基于机器学习的盾构姿态预测模型与控制方法研究

为避免盾构轴线偏离引发衬砌管片错台、开裂等质量与安全问题,提出一种基于机器学习算法的盾构姿态智能预测模型与控制方法。以盾构掘进施工的实测数据为驱动,通过贝叶斯优化(BO)与支持向量回归(SVR)构建盾构姿态预测模型,挖掘施工参数-地层信息-盾构姿态三者间的非线性关系。结合模拟退火算法(SA)形成可控施工参数动态调整的盾构姿态控制方法,并将其应用于福州滨海快线南—三区间隧道的工程实践。主要结论如下:1)经数据预处理、特征筛选及BO超参数优化,基于SVR的盾构姿态预测模型具备优异的预测性能和泛化能力;2)结合SA算法进行可控施工参数调整时,需设置合理的优化规则,以确保所推荐的可控施工参数具备可操作性;3)将姿态控制方法应用于南—三区间后续掘进施工以辅助纠偏,盾尾垂直偏差在10环掘进过程中由45 mm减至18 mm,实现了连续稳定纠偏。

基于数据驱动的盾构竖向姿态预测深度学习模型

在盾构掘进过程中,竖向姿态控制难度较大,盾体常与设计轴线产生偏差。为解决既有盾构姿态预测模型无法准确提取数据特征和有效去除数据噪声的问题,充分挖掘盾构掘进实测数据时间序列信息,依托合肥地铁7号线耕耘路站—清潭路站区间盾构隧道工程,对收集的掘进数据进行预处理,包括去除停机状态数据及异常数据,提出用于盾构竖向姿态预测的CNN-LSTM组合模型,并将测试集上的模型预测结果与传统回归模型进行对比,最后对不同样本数量及固定网络参数时的模型性能进行研究。研究结果表明:CNN-LSTM组合模型对盾构竖向姿态的预测效果较好,在测试集上的预测平均绝对误差E_(MA)和均方根误差E_(RMS)较低,同时预测的决定系数R^(2)较高,表明模型具有较小的预测误差和较高的预测精度;与ARIMA、LSTM和SVR模型相比,CNN-LSTM模型在测试集上预测的R^(2)分别提高了1.04%、19.75%和79.63%,此外,模型的预测E_(MA)和E_(RMS)较低,并且训练耗时显著降低;不同训练集样本数量对CNN-LSTM模型性能有一定影响,当训练集样本数量与测试集样本数量之比为4:1时,模型预测的R^(2)最高,表明此时模型具有最佳的预测性能;增加训练集样本数量可能导致过拟合问题,降低模型的泛化能力,减少训练集样本数量则可能导致欠拟合问题,使模型在测试集上的预测精度下降;固定部分网络参数可以有效减少训练参数量和训练时间,同时提高模型的预测精度,当固定4层网络参数时,模型预测性能最佳,预测的R^(2)为0.93,预测的E_(MA)和E_(RMS)分别为0.029和0.048,训练耗时为46 s。

新建隧道近接上穿对既有盾构隧道纵向变形的影响

新建隧道近接上穿将诱发下卧盾构隧道隆起变形,预测既有盾构隧道位移发展对近接上穿施工控制和既有盾构隧道保护具有重要意义。基于两阶段法,提出新建隧道近接上穿引发既有盾构隧道纵向位移解析解;通过可考虑环间接头弱化的非连续盾构隧道模型模拟既有盾构隧道,采用Riftin地基考虑盾构隧道-土层相互作用,同时通过Mindlin经典解得到新建隧道开挖卸载应力,并作用于既有盾构隧道之上,建立新建隧道上穿作用下既有盾构隧道纵向变形解答;通过将杭州圆形顶管隧道上穿既有地铁1号线、上海地铁8号线隧道上穿既有地铁2号线两个工程案例实测值与本文方法和常用Euler-Bernoulli(EB)等效连续梁模型计算结果进行对比,验证本文方法的合理性。研究结果表明:本文方法和EB连续梁模型预测的隧道纵向位移均接近实测值;本文方法预测的隧道弯矩和接头张开量均大于EB连续梁模型;但EB等效连续梁模型预测的纵向位移曲线整体呈现为光滑连续,而本文方法预测的位移曲线是由一系列短直线连接而成,在接头处存在“尖点”。

