛己( 2 0 0 0 ) 通过试 验研究了泥承式蓐构的刀盘开日率交纯对砂质缝基鼢闯隙永压豹影糖。抖a k a i 等 ( 2 0 ) 傲7 秽士中豹詹擒隧遴试验，用实心圆技体模拟隧道，通过逐步移走隧道 周围4 毫米厚的空心套管来模拟盾构推进形成的魄屡损失。 在离心模辇试验方荫，m a i r 等( 1 粥3 ) 逶过实她测量和离心模型试验，攘讨了 粘_ 生中燧道旌王萼| 起的地表泷降攒宽度与最大沉降量随深度的变化。日本的 i a a m u r ae ta 1 ( 1 9 9 8 ) 采用一种徽茧盾构杭进行过隧道汗挖和衬砌脱瀣稽建过 程的离心模型试验，研究在举掰豹隧道埋深条捧和骞羼尾闯黢演况下村砌项郝土 压力及地题的沉烽情况。小筻服政文等人( 1 9 9 8 ) 通过离心试验模整研究了在砂土 地层中竖向相邻矩形盾构隧道作用土鹾的相互影瞎闯题周夺文( 1 9 9 9 ) 模羧了在 砂土撼层中黎| 用詹构法舞挖隧道条件下，隧i 蔑内支护压力与地层位移的关系以及 砂土地层的稳定与破坏机理，并提出了相应的支护压力计算公式张云( 2 0 0 国遥 过离心试验模登研窥了土质盾构隧道士舔力和地层位移交纯豹规律。蒋难华( 2 0 0 3 ) 为7 模羧深堋地铁一期王程大剧院科学镰区间隧道洞室开挖对地表沉降的影 响，进行了离心模型试验，但该试验必燕静态遣模拟了开挖前后的缝层变形状况， 没有模拟盾构掘进的过程。 2 3 计算机数值计算方法 计算枫数僮模摄分辑法菇黢了经验公式法煞缺陷与羧耩，为设计施工提供爵 靠瓣定量依据。蠢限元法曩| j 是数值分析法串应耀较为广泛豹一种。翠在上世纪a + 年代，怒奉藏将有限嚣法与经验凳式法稻结会，用边界元分析了弹性她萋浅壤 疆遂施工萼| 起豹兰维缝表沉降，考虑了掘：迂 速度、开挖面位置等闯素的影响此 后，众多学者将有限元法弓i 入蓟对稀构隧道的分析计算当中，通过实测值与计算 结莱酌对院分析，提出较多计算模型加以修正优化，从而保证计算结果的合理性 与正确性。 隧道开挖是一个三维问题，采用反应实际质构开挖三维效应的有限元仿真技 术得到大量的应用。在三维计算分析中，对开挖面支护压力控制引起的地层皮力 变化多数采用了节点静力等效原理，单元施加荷载等效节点力模拟土层的开挖。 开挖面单元施加设定的磁力来模拟开挖颓支护绍用力，从一定程度言，璧构推进 力大小决定着盾拘前方地层的位移性质( 隆起或沉将) 及其大小，健是蔻人采用三 维数值计算方法分析赝构施工对周围环境影响磷究中，其对于嚣挖瑟支护压力戆 考虑通常取墓较为理想的支护医力值，瑟且对支护鬟力躲形式考虑较为麓攀。 由于詹橡魏工过摆三维数值楱戥实藏上存在滩度，许多学纛采用= 维模鼙研究其 燕芝对周阑玮壤约影响。二维稷三缨模型熬最大差异裁在于对歼挖萄窆简数痘的 楼羧上，在计算串则主要体现在不诗体积力簿静等效开挖节煮荷载的缝瑾主。萄 蠹羚不少学者采焉二维平蔼痰交分析，纂予二缎横帮面模鼙研究隧道施工弓l 起迪 基交位。丁春林锋对广娜魄镁二号线越秀公园- - - - _ - - 元星醒闻隧道，采用二维弹 鳖健有限纛法分析了姥应力释放对詹构隧道匿者强度和变形以及地表沉降变形的 影编结巢表朝随着开挖面鲍应力释放增大，隧道开挖面洞周拱顶、拱底、拱腰 变澎将增大，豳者塑住区范围也在增大；当地应力释放达到1 2 时，洞周围岩如现 鳖靛交形，隧道并挖丽洞周拱底、拱腰变形星非线性增大；随着地应力释放值增 大，其地表沉降变形明显增大，特别是当隧道开挖丽周边豳岩产生塑性变形时， 其增大的趋势更为明显。 1 2 4 人工智能分析方法 相对予其它磷究方法丽富，这种方法较新。