基于遗传算法下矛盾施工引起底层下降的神经网络模型Word格式.docx
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关键词：
盾构施工地层沉降BP网络遗传算法神经网络模型
第一章绪论
§
1.1研究背景和意义
很早以前就有专家曾经说：
“19世纪是桥的世纪，20世纪是高层的世纪，21世纪是地下空间的世纪”。
进入21世纪的现在，地下空间的发展如雨后春笋般的发展壮大起来，城市地下空间在增强城市功能，改善城市环境，实现城市集约化和可持续发展中将发挥越来越重要的作用，开发城市地下空间已成为各大城市的首要任务。
现代城市地下空间的发展[1]经历了一个很长的发展阶段，第一次地下空间开发利用始于第一次工业革命之后，几十年过去了，在城市规模日益扩大和城市人口日益增加的同时，地下空间的开发不但改善了城市基础设施落后的面貌，也解决了很多棘手的问题。
如地下隧道的开发利用，缓减了城市交通压力，为人们的出行提供了便捷的出行方式；
下水道、雨水管、煤气管等铺设于地下，提高了城市化水平，也美化了城市环境。
地下空间的开发利用更符合人与自然和谐发展的可持续发展战略，改善地面环境，使人们能更好的享受阳光、享受自然。
盾构施工是现今发掘地下空间最有效方法。
盾构施工最先由法国工程师布伦诺尔父子发明，而今已被广泛应用。
布伦诺尔父子最先用一个活动的罩架支撑在隧道工作面及其背后的泥土上，工人一边向前挖，一边用千斤顶把罩架向前推，顶住心的工作面，盾构后面露出的一段隧道用砖砌面支撑，挖掘工作像鼹鼠在地面下掘进一样不断前进。
1918年，世界上第一台盾构机载英国诞生，盾构施工实现了自动化，目前，盾构法已广发地用于各类工程项目中，如地铁、公路、铁路、输气、输水等国家大型公共工程建设，在地下工程建设中的作用尤为突出[2]。
盾构施工特别适合在软土中进行，在施工过程中对城市及周围环境的影响很小，使用该方法既方便又安全，但其本身仍不可避免地会对土体产生扰动，土体产生纵向沉降或横向侧移，对上部及周边建筑物和地下管线会造成一定程度的危害。
因此较为准确的预测盾构施工期间以及正常运营后产生的长期沉降一直是人们关注的热点，最主要包括两方面的沉降：
一方面是隧道周围土体在弥补地层损失中发生地层位移，引起地表沉降，另一方面是施工过程中隧道周围受扰动或者剪切破坏的重塑土的再固结所造成的，这两方面的研究成果将为盾构施工合理化设计及其周围环境保护提供科学的理论依据。
1.2国内外研究现状
盾构施工所引起的地表沉降涉及的因素比较多而且非常复杂，所以国内外学者在基于Peck理论的前提下，结合施工经验，实地勘察数据，研究出了符合实际的各种方法，主要通过经验公式法、解析法、数值模拟计算法和模型试验法来进行研究。
近年来，随着数值计算方法、随机介质理论、模糊理论的发展，人工神经网络，专家系统等研究方法的发展，研究盾构施工所引起的地面沉降的问题有了很大的进展。
1.2.1国外研究状况
Ghabossi（1978）等讨论了用有限元模拟底层位移的可能性，用有限元分析模拟了应力条件、隧道开挖和衬砌管片安装的各个阶段，结果表明，二维平面应变分析是模拟底层位移的最有效、最简单的方法。
Morton和King（1979）进行室内实验研究了隧道推进对于建筑物桩基承载能力和沉降的影响，研究认为在软弱土中构筑的桩基础上进行隧道推进时，在设计和推进的过程中对于桩基础的影响应成为首要考虑的问题。
S．Bernat利用两种不同的有限元程序对法国里昂地铁隧道进行了模拟。
一种是定义了开挖卸载因子
，仅考虑了卸载作用；