基于深度学习的盾构机土舱压力场预测方法

土舱压力是盾构机受力状态和掌子面稳定等核心问题中的关键因素。土舱压力具有显著的空间变异性,其形成演化机制源于装备与岩土之间的复杂耦合作用,与地质特征、掘进参数等多源参数相关。然而,现有土舱压力预测方法一般未考虑空间分布特征或地质参数影响。针对该问题,提出了一种基于空间分布物理特征函数导引深度学习的盾构机土舱压力场预测方法。该方法构建物理特征函数用于解耦土舱压力空间分布特征,采用卷积神经网络和门控循环单元分别提取多源参数历史信息的空间特征和特征系数的时序特征,结合多源参数实时信息对特征系数进行预测,从而实现土舱压力场的预测。以长沙地铁四号线某区段为案例,利用该方法准确预测了土舱压力空间分布实测数据,准确率高达0.98,验证了所提方法的有效性。敏感性分析表明,不同地层中土舱压力空间分布特征系数的主要敏感参数基本一致,但其敏感度随地层地质条件的变化规律差异显著,可为复杂地层盾构机土舱压力精细化调控提供参考。

盾构衬砌数字化设计平台的开发与应用研究

为了对盾构隧道结构设计过程进行降本增效,基于SaaS模式和B/S架构开发了一个Web端的盾构衬砌辅助设计平台(TIM-SAP)。TIM-SAP面向盾构衬砌结构设计业务进行功能交互设计和算法开发,基于生成式建模、网格划分、结构计算、渲染后处理等模块设计程序流程、函数及其调用接口。TIM-SAP能提供衬砌建模、衬砌拼装、隧道建模、荷载计算、横向结构计算、纵向结构计算、衬砌配筋和衬砌出图共8个功能,覆盖建模、计算、配筋、出图的相关作业。其功能模块开发主要用到的技术包括面向B-rep的参数化建模、基于KNN的围岩解析、参数化结构计算和基于RF的配筋方案生成。先通过武汉地铁12号线工程算例对TIM-SAP进行计算结果的调试,然后在武汉新港线盾构隧道设计工程进行了项目应用。研究结果表明,现有成熟的土木工程设计功能模块可以被进一步地集成以实现数字化设计平台和系统的开发。基于算例进行功能调试后,TIM-SAP的计算结果能与现有软件保持一定吻合。结合项目应用情况,TIM-SAP能免去复杂的网格处理、收敛优化、检索查表等操作过程,并提供“一键”生成式建模以支持设计文档中的附图和三维表现。经过与现有软件的操作对比,TIM-SAP减少设计人员的8~60 min工作耗时。该研究成果能提升地下工程的数字化、自动化设计水平。

富水砂层中盾构始发穿越既有地铁线路的结构稳定性研究

[目的]富水砂层地质条件下,新建地铁线路盾构始发穿越既有地铁线路时,对既有地铁线路结构稳定性的研究较为鲜见,需总结类似工程的相关规律。[方法]以新建的郑州地铁7号线黄河迎宾馆站—英才街站区间盾构始发穿越既有地铁2号线结构工程为依托,根据实际工况采用有限元软件MIDAS GTS NX建立了施工区间的三维数值模型,并利用软件的结果提取功能得到了该工程对应模型的模拟结果。选取现场2个监测点位,将2个测点的现场实测值与模拟计算值进行对比,证实了该模型的准确性。在此基础上,进一步研究了盾构始发穿越、一般下穿施工两种穿越方式下对既有地铁线路结构稳定性的影响,以及始发洞门与既有地铁结构间竖向距离d的4个取值对既有地铁线路结构稳定性的影响。[结果及结论]所建三维模型在一定程度上可反映实际工况。在既有地铁线路结构、材料、加固方式等因素均不变的情况下,既有地铁线路结构的稳定性因穿越方式的不同而有所差异,与一般下穿施工相比,采用盾构始发下穿方式时对既有地铁线路结构的影响较小。采用盾构始发下穿方式时,d的取值不同,对既有地铁线路结构稳定性的影响有较大差异。d=2.00 m对既有地铁线路结构的影响较小,工程成本也较小。建议在工程条件允许下采用盾构始发下穿方式,且推荐d值取2.00 m。