针对以往大部分研究都慧局限予 对筚个正稷、筚个研究对象的现场溯试、室内实验以及理论分析，入工智能法就 是婺将几十年来众多工程取得的宝贵经验、实铡数赫、实验结果和理论整合起来， 来解决工程中的问题，开发出诸如专家系统、入工神经网络、模糊控制系统等等。 由于盾构法施工过程复杂性。所涉及的她质条件、线路条件，操作水平等波 6 动明曼，甚至是穗枫静、模糊的，教很难用确定的数学模型照式表示。人工神经 网终由予具有自适应性、j f 线性及容错能力强的特点非常适合处瑗各种非线性 的模猢问题，敌利用神经瞬络横鳌实现盾构掘进参数分柝j 燹测不失为一种可符存 效黪方法。 1 3 研究目的及意义 蓐构法施工最先迸的城市轨道交通建设模式，其有广黼豹发展前景。詹构设 计及施工技术已经发展至转常离豹水平，但国内外对其掘进参数间关系规镶的硬 究媚对滞赋，主要体现在：对于现有的掘进参数研究，大多停留在单个参数分析 或两个参数之间关系的分析，因而，所得出豹结论较为孤立，没能揭示出盾构各 参数关系的数学物理本葳，致使盾拇没计对豹参数选撵秘溉工时的参数控制仍停 塑提经验盼段。同时，急需解决如何选定与施层特性相适应的盾构税掘透参数， 献而傈证开挖瑟稳定，不至予产生逑大站表变形等闷遂，特别对予己采用妻线电 棍鞔遂系统豹大坡度、小半径地段，楣关闽题更加突出。因此，有必要就典型地 层条件和线路条律下盾构机掘进参数间的内在规律进行研究，对合理掘进参数酶 选取做溢预测，并对施工过稷中极易出现的各类典型教蹲做出诊凝，从恧保涯施 正过程的安垒，降低工程造价，减少地铁施工的不利影响。 1 4 主要研究内容及方法 1 4 1 掘进参数统计分析 詹构法籀王涉及的掘进参数多达数十个，且各个参数阈存在不同程度的楣关 性，同时，各参数还受到诸多外界因素的影响与控翻面对麓工过程中积累豹大 童掘进参数数据资料，从深入认识备主要参数本覆规鬻危度露害，即要掌握参数 在特定憋外郏条件下豹分搀情况，明确参数阋的函数关系及参数影响因素，数理 统计方法不失为一种有效的分析手段因而，本文主要通过数理方法扶不同线路 条件下参数分布援律、参数醺数关系及影响因素三方霾加以论述。 压平衡匿均在掘进过程中应该合理匹配各项掘进参数。利用施工现场收集 的掘进数据，对盾构梳总推力、土舱魇力、掘进速度、刃盎扭矩、刃盘转速等重 要参数进行数理统计分桥，试图掌握其统计规律及分布特短，并姆统计结论与他 人通过模型试验所得结论加以对照，分析存在差舅的成因。 同时，地层条件和线路条件均会对摇进参数的设定与控制产生影响。根据掌 握的数据资料，霹将她摆条件楚化必筑层和混合岩层两种状态，将线路条伟简化 为平缓缓娩段和大坡度地段两种状态，由此可产生四种不同的状态组合对四种 状态下的参数数据作影响因素分析，从而考察备掘进参数对予不同影响因素的敏 感性差异 1 4 2 掘进参数预测分析 懿迸参数数据受羁线路条件、雉矮条件、入为操俸水平等多蓬外界阂素的影 响，医磊，缀难像室内楼登试验那样通过对实灏数据话j | j 分析将各参数阔内在关 系孩曩式稻数的方式表示击宋。因此，需要采用其他分析方法来纣参数间的关系 规律加以轿究 入工神经网络理论戳其理论特点，能够适用予对需要同时考虑多种因素和条 件的模糊信息处理问题的研究。研究过程中，可将掘进参数分为两类：一类为体 现外部因素和条件的输入变量；另一类为体现盾构系统响应输出变量。至此，掘 进参数间内在关系的研究问题即可转化为通过输入变羹参数来预测输出变量参数 的问题。 针对特定的盾构施工条件状态，将之前着踅分析的刀盘转速、接进速度、赞 入度、刀盘扭矩、总推力作为研究对象。并将刀盘转逮、推遴速度、贯入度划必 第一组，作为外部因素的输入变量，其中，刀擞转速、推避速度必反映人为操撵 的外部因素竣入变量，贯入发反映媳层条停鲍掺部因素输入变量；将刀擞攫矩、 慧接力划为第二缀，作为系缝的输出响疲变量。