另一种考虑土与结构的相互作用，考虑了开挖、衬砌安装、作用在衬砌上的空隙水压力和衬砌重量等。
通过对两种情况进行比较分析，最后得出第二种方法更符合实际情况。
Ito和Histake（1982）用边界元法对弹性和粘弹性底层中浅埋隧道引起的三维地面沉陷进行了分析。
分析中考虑了掘进速度、开挖面的位置、隧道衬砌等的影响。
Mari（1997）结合自己早年模拟粘土底层盾构掘进中隧道开挖面稳定相关立新实验研究结果，总结前人的工作，得出砂土和粘土底层中隧道开挖面破坏形式的表现不同，砂土底层中开挖面破坏形状表现为烟囱状，而在粘土层中，由于土体颗粒间粘聚力的存在,破坏面的表现为下部较缓上部区域较大的盆状。
Chen（1999）将隧道开挖视为二维问题，利用边界元分析了隧道开挖对单桩（不受荷载作用）的影响，指出桩的变形受隧道形状、地层损失率、土体强度、桩径以及桩长与隧道覆土厚度比等因素影响。
Kasper借助有限元程序对饱和软土隧道进行了三维数值模拟。
模拟过程中考虑了土的应力、空隙水压力、土体的变形、盾构机的移动与变形、衬砌、土与衬砌之间的相互作用等因素。
Pastsakorn（2005）首先利用PRAB和FLAC分析软件验证了Chen（1999）的实例。
Yong-JooLee通过模型试验和有限元软件模拟，对隧道开挖引起的桩基影响进行了二维分析研究，指出隧道附近的既有桩基内力和变形受桩端位置、桩顶荷载、地层损失率、土体强度、桩体尺寸、隧道直径等因素影响。
除此以外，还有大批学者对PECK公式进行了研究，见下表：
1.2.2国内研究现状
沈培良等[11]（2003）根据上海地铁明珠线浦东南路站—南浦大桥站区间隧道盾构推进引起的地面沉降的实际观测数据，分析常用的地面沉降槽计算经验公式对于上海地区软土中修建的地铁盾构隧道的适应性，提出了地铁盾构隧道横断面上地表沉降预测公式参数确定方法以及纵断面上地表沉降分布修正计算公式及其参数确定方法。
应用结果表明,该计算公式能较好地预测盾构施工引起的地面沉降分布。
姜忻良等[12]（2004）假定由于隧道开挖在地表以下土层所形成的沉降槽的体积等于地层损失以及各土层沉降槽曲线仍可用正态分布函数表示。
在此假定下，首次提出可以通过对隧道中心线以上土体的沉降值的分析，研究不同深度土层沉降槽曲线宽度系数，并且通过回归分析，提出用于计算不同深度土层沉降槽曲线宽度系数的公式。
璩继力等[13]（2004）基于逆传播人工神经网络方法,建立了盾构施工地面长期沉降的非线性预测模型,建立了沉降与诸多影晌因素所处位置、时间、上覆土性参数及盾构施工参数等的关系模型。
璩继力[14]等（2006）基于龙东路-世纪公园站区间隧道现场实测资料，对由盾构施工引起的沉降槽的形状进行了深入研究。
首先绘出埋深不同的沉降槽的实测形状；
再利用数学拟合方法对沉降槽的形状、影响范围、宽度系数及最大沉降量出现的位置进行的研究，指出它们均与隧道的埋深有着密切的关系；
最后，用统计学的方法给出隧道埋深与最大沉降量以及沉降槽宽度系数与隧道埋深之间的定量关系式。
罗国强[15]等（2006）基于敏感性分析原理，以某排水箱涵盾构为实例，选取土体弹性模量、土仓压力、地下水3个影响地表沉降的因素，通过变化某一基准参数，让其余影响因素固定，研究地表沉降对各因素的敏感程度，得到如下结论：
（1）地表沉降对穿越地层的弹性模量参数比较敏感：
弹性模量提高10%时，地表累积最大沉降量可减小28%-32%；
（2）在地下水存在的情况下，地表的沉降显著增大，因此数值模拟计算时，应根据工程的实际情况考虑地下水的影响；