成都平原地区大直径盾构选型研究

为满足成都平原地区大直径盾构隧道建设需求,本文基于已建紫瑞隧道和锦绣隧道盾构选型经验,依托在建成渝中线铁路蜀安隧道工程,研究了大直径盾构选型问题,给出了盾构机适应性配置建议。研究结果表明:(1)土压平衡和泥水平衡均可适用于成都平原地区大直径盾构隧道修建;(2)当穿越地层以泥岩为主时建议优先选择土压平衡盾构;对于局部存在高水压或强透水地层地段,可辅以地表降水+注浆加固后采用土舱上部注浓泥浆保压掘进土压平衡模式;当泥岩和砂卵石地层长度相当时,建议优先选择泥水平衡盾构或土压-泥水双模盾构;当穿越地层以砂卵石为主时,建议优先选择泥水平衡盾构;(3)城区大直径盾构隧道对地层变形控制要求高,建议盾构机预留同步注双液浆和盾体外注克泥效等惰性浆液功能。

盾构法隧道施工技术发展和管理重点探讨

针对盾构施工过程中面临的各类装备、施工和管理难题,结合工程实践,总结近10年来国内外盾构法隧道建造过程中装备关键成果,包括常压换刀技术、刀具状态智能诊断技术、刀盘刀具磨损监测技术、主轴承密封技术、主驱动伸缩摆动技术、推进油缸自由分组技术等;以及盾构施工关键技术成果,包括盾构智能掘进技术、带压施工技术、钢套筒盾构始发技术等。同时,分析盾构施工中遭遇的主要难题,如刀盘损坏、主轴承损坏、线路超限等,并从施工技术管理、设备管理、施工过程管理、风险应急管理4个方面,提出盾构施工管理重点。基于上述分析,认为盾构法隧道呈现出以下发展趋势:1)采用多模式盾构修建隧道已成为趋势;2)异形盾构成为地下空间开发的一种新选择;3)智能建造将逐步成为盾构隧道发展的趋势。

中国大盾构首次掘进至海底100米

日前,深江铁路珠江口隧道迎来新进展,“深江1号”盾构机已掘进至海平面下100米深处,这是中国大直径盾构隧道施工中首次掘进至海底100米以下深度。珠江口隧道全长13.69千米,是深江铁路重点控制工程。隧道工程水文、地质极其复杂,下穿多条主航道,隧道最大埋深106米,海水水压10.6巴,为目前我国最大埋深、最大水压的水下隧道,也是世界最深海底高铁隧道。“深江1号”盾构机,采用双盾壳设计,设置4道加强型盾尾刷,整机最大耐压能力达12巴,在国内尚属首次,大大提高了盾构施工在海底超高水压下的适应能力。

机器学习方法在盾构隧道工程中的应用研究现状与展望

随着盾构隧道工程信息化水平的提升,隧道掘进设备作业过程监测技术日益完善,记录的工程数据蕴含了掘进设备内部信息及其与外部地层的相互作用关系。机器学习因其数据分析能力强,无需先验的理论公式和专家知识,相较于传统的建模统计分析方法具有更大的应用空间。通过机器学习方法对收集的信息与数据进行深度挖掘并分析其内在联系,有助于提升盾构隧道工程建设的效率和安全保障水平。简述机器学习方法的基本原理,总结和分析机器学习方法在盾构工程中的应用研究状况,综述基于机器学习的盾构设备状态分析、盾构设备性能预测、围岩参数反演、地表变形预测和隧道病害诊断等5个方面的进展,并分析当前研究的不足。最后,分析盾构隧道工程向智能化方向发展需重点攻克的难题。