应翅具喜人王智能静神经弼络模 型，遭过撵本学习，确定网络结梅秘学习参数。麸褥建立起输入输豳变爨阉豹菲 线性关系，实现7 数撂的多缳输入和多维输癔。 结合嚣梅法蕊工豹实际情甓，特剩瓣予复杂施质条件下酌试验往推进过程， 如采戳该过程积累的掘遴参数数据资料为基础，总结推导斑籍定条件下掘进参数 关系，真东实糯对输鞋 交藿参数的有效预测，帮么将对后续掘迸过程提供有价值 豹帮导与帮劲。 1 4 3 基于瓣构掘进参数麓故障诊断分析 耳翦，对予詹拨i 去施工的风黢评然雯规注重地层与支护结构状态变化的磷究， 甄对于矮掏系统本身，特别照对于体现掇遴拔态变化的参数数据的研究逐禚j l 孛较 少。爱她，本拳将跌瓣搀握送参数数据为基础，将涟王过程中黪a 类共鳌故障与 特定参数状态囱量黠痰联系起来，扶褥来实现对踅类共撵故障的诊新分析。 黠于髫构撬工过獠串典型旅漳韵羟类分析，使各类放障通过由掘进参数构成 豹状态淘量翔潋攒述。这样就丽戳使瓣于盾构机械箍迸过程中的故障诊断问题 擘 j e 藤窑通杰茔亟烂位验衰 转耗为复杂系统工撵凌态瓣模式分类趣隧。撰式分类躐者模式谖髓靛是要完戎囊 模式表示空阚( 特征空间) 蒯解释空间( 类型空间) 的映射 神经瓣络作为一种自适应翡模式谈翔技术，并不鬻要预先给密裔关模式鹃经 验知识和判别函数，它通：i 臻自身学习机制自动形成所鬟求的决策区域。其巾，网 络输入节点对应着故障征兆，输国节点对应着赦障原闲。当输入一缀盾构视掘进 参数孵，经充分学习蓐豹神经嬲络裁可以翔断囊藏状态是否燕常，对于异常状态 判断其类型和程度 聋 2 工程背景及震橇橇概述 本文主要以广州轨道交通四、赢号线部分盾构隧道建设为研究背景，特别针 对夏弩线杨箕戆凑注雾；城蘩詹褥嚣翘蘧递工程辘王建程遴移搽讨，缕会采羽壹线 电机系统线路。大坡度”的特点，对掘进参数统计分析、预测分析与故障诊断等 问题进行研究。现将本文涉及的工程背景介绍如下： 2 。l 工程背景 2 1 1 工程概况 髑枣羲遂交潺菱专线扬箕懿一凑江亵城繁溪耱区凌遴邀全长1 5 0 7 ，6 载线廷 米赢右线中心问距为1 0 o 1 5 0 米，隧道覆土厚度1 6 2 5 米，平面最小曲线 半径为3 0 0 米，最犬纵向坡度为2 6 该合同段包括杨箕站五羊新城站区间、 五羊掰缓站珠江凝城站区l 霹2 个霜构区间，斑嚣袭圆形隧遵及稠关酣骚王程组 成。扬箕站珠江凝疆站右线隧遂起丘量程失y c k l 3 + 9 5 4 7 6 9 y c k l 5 + 4 5 5 2 8 4 ， 左线隧道起止里程为z c k l 3 + 9 5 4 0 0 0 z c k l 5 + 4 5 6 5 8 5 。区阃隧道建设主要采用德 国海瑞克公司制造的士压平衡式鹰构进行开挖j 麟进。 乏 。2 工程地质概况 杨箕站至五羊新城站区阋所穰地貌属于珠江三角洲平原，穿越杨箕树、杨箕 添，繇髂主建形较警缝，建瑟蠡离7 5 0 8 9 7 m 。沿线经遘鹣溪淹主要荛椽襞溺( 溪 宽约3 0 m ，深约3 5 m ) ，穿越部使的里程范围为z c k l 4 + 1 5 5 z c k l 4 + 4 5 0 ，由于 扬箕涌与珠江连通鼠距离较近，所以河水水位蹙季节和珠江潮水的影响。本区间 蠹建下窳承垃埋涤1 0 2 5 m 总体交毽较小。蜷下永整豹交化与缝下承的赋存、蛰 给及摊泄关系密切，大气降承和撼袭承俸( 珠渡、河涌) 是主瑟补给源，缝下承位受 季节影响明显。 本区间地质构逸复杂，地层复杂多变，按形成时阗的先聪大致可分为9 类地 屡。渗线工程穿越翡魏层获 、 、 三耱缝层兔主，三纛在该区翔内豹分毒 情况详见表2 1 ，冀地层特性详觅表2 2 由予受地质构造影响，地层分布不均性 明显，在隧道横断颇上表现为上软下硬，在纵剖面上表现为软硬相间。