基于多域物理信息神经网络的复合地层隧道掘进地表沉降预测

复合地层中盾构掘进诱发地表沉降的准确预测是隧道工程安全建设与施工决策的关键问题。基于隧道施工诱发地层变形机制构建隧道收敛变形与掘进位置的联系,并将其耦合至深度神经网络(deep neural network,简称DNN)框架,建立了预测盾构掘进诱发地层变形的物理信息神经网络(physics-informed neural network,简称PINN)模型。针对隧道上覆多个地层的地质特征,提出了多域物理信息神经网络(multi-physics-informed neural network,简称MPINN)模型,实现了在统一的框架内对不同地层的物理信息分区域表达。结果表明:MPINN模型高度还原了有限差分法的计算结果,可以准确预测复合地层中隧道开挖诱发的地表沉降;由于融入了物理机制,MPINN模型对隧道施工诱发地表沉降的问题具有普适性,可应用于不同地质和几何条件下隧道诱发地表沉降的预测;基于工程实测数据,提出的MPINN模型准确预测了监测断面的地表沉降曲线,可为复合地层下盾构掘进过程中地表沉降的预测预警提供参考。

基于物理信息神经网络的盾构隧道诱发地表沉降预测

地表沉降是城市复杂环境下盾构隧道施工重点关注的问题。传统机器学习方法在预测隧道施工诱发地表沉降时忽略了其内在的物理机理,存在对训练样本需求量较大的弊端。基于深度神经网络(deep neural networks, DNN)对Verruijt-Booker解的围岩位移因子进行修正,构建地表沉降与隧道开挖面空间位置的关联。将修正后的Verruijt-Booker解的物理方程耦合至另一并行的DNN框架中,构建数据-物理双驱动的物理信息神经网络模型(physics-informed neural networks, PINN),从而约束神经网络在满足物理机制的空间中进行训练。算例分析的结果表明:在同等配置的条件下,提出的PINN模型的预测效果显著优于单一数据驱动的传统DNN模型,其外推泛化性能得到显著提升。工程应用的结果表明:PINN模型可以利用施工前期的实测数据,准确预测后续施工过程中开挖面在不同位置时监测断面的地表沉降值。提出的方法有助于提高盾构隧道施工过程中地表沉降控制的智慧化程度,可为工程的潜在风险及施工决策提供预警和指导。

基于数据驱动的盾构施工拱顶沉降研究

在城市地铁盾构法施工过程中,盾构机姿态较难控制,文章依托深圳地铁某工程,将数据驱动运用到土木工程领域,挖掘数据中蕴含的工程价值,整理了衬砌管片变形监测数据,再将工程数据做可视化处理,分析变形量的最大值,得到了整个区段净空收敛和拱顶沉降的规律和特点,分析区段净空收敛和拱顶沉降最大值、最小值和平均值以及曲线走势,得到净空收敛和拱顶沉降在同一断面位置上的数据近似相等,在曲线趋势上呈现一致性的变化规律。横向对比地质条件接近的左、右线的衬砌变形数据,可知同类项的地层下,净空收敛和拱顶沉降变形的三值接近,并无明显差异。文章根据盾构穿越的不同地层,分析净空收敛和拱顶沉降的规律,得到整个区间净空收敛和拱顶沉降变形的规律和特点,同时发现隧道在穿过不同地层时,净空收敛和拱顶沉降变形量会与地层有关,并提出了在盾构施工穿越风化花岗岩、风化含砾粗砂岩和中粗砂时,适合当前施工和量测技术水平的衬砌变形中净空收敛和拱顶沉降的建议控制值。