（3）土仓压力对地表沉降的影响不如前两者明显，对于砂性土而言土仓压力越高地表沉降值略有增加。
韩煊[16-18]等（2007）提出在众多的预测地铁隧道开挖引起的地表位移的经验方法中，Peck于1969年提出的高斯方程最简便，也是目前应用最为广泛的方法。
国内地铁建设工作起步相对较晚，在土中开挖的浅埋隧道工程引起的地层变形实测资料比较缺乏，因此，目前对Peck公式在国内各地区的适用性还没有定论。
通过对搜集到的国内8个地区30多组观测数据的分析，评价这一方法在不同地区的适用性，并对相关计算参数提出初步建议值。
张学武[19]（2008）提出，对盾构在富水饱和粉土、粉细砂、粉砂夹细砂地层中掘进引起的地表变形实测数据进行分析，总结变形过程及分布规律;
并与有限差分程序FLAC3D模拟盾构施工工序、土仓压力、地下水位、注浆等因素计算得出的地表变形结果作对比，所得结论对类似工程具有一定的借鉴作用。
黄金林[20]（2008）提出地下开挖引起的地表沉降是地铁修建过程中的关键问题。
以盾构法施工的广州市某地铁隧道的现场实测资料为依据,对盾构法施工引起的沉降进行了深入研究,并在经典Peck公式中引入沉降槽偏移参数。
在绘出不同埋深的沉降槽实测形状的基础上,利用数学方法对沉降槽的形状、影响范围、宽度系数进行了研究。
第二章理论分析
2.1盾构法施工技术简介
1818年，布伦诺尔父子从一种食船虫在船身上打洞受到启发，研究出了盾构施工技术，并获得专利。
这是开敞式手掘盾构机的原型。
1823年，布伦诺尔父子制定了横贯伦敦东端泰晤士河畔的公路隧道的计划，1825年开工，后由于塌方事故而不得不终止，但布伦诺尔父子未放弃在泰晤士河底兴建隧道的梦想，他们对盾构机进行了改进，1834年工程再次上马，并于7年后的1841年隧道贯通。
此后，盾构施工技术继续得到改进，1869年开始建设穿过泰晤士河的第2条隧道。
承担该工程的Barlow和Great采用Greathead新开发的圆形盾构机和铸铁管片，顺利建成并通车。
1887年，Greathead在南伦敦铁路隧道工程中，组合使用盾构和气压施工法进行施工，奠定了近代盾构技术的基础，20世纪初，盾构施工法已经在美、英、德、苏、法等国开始推广，30到40年代在这些国家已成功地使用盾构建成内径3.0米至9.5米多条地铁及过河公路隧道，仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道。
盾构施工范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道及其他时政公用管道。
1939年，日本正式应用盾构施工法施工国铁关门隧道的海底部分，该盾构外径为7.182米，隧道总长7258米，该工程奠定了日本盾构技术的基础。
从20世纪60年代起，盾构施工法在日本得到迅速发展，70年代日本及德国针对城市建设区的松软含水地层中因盾构施工引起的地表沉降，解决了预制高精度钢筋混凝土管片和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。
近30年来，由于土压平衡、泥水平衡、盾构密封、盾构始发及接受等一系列技术难题的解决，盾构技术有了较快的发展。
日本于1986年制造了马蹄形机械挖掘盾构，1991年制造了马蹄形的ECL盾构，1993年制造了迄今最大的双圆盾构，1995年制造了三圆盾构，1996年制造了7.950米5.420米的矩形盾构，1999年生产了字母盾构，2001年制造了MSD盾构。
2.1盾构法施工技术的发展
1.1.1盾构机的种类和特点
1.泥水加压盾构（见图2-1）