泥质粉砂 岩戆鬣簧特点是秀挖戆硬度较舞。嚣挖嚣遇拳：瑟软耗，获霹黪致殪主流谚瞧簿甄。 岩石微风化带地段较长， 号硬岩地层在区斑旋、右线路中所占眈铡分剃达到4 2 i l 塞塞通太堂殛鬟位j 幺窑 和6 5 ，岩石完整性较好，抗难强度较大这些都绘施工过程带来了一定的难 发，姆丽必须根据地层条 牛的变化及时地对各项掘进参数进行调整与控制 表2 1 区间地层统计表 序 地层编号地层特征乎均厚度( 搬)长度( 嘲 所占区间比铡 号 秘 岩石全最纯带 5 7 5& | 2l 左咖岩石强风他带5 1 0 1 9 3 4 31 3 线 鼬- 岩石中风化带s 3 0 6 6 1 2 7 4 4 踣3 。8 8 9 ，p ，= 3 。5 4 e - 0 6 式中，而( 户z _ 坊是从其他细胞传入的输入信号；口伪阙值；m 猿示从细胞 捌细胞j 的连接权值；，p 为传递函数，可为线性函数、献的非线性函数或具有 任惫阶导数的非线性遁数。 入工神经元稻当于一个多输入多输船的菲线性瓣缓器伴这鼙的前，物一砺 表示n 个输入；m 。m m m “表示与第价神经元相连的n 个突触的连接强度， 其值穆必投蛰；甜艚然热激滠篷，表示这个人工神经元豹输入总_ 秘；y i 表示第j 个人工神经元的输出；口废示这个入工神经元的阙值如柒输入信号的激活氇越 过阙值，脚人工种经元被激活。 可见，弦为神经元赠络的最基本工作单元，神经元的结构是比较简单的，它 豹处理能力琶比较萃，然掰，基大量黪这种结梅簿荤戆神经元所 句戏的神经元 网络却有着许多徽优越的特往神经元两络时傣意的楚理楚由大羹豹神缀元共同 完成的，是一种集合的功能：与之栩适应的是信息的分布式存储及联想记忆的存 取方式。神经元网络对偿息处理的快速性和强有力的学习记忆功能是由其大规模 豹并符工作方式、菲线形处理、甥终结槐憋露交性等露骞结擒特投决定的。 4 t 3 入工神经网络参数颓溯方法 由于在不同程度上受蓟线路条件、缝稀条件、入为操作承平、设备状态等瑶 素的影晌，詹构施工摘迸参数之润的关系十分复杂髓由之前的统计分析可知， 缀滚绘爨一个显式表示豹数攀模型来嘏确戆表达它餐之瓣豹关系。入王神经鼹络 的大规模并行、分毒式奏储和处理、自组织、自适应秘自学习熊力，镬它能够适 用予，也特别适用于处理需隳同对考虑许多因素和条件的，不耩确和模糊的信息 处理闯鼷。由此，本文试图弓i 入人工神经网络方法来对盾构掘进参数数据进行分 析簸理。 针对特定豹鬟橡藏忑条铎襄获态，将之裁誊莛分橱的刀盘转速、攫遴速度、 贯入度、刀盘扭矩、总推力作为研究对象并将刀盘转速、推进速度、贯入度划 为第一组，作为外部因索的输入变量，其中，刀盘转速、推进遴度为反映人为操 作的井都因素输入变量，贯入度反陕地层条件的外部因素输入变萤；将刀擞扭斑、 慧接力翻隽第二缌，箨隽系统戆响应输出交曩。瘟罱典有入工鬻能静神经翔络模 型，通过样本学习，确定网络结槐和学习参数。确定神经网络的结 每，即确定鼹 络的层数、各层的神经元数以及各神经元之间的连接权值从而建立起输入输出 变豢闻的非线性关系，实现了数据的多维输入和多维输出。具体将采用b p 网络和 径翔基掰络嚣类入王神经瘸络模爨黠输出交蓬参数加璇预溺，并对预测结采进行 捡骏。 4 2 基于b p 神经网络盾构掘进参数预测分析 4 2 。l 辨神经霭络摄述 1 9 8 6 年，r u m e l h a r t 。h i n t o n 和w i l l i a r n s 完整而简明地提出一种a n n 的误差反 向传播训练算法( e r r o rb a c k - p r o p a g a t i o nt r a i n i n g 简称b p 算法) ，系统地解决了 多层网络中隐含