跨模态特征融合模板驱动的盾构隧道管片孔缝智能识别

基于点云的隧道数据处理方法已逐步替代人工用于盾构管片接缝识别中。但常规点云处理算法提取螺栓孔和接缝时会存在因附属设施遮挡造成错误识别的问题,导致目标识别精度降低。针对此问题,以广州2003年开通的某地铁线路某段地铁隧道数据为例,提出一种跨模态特征融合模板驱动的盾构隧道孔缝识别方法。首先将隧道断面点云的几何中心作为视点,以扫描测线为单元进行逐测线投影生成隧道二维图像;然后通过Canny边缘检测和Hough变换缓冲识别纵缝,对二维图像进行环片分割,并基于双模板匹配实现盾构环分类,依据环片模板进行螺栓孔和横缝的粗定位;最后利用螺栓孔点云DBSCAN聚类后的中心坐标对环片模板进行精校正,实现盾构隧道管片孔缝智能识别。研究结果表明:该方法在附属设施遮挡干扰等情况下能较好地实现孔缝精确识别。其中,设计的基于局部形态特征双模版驱动的盾构环片分类方法,可实现盾构环片的精确分类;设计的顾及盾构管片空间位置关系的孔缝识别方法,可有效提升孔缝识别精度。在识别率与耗时相近的情况下,本方法比同类方法识别精度更高,平均偏差更少,具有更好的准确性和鲁棒性。该方法将盾构隧道三维点云和二维点云投影图像进行数据特征融合的同时,能够顾及局部形态特征凭借双模板实现盾构环片的精确分类以及依据盾构管片的空间位置关系进一步提高孔缝识别精度。研究结果为进一步自动化精准识别盾构隧道接缝和螺栓孔目标信息提供参考。

盾构隧道微扰动施工控制技术体系及其应用

为控制盾构隧道施工对周边建(构)筑物(群)的扰动影响,确保施工沿线的建(构)筑物(群)处于良好的服务状态,建立了盾构隧道的微扰动施工控制技术体系,该技术体系由施工前的查勘预测与抉择、施工过程中的监控量测与反馈控制和施工结束后的长期预测与控制三部分构成。施工前的查勘预测与抉择是基础,包括周边环境与场地的查勘、微扰动指标的制定、辅助保护措施的抉择及施工前的扰动预测等内容;施工过程中的监控量测与反馈控制是核心,由监控量测和动态反馈控制构成;施工结束后的长期预测与控制是延伸,是验证施工扰动程度和控制施工工后沉降的关键,在流变现象严重的地区尤为重要。微扰动施工控制技术体系在上海轨道交通11号线下穿越重要历史建筑物工程和10号线下穿越机场跑道工程中的成功应用,表明了该技术体系的正确性和重要性,为今后盾构隧道下穿越工程的施工控制提供了借鉴和参考。

盾构隧道衬砌结构的壳–接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳–接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳–接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳–接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。

大直径泥水盾构下穿地铁挡墙路基沉降控制

为研究泥水盾构双洞先后下穿施工影响下既有挡墙式路基的沉降控制措施,依托京沈客专望京双洞盾构隧道施工下穿北京机场线路基工程,通过分析现场监测数据及盾构施工参数,在阐明了路基的沉降规律基础上,总结了控制沉降的盾构施工参数调控和注浆加固、沉降补偿的经验.研究结果表明:掘进各参数间、泥浆各参数间的关联密切;合理且较高的顶推力和泥水压力、较高比重和黏度的浆液可确保在地层扰动小的情况下盾构快速通过穿越段;理论注浆量2.5倍的同步注浆量和大于泥水仓压力0.15~0.2 MPa的注浆压力可确保盾尾建筑空隙充填密实;地表预注浆充分改良加固了地层、适度抬升了路基,注浆压力1.2 MPa的地表跟踪注浆及时有效地抑制、补偿了路基沉降,注浆压力1.2 MPa和速度100 L/min的隧洞内加强注浆减小了路基工后沉降.

盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施

讨论了盾构施工对周围建筑物的安全影响 ;分析了盾构通过建筑物时的组织方法 ;论述了盾构施工影响区域的划分和对建筑物影响进行预测的手段 ;提出了盾构通过建筑物时的施工控制参数和常见的工程处理措施。笔者就盾构施工引起的建筑物安全问题及其应对措施进行了论述和总结 ,为工程技术人员提供了有益的参考。

新建隧道盾构下穿施工对既有隧道影响的三维数值模拟

采用三维有限元方法对新建隧道盾构下穿施工过程进行了动态模拟,分析了新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道位移、应力的影响;进而探讨了不同的隧道覆土厚度、隧道间相对距离及土体强度下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道位移的影响。结果表明:新建隧道盾构正交下穿施工引起既有隧道位移方向朝向新建隧道方向发展,既有隧道位移以纵向沉降为主,沉降曲线符合正态分布;盾构下穿引起的既有隧道正应力变化较大;隧道覆土厚度、隧道间相对距离和土体强度对隧道间相互作用有较大影响,应引起足够的重视。