泥水加压盾构采用有压泥水在较短的时间内使开挖面土体的表而形成透水性很低的泥膜.位于土层和加压泥水之间的泥膜.性能优于土层，使泥水压力可通过泥膜，向土层传递.形成地层土水压力的平衡，从而使开挖面地层保持稳定。
泥水加压盾构刀盘后方为泥水室、通过隔板和后方隔开，用于充储有压泥水；
泥水室内装有搅拌器.用于拌和进入泥水宝的切削土体和稀泥水。
使之成为水、土混合的浓泥水;
泥浆泵用于将稀泥水泵入泥水室。
又将浓泥水泵出地面。
这种盾构的出泥方式是湿式，就是以泥浆的形式排土。
在地面上设置泥水分离装置，将水和土分离。
泥水加压盾构推进时，开挖面土体的稳定性主要取决于泥水压力选择的合理性和送泥水泵对泥水压力的控制。
泥水加压盾构的主要缺点是需要泥水处理设备，将泥和水分离，以便循环使用。
该设备投资大，需要宽敞的施工场地。
2.土压平衡盾构（见图2-2）
土压平衡盾构[23-24]是在推进时靠刀盘切削下来的土体使开挖面地层保持稳定。
土压平衡盾构的前端紧靠刀盘设置密封土舱、盾构推进时，前端刀盘旋转切削土层，切削下来的土体进入密封土舱，当土舱内的土体足够多时，可与开挖面上的土、水压力相抗衡，使开挖面地层保持平衡。
这类盾构的排土采用螺旋输送机将渣土排送至土箱,再运送至地面。
螺旋输送机的排土口装有滑动闸门或旋转翻斗，用以控制出土量。
土压平衡盾构一般通过控制其排土量等于开挖量即可使开挖面的地层始终保持稳定。
土压平衡盾构克服了泥水加压盾构的缺点，是盾构法技术的一大进步，尤其适用于城市地下隧道的施工。
具有地面沉降易于控制，对周围环境影响较小等显
著的优点。
3.箱形盾构
箱形盾构[25-26]的刀盘由滚筒形刀盘和盘形刀盘组成，盘形刀盘配置在滚筒形刀盘之间，可以实现全断面掘削（图2-3）。
掘削刀尖在掘削面具有均一的切削速度，不存在像圆形盾构那样的中心部与外周之间的速度差，能保持开挖面的稳定。
箱形盾构刀盘上安装有侧边掘削刀，刀盘相对盾壳可以偏转，通过转向千斤顶，可以像圆形盾构那样进行曲线隧道的施工。
改变刀盘形状和刀盘回转轴的方向，可以掘削矩形断面以外的轴对称的各种断面形状的隧道（图2-3）。
箱形盾构可以分离和合并使用，分别用于地铁车站的施工和地铁车站之间隧道的掘削，在用地有限制的区域可以使隧道转移至上面或下面结构，形成自然的线型（图2-3）。
采用中、小尺寸的箱形盾构，根据工期选择盾构机的台数，分别采用分块施工或整体施工的方法（图2-3），先行完成隧道外周部和隔墙的施工，然后掘削内部。
完成大断面的隧道施工。
箱形盾构能实现隧道断面的有效利用，可适用于大断面、大深度的地下空间的开发。
除了以上常用的几种盾构之外，作为盾构掘进技术发达国家的日本根据该国的地质条件和隧道用途，研发出了诸如三圆盾构、偏心多轴盾构、自由断面盾构、球体盾构、DOT盾构、H&
V盾构、母子盾构以及MSD盾构等最新型盾构。
2.3盾构施工工艺
盾构的施工[29]一般是在工作井内进行盾构预备阶段，也就是对盾构进行安装、调试、试运转，将盾构机准确的放置在基座上；
在作业阶段，盾构机沿着预先设计好的轴线掘进施工，一边挖掘一边出土；
在结尾阶段，要准确测定盾构机的位置，调整好方位使盾构机能准确进入接收井内的基座。
以上是盾构施工的关键工序即盾构进出洞，该工序的施工技术直接影响整个工程的质量，如隧道的轴线质量、工程的成败、进出洞环境保护的成效等。
2.4盾构施工优缺点
2.4.1盾构施工的优点
（1）易操作性[30]：
盾构施工过程中由盾构机的出洞、进洞完成整个过程，一边挖掘一边出土，整个过程不需要额外的工作。
（2）弱干扰性：