超大直径盾构下穿高铁路基的沉降数值分析

为探究超大直径盾构隧道下穿城际铁路路基沉降规律,以中国武汉两湖隧道工程为例,基于Plaxis有限元软件,建立了铁路路基-土体-隧道的三维精细化数值模型,探讨盾构掘进过程中地层损失率、开挖面支护压力、盾尾注浆压力对隧道上方城际铁路路基沉降的影响.结果显示,盾构下穿复合地层的过程中,高铁路基道砟层表面在盾构掘进方向上会发生不同程度的沉降;当盾构掘进引起的地层损失率从1.0%增加到1.6%时,铁路路基的最大沉降从18.86 mm增加到22.71 mm,增大了20.4%;当开挖面支护力处于隧道拱顶侧向静止土压力的0.7~1.4倍时,不同工况下盾构掘进引起的铁路路基变形差异较小(小于0.67 mm);注浆压力对铁路路基的沉降影响明显,随着注浆压力增大,铁路路基的沉降明显减小.当隧道拱顶注浆压力增大到拱顶侧向静止土压力的3倍(648 kPa)或以上时,沿铁路路基的最大差异沉降未超过规范要求(≤5 mm/10 m).研究结果可为超大直径盾构下穿高铁路基时掘进参数的设置提供参考.

长江盾构穿越工程主体工程完工

2024年5月3日,江苏南通中俄东线天然气管道关键控制性工程——长江盾构穿越工程完成管道敷设,主体工程全面完工。中俄东线长江盾构穿越工程,隧道水平长度约为10.226km,管道埋深最深处距离江面超60m,隧道内径达6.8m,是目前世界油气领域单向盾构掘进距离最长、埋深最深、口径最大、施工条件最复杂的油气管道穿江盾构工程。

双龙过江超大直径盾构穿越珠江水系

近日,随着西线“大道先锋号”盾构机刀盘破洞而出,顺利抵达接收工作井,广东广州海珠湾隧道工程盾构隧道段实现双线贯通,标志着项目建设取得阶段性重大进展。在建设过程中,项目还创下多项“全国首例”,其中包括:承建国内首条在复杂红层地质连续穿越密集建筑群的超大直径盾构隧道;顺利完成国内首例最大规模超大直径盾构磨群桩施工;在全国范围内首次对同个项目分别采用常压和常规两种刀盘进行双线掘进施工。

半盖挖法下地铁盾构始发平移施工技术研究

半盖挖法是目前地铁车站基坑施工常用的施工工艺之一,能够有效保证地面交通的正常通行,但同时也导致采用半盖挖法处的车站基坑盾构始发困难。因此,依托山东省济南市地铁4号线燕山立交桥东站的盾构始发施工,针对盾构机等大型机具的吊装下井、盾构机组装和井下平移等环节进行了分析;总结了盾构机吊装、平移的施工步骤,确定了平移轨道的铺设以及平移托架的布置等施工技术要点,验算了平移托架以及顶推油缸的作用力与承载力;同时进行了风险因素分析,提出了盾构机在吊装时出现高空坠落、平移时出现倾覆或机械伤害时的应对措施。该盾构机井下平移方案对于类似大直径盾构始发施工具有参考意义。

武汉地铁12号线首个穿越长江盾构区间贯通

2024年5月30日9时58分,国内在建最长的地铁环线——武汉轨道交通12号线首个穿越长江盾构区间胜利贯通。隧道采用国产大直径泥水盾构机“江城先锋号”掘进施工,自2022年5月在汉阳国博中心南站始发,到2024年5月在洪山区凌吴村站安全接收,这是武汉地铁建设史上首次采用国产大直径盾构机下穿长江。

盾构设备及其应用概述

盾构机是盾构施工重要的机械设备,在城市地下轨道交通建设中发挥重要作用,文章主要概述了盾构机及其重要组成部件,其中包含不同盾构机的类型和其适用的地层条件以及不同盾构刀盘的结构形式、适用地层、优缺点,不同盾构刀具的类型、适用地层、优缺点等。