盾构近距下穿既有地铁盾构隧道施工参数控制

为研究盾构下穿既有盾构隧道时施工参数的合理取值,以北京南水北调东干渠工程盾构隧道穿越既有地铁盾构隧道施工为依托,通过对既有隧道沉降的数值模拟和现场监测数据、盾构施工参数的分析,讨论了既有左右线隧道沉降存在差异的原因,总结了控制沉降的施工参数经验,阐述了既有隧道受穿越施工扰动的沉降规律,提出并验证了盾构隧道病害整治的方法.研究结果表明:受盾构施工参数的影响,既有左线隧道沉降23.9 mm,而右线仅沉降4.8 mm,沉降差异明显,但规律基本一致;盾构施工时,土仓压力调整级差不宜大于0.005 MPa,严格控制同步注浆压力在0.50 MPa,二次补浆压力在0.20~0.35 MPa,曲线段适当减缓掘进速度;已投入运营的地铁维修作业时间短,宜通过化学注浆治理管片接缝和螺栓孔处的渗漏水,压力注胶充填树脂治理道床裂缝.

通缝拼装盾构隧道横向刚度有效率计算方法及其影响因素

基于盾构隧道横向刚度有效率的定义,推导根据管片纵缝接头刚度解析通缝拼装盾构隧道横向刚度有效率的计算公式,并以实例验证该计算公式的可行性。通过反演分析结果,阐明隧道所处地层的土体力学性能和隧道埋深对盾构隧道横向刚度有效率的影响机制。利用该计算公式分析多个单因素对横向刚度有效率的影响。结果表明:管片环的直径越大,盾构隧道的横向刚度有效率越大;管片截面的抗弯刚度越大、管片纵缝接头刚度越小、管片环分块数量越多,盾构隧道横向刚度有效率越小;盾构隧道横向刚度有效率不仅表征了管片纵缝接头对隧道横向刚度削弱的程度,也反映了管片纵缝接头转动变形而导致的管片环横向变形所占管片环横向总变形的比例,此比例越大,盾构隧道横向刚度有效率越小;反之亦然。

三管盾构隧道下穿铁路引起的地表位移及其控制技术

采用三维数值模拟方法,结合上海轨道交通9号线R413标段,进行三管并行盾构隧道近接下穿南新环铁路引起的地表位移及其控制技术研究。数值分析中,利用温度升降产生的膨胀和收缩效应模拟注浆压力和压力的消散,使得分析过程在力学效应上更接近盾构施工的工作状态。引入轨道高低偏差值来控制地表位移。研究结果表明:地层加固前,各隧道施工时地表的横向位移有明显的叠加效应,距离越近,效应越明显,且最大位移值已超过限值;当采用分块注浆加固地基并配合旋喷桩施工的地层位移控制技术后,地表位移得到有效的控制,现场沉降实测结果验证了控制技术的有效性,确保盾构隧道安全下穿铁路和列车的安全运营。

盾构掘进地面沉降虚拟镜像算法

盾构掘进所致地面沉降的准确预估,对于邻近建(构)筑物的保护至关重要。假定土体为均质各向同性半无限空间不可压缩弹性体,基于虚拟镜像技术,推导了在隧道边界土层不同收敛模式下的地面沉降计算公式,计算结果比数值积分算法更接近实测。由于实际土体具有各向异性、成层性和可压缩性,本文算法与数值积分算法均高估了横向地面沉降槽宽度。引入沉降槽宽度修正参数对理论公式进行修正,修正算法计算结果更符合实际,可简单可靠地估算盾构隧道施工地层损失引起的地面沉降。

基于管片错台的通缝拼装盾构隧道纵向变形安全评估

以上海软土地区通缝拼装地铁盾构隧道为研究对象,根据隧道管片环缝接头处的详细构造,对管片错台模式下的隧道纵向变形进行了研究,建立了隧道纵向结构变形安全评估方法,确定了相应的控制准则和评估流程,形成了一套隧道结构纵向变形的安全评估体系。