盾构施工对当地的城市正常功能以及周边环境的影响很小，施工场地小，仅在盾构竖井处需要一定的施工场地以外，隧道沿线均不需要，对施工周围的生活、交通、商业等的影响都很小；
在隧道地上仍然可以设置建筑物、河流等；
对地下的各种埋设物和已有隧道也不产生影响；
施工过程无噪声、震动等施工污染。
（3）功能强大性：
盾构施工不仅应用于地下工程，公路、铁路、输水、输气等各项工程都可以用盾构施工的方法。
随着科技的不断发展，盾构施工的工作领域将越来越大，其功能将越来越多，越来越完善。
2.4.2盾构施工的缺点
（1）适用局限性：
盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造，所以是适合于某一区间的专用设备。
[31]盾构机的适用性差，使得每次施工都需要对盾构机进行改造，根据施工隧道的实际情况，如断面大小、围岩粒径大小、开挖面稳定机理等条件的差异进行重设计和改造。
（2）不可后退性：
盾构施工一经开始便无法后退。
盾构施工过程是一边开挖一边进行管片拼装，而管片的外径小于盾构机的外径，若要后退就需要对管片进行拆卸，管片起着支护的作用，拆卸的危险性是非常高的，另一方面，盾构机的后退也会引起开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。
因此，在进行盾构施工前需要做一系列前期准备工作，对在施工过程中可能遇到的困难和难题首先想好处理措施，如遇到到头磨损的情况可以通过打开隔板上设置的出入孔进入压力舱的方法进行处理。
（3）高精度性：
盾构施工对精度的要求非常之高，管片的制作精度近似于机械制造的程度。
由于断面不能随意调整，因此对管片拼装、轴线的偏离精度都有很高的要求。
2.5盾构开挖引起沉降的效应
2.5.1地表沉降类型
盾构施工引起的地层损失以及扰动后的土颗粒的再固结是引起地层沉降的两个主要原因。
（1）地层损失
地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理论计算的排土体积之差。
地层损失率以地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比来表示。
圆形盾构理论排土体积的计算方法为：
（2.1）
式中：
—盾构外径
L—推进长度
单位长度底层损失量的计算公示：
（2.2）
地层损失主要有以下三类：
①正常地层损失：
正常地层损失主要取决于施工现场的客观条件，而不考虑各种主观因素的影响，这种沉降可以控制到一定的程度，在均质地层中，正常地层损失引起的地面沉降比较均匀。
非正常地层损失：
非正常地层损失主要是由盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失，如各类参数设置不合理、超挖、注浆不及时等主观因素造成的。
非正常地层损失有变化性，但是存在也是可接受的。
灾害性地层损失：
盾构开挖面有突发性急剧流动，甚至形成爆发性崩塌，引起灾害性的地面沉降，如地层水压力大的贮水和透水性强的颗粒状土等不良地质条件。
（2）土颗粒的固结[32]
在初始阶段：
施工所处的地段土体受到挤压而压密，孔隙水压力减少，有效应力增加、孔隙比减小而产生的固结。
施工阶段：
盾构工作面前方如施工压力过大则会隆起，过小则会沉降，孔隙水压力增加；
盾构通过时的施工扰动，盾构与土体间剪切错动而产生的沉降；
盾尾土体由于失去盾构支撑，应力释放而管片背后注浆不及时造成的沉降。
完工后阶段：
工程完成后的很长一段时间都存在土体后续时效变形，这是一个长期的过程。