深埋富水泥质粉砂岩地层泥水与土压平衡盾构施工分析

通过分析深埋富水地层泥水盾构与土压盾构掘进影响因素,针对影响因素采取针对性措施,克服土压平衡盾构在深埋富水地层中螺旋机易喷涌、设备易出现故障、出渣困难、渣土处理困难的难题;克服泥水平衡盾构在深埋富水地层中环流不畅、结泥饼的难题。通过对比分析及实际验证得出在深埋富水地层中泥水平衡盾构更具优势的结论,采取的措施及在此类施工工况下盾构设备选型可供类似工程进行参考。

盾构隧道下穿高铁路基变形影响规律及加固优化研究

为研究盾构隧道下穿高铁路基施工时对路基的影响规律,探究在隧道开挖过程中运用不同加固措施对既有高铁路基的影响程度。以西安市某地铁工程为依托,利用室内模型试验对比分析盾构隧道下穿高铁CFG桩复合路基过程中,无加固、超前管幕工法加固与地表袖阀管注浆加固3种隧道施工条件下,地表沉降值和沉降槽的空间分布规律;采用数值模拟分析验证超前管幕工法加固工况下盾构隧道下穿时,高铁路基、道床的位移变化规律。室内模型试验结果表明:盾构隧道施工中采用管幕工法加固后复合地基正上方的地表沉降最大值减小28.6%,采用袖阀管注浆加固后减小18.0%,并且采用两种加固措施后的CFG桩最大附加轴力均减小20%以上。因此,在隧道掘进过程中采用一定加固措施,可改善围岩稳定性,其中管幕工法加固效果更为显著。数值模拟分析表明:采取管幕工法加固施工与不采取加固措施相比,路基最大沉降量减少33.78%,道床最大沉降量减少45.08%。因此,管幕工法加固能够有效减小对既有高铁路基的影响。

联络通道施工盾构机接收对已建盾构隧道影响试验研究

联络通道机械法施工中盾构机接收对已建盾构隧道受荷变形影响机制暂不明确问题,通过设计1∶10的缩尺模型试验,开展了联络通道机械法施工中盾构机接收对已建盾构隧道影响试验研究。试验结果分析表明:联络通道机械法施工时,盾构机开挖面附加水平土压力将导致接收端已建盾构隧道对侧的土压力在中部有显著的增大,而两端则减小,即导致顶推对侧发生了水平被动土拱现象;在中间附加水平土压力作用下,隧道在中间发生了显著的竖椭圆变形,而在两端则发生了一定的横椭圆变形;隧道中间发生竖椭圆变形对上下地层形成挤压,在竖向上同样形成了被动土拱现象;隧道纵向挠曲变形时出现了一定的反弯现象。盾构隧道作为地层中的管状结构物,在地层中纵向变形分析时需要考虑横断面变形的影响。

大直径盾构隧道纵向刚度增强措施研究

为研究不同环缝接头结构对盾构隧道纵向刚度的增强效果,采用等效连续化模型计算得到断面直径对隧道纵向拉压、纵向抗剪和纵向抗弯刚度的影响规律,将隧道纵向刚度增强措施与管片环缝接头结构相联系,采用数值模拟深入探究了9种环缝接头结构的力学性能,对比得到增强隧道纵向刚度效果最优的环缝接头结构。结果表明:直径对纵向拉压和纵向抗弯刚度影响较小,对纵向抗剪刚度影响较大;环缝接头刚度增强措施能够显著减小管片位移,提高隧道纵向刚度,提升效果为:斜螺栓>弯螺栓,定位榫>剪力销>凹凸榫;螺栓型式和纵向刚度增强措施均对螺栓最大剪切应力有较大影响,竖向荷载下受螺栓型式影响较大,水平向荷载下受管片环缝接头刚度增强措施影响较大;结合经济性和有效性,当接头螺栓为弯螺栓时,设置定位榫是一种相对较优的选择。