盾构法隧道施工的精细模拟

在分析了现有的部分细节仿真中存在问题基础上,提出在盾构开挖面前方设置开挖卸荷单元,来模拟开挖面土体的三维移动,改进了千斤顶推力的施加方法。通过施加已知结点位移模拟刀盘超挖和盾尾脱空引起的地层损失,并通过设置横向和纵向三维 Goodman 接触面来模拟盾构前行、盾尾脱空及注浆作用下土体与结构间的接触。利用推荐的方法对一算例进行分析。结果证明了模拟方法的合理性。

盾构法与明挖法结合建造地铁车站的结构方案研究

盾构扩挖法建造地铁车站能够很好地解决地铁建设中盾构过站的问题。选取北京地铁10号线三元桥车站自起始里程18.6 m范围作为试验段,开展盾构法与明挖法结合建造地铁车站的结构方案研究。根据三元桥车站试验段的地理位置和建筑结构设计要求,进行塔柱式和立柱式共4种车站型式的结构设计,比选后推荐采用2.5 m侧站台立柱式车站结构方案。对该新型地铁车站结构设计中的关键问题,即特殊管片结构以及管片与车站主体结构连接的节点设计进行详细探讨,同时对结构防水方案进行研究。该结构方案符合国内目前的盾构技术和经济水平,为后续的研究工作奠定良好的基础。

盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析

以北京地铁10号线9标段盾构法开挖隧道穿越城铁13号线芍药居车站工程为依托,采用三维有限差分软件FLAC3D对盾构施工过程进行数值模拟,分析盾构穿越既有结构时对其沉降的影响规律。研究结果表明:既有线车站结构的沉降随地基变形模量的提高而减少,且沉降趋势逐渐变缓;既有结构最大沉降增大的速率比围岩荷载释放率增大的速度快;增大开挖面的控制压力,可有效减小既有结构的沉降,但过大的控制压力会使前方土体隆起,产生负地层损失,并且随着开挖面控制压力的提高,差异沉降明显增大。通过施工参数的优化可以减小既有结构的沉降,达到保护既有结构的目的。

卵石地层中地铁盾构近距下穿盾构隧道施工沉降控制

为研究卵石地层条件下盾构下穿施工时既有盾构隧道的沉降特征及其控制措施,依托北京地铁16号线盾构下穿既有地铁4号线盾构隧道工程,通过分析既有隧道沉降的数值模拟结果,结合现场监测数据和盾构施工参数,探讨了盾构的适应性改造,总结了隧道沉降的规律,阐明了调控盾构施工参数的经验。研究表明,为适应卵石地层条件,盾构须提高构件耐磨性、增设注浆及泡沫系统;既有隧道沉降在盾构通过时变化较大,而在盾构到达前和通过后变化较小,且盾构施工的再次扰动影响显著;为有效地控制既有隧道沉降,盾构施工参数应根据监测数据实时调控,保持较高的土仓压力和顶推力,通过提高注浆压力确保注浆质量。

基于蚁群算法的地铁盾构隧道长期沉降预测

在软土地区,投入运营的地铁盾构隧道会因各种原因产生对隧道结构内力、变形、接头防水以及隧道正常运营不利的纵向不均匀沉降。由于影响因素复杂,目前尚无可行的沉降预测模型。本文在对上海地铁1号线某区间沉降实测数据分析的基础上,采用具有较强鲁棒性、优良的分布式计算、易于与其他方法相结合等优点的蚁群算法,综合考虑各因素对沉降影响的整体效果,利用隧道实测的纵向累积沉降量、累积沉降差分别构造信息函数和启发函数,建立地铁盾构隧道长期沉降预测模型。预测结果表明,该方法不仅可行而且与实际量测数据吻合较好。

双线盾构顺序下穿铁路箱涵的实例研究

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,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对地表沉降的影响,以及顺序盾构掘进对既有铁路箱涵沉降的影响;结合现场实测结果,获得了双线盾构顺序穿越铁路箱涵过程中地表沉降的变化规律。结果表明:顺序掘进两条平行隧道时,地表沉降量最大值出现在两条隧道中心线偏向后行隧道约D/2的位置;后掘进隧道盾尾建筑空隙产生的沉降比小于先行掘进隧道;双线隧道顺序下穿铁路箱涵使箱涵本身的沉降曲线出现两次较为明显的沉降段和稳定段;实例分析证明,数值模拟方法和控制措施合理有效,有一定的实用价值。