2.5.2地表沉降的原因
盾构施工时地表沉降的程度和方式与施工方法以及地质条件密切相关，原因[33-34]很多也很复杂，主要以下几个方面：
降水的影响：
盾构机的掘进过程中造成地下水流动和水位降低，使含水层中土的有效应力增加，从而产生固结沉降。
这一现象主要发生于初始沉降阶段。
地层原始应力状态变化的影响：
盾构开挖对土体的原始应力状态不可避免的会有扰动影响，掘进过程中，土体的松动、坍塌、挤压都会导致地层原始应力状态的改变。
土体的平衡状态的破坏而造成沉降或隆起。
这一现象主要发生于盾构开挖面前的变形阶段。
盾构挤压扰动的影响：
盾构机的开挖和掘进过程中都对土体有不同程度的挤压扰动，当盾构掘进遇到需要水平或者垂直纠偏时，就会使周围土体受到挤压扰动，致使地表变形，变形大小与隧道埋深和地层土质都有关系。
这一现象主要发生于盾构通过时的沉降阶段。
管片环变形的影响：
盾构施工后的管片衬砌会在土压力的作用下产生变形，主要是管片之间的防水层和缝隙会被挤压，管片环本身也会产生轻微的变形从而使地表也有少量的沉降。
盾尾空隙填充不足的影响：
盾构挖掘后必须马上对对盾尾空隙进行充填，特别是在不稳定地层的施工中。
充填材料的性能和充填量的大小都会影响地表沉降量及其速度。
施工过程中的纠偏或者弯道施工时的局部超挖，会使盾尾空隙不规则扩大，如果此时不及时进行充填，会导致地表沉降[35]。
这一现象主要发生于盾尾空隙沉降阶段。
地层稳定过程中的长期沉降的影响：
施工完成后的很长一段时间都存在着残余影响，土体应力松弛，蠕变压缩，都会造成地表沉降。
这一现象是长期的过
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2.6地表沉降的计算方法
2.6.1PECK公式对横向沉降槽计算的介绍
Peck[36]通过对大量隧道施工引起的地面沉降实测数据进行了分析，提出了地层损失的概念，在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，认为沉降槽体积等于地层损失的体积，地面沉降的横向分布可用正态分布曲线来描述：
（1）
（2）
其中：
S（x）——距离隧道中心线x处的地表沉降，m；
Smax——隧道中心线处最大地面沉降，m；
x——距隧道中心线的距离，m；
i——沉降槽半宽度，m；
Vs——盾构隧道单位长度地层损失，m3／m．
Peck公式有Vs（地层损失）和i（沉降槽半宽度）2个参数．合理确定这2个参数对于正确预测地面沉降的量值和分布情况起着至关重要的作用．地层损失Vs通常表示为
Vs=Vlπr02（3）
Vl——地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比；
r0——盾构机外径，m．
Vl的取值与地质条件和施工条件密切相关，现有文献资料中对于粘性土中的土压平衡盾构隧道，的取值范围一般为0.5％~2.0％．
0’Reilly等提出，i的取值与隧道轴线埋深Z近似呈线性关系，即i=kZ（Z为隧道轴线的埋深，k为沉降槽宽度系数）．0’Reilly和New通过对一些隧道的实测数据整理，建议粘性土k取0.4、0.6，砂土k取0.25-O.45。
2.6.2纵向沉降计算的介绍
刘建航[37]院士通过对上海市隧道大量实测施工数据的分析和计算，推导出预测隧道纵向沉降的公式[38]，并提出了负地层的概念。
公式表达式如下：
（3）
其中：
S（y）——沿隧道掘进
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