王文建

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司, 武漢　430073)

?

地鐵區(qū)間盾構管片收斂位移控制標準研究

王文建

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司, 武漢430073)

摘要：結合杭州地鐵1號線某區(qū)間工程,為確保區(qū)間隧道施工和運行期的安全,采用理論分析和數(shù)值模擬的研究方法,對管片變形的安全評價方法進行研究,利用收斂位移量測數(shù)據(jù),采用智能反演分析方法得到管片作用荷載,結合梁-彈簧模型進行有限元計算,得到管片的內(nèi)力(彎矩)值。最終基于管片結構極限狀態(tài)下的變形量,提出以收斂位移作為管片安全評價的新判據(jù),并給出了管片收斂位移的控制標準。

關鍵詞：地鐵；盾構管片；收斂位移；控制標準

1概述

盾構施工的區(qū)間隧道采用鋼筋混凝土預制管片作為永久支護結構，管片的安全性直接關系到隧道施工期和運行期的安全。以往的管片安全評價是以管片的強度標準來進行的，相應的設計方法是工程類比與力學分析方法，即從“荷載-結構”模型出發(fā)，通過荷載結構法或地層結構法來計算管片的結構內(nèi)力，并以此作為管片設計的參考依據(jù)以及管片施工和運行期安全評價的標準[1]。這種方法雖然能評價管片在施工及運行期的安全，但這種通過直接計算管片結構內(nèi)力的方式，不便于指導施工。

本文抓住“管片變形信息”這一關鍵因素，提出以管片監(jiān)控量測信息為核心的綜合評價方法。提出了盾構施工隧道管片安全評價的新判據(jù)，即通過現(xiàn)場量測到的收斂位移作為評價管片安全新的判據(jù)。在地下工程測試中，管片收斂位移量測是最有意義和最常用的項目，這種方法穩(wěn)定可靠、簡便經(jīng)濟。把盾構施工過程中監(jiān)測所獲得的信息加以處理，與工程類比法相結合，建立這一必要的安全判據(jù)。在盾構施工過程中借以直接利用收斂位移量測結果(經(jīng)回歸分析)，對管片的安全性做出評價，并及時調(diào)整設計及施工方案，對保障隧道的安全、順利施工和優(yōu)化工程措施、提高我國地鐵區(qū)間施工的科學技術含量，具有十分重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

2管片收斂位移的量測與數(shù)據(jù)的處理

(1)

(2)

(3)

將式(2)，式(3)代入式(1)即可得測點i~j之間的收斂位移值。

圖1　收斂位移測線示意

在實際工程中，通過位移量測得到的是兩測點之間的收斂位移值，而不論是采用結構力學法還是有限單元法，計算得到的都是各個截面或節(jié)點的變形值，通過式(1)，式(2)，式(3)可以建立兩個測點的變形值與兩測點間收斂位移值之間的關系。

量測數(shù)據(jù)由于偶然誤差的影響使其具有離散性，根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制的變形隨時間而變化的散點圖出現(xiàn)上下波動，難以據(jù)此進行分析，必須應用數(shù)學方法對量測所得的收斂位移數(shù)據(jù)進行回歸分析，找出管片變形隨時間變化的規(guī)律[2]。

3管片收斂位移值確定

當隧道變形超過一定限度時，將會影響隧道正常使用(限界和防水要求等)甚至危及隧道結構安全，工程實際中通常采取必要的措施將裂縫控制在允許限度之內(nèi)[3]。通過理論分析找出管片應力和應變之間的聯(lián)系，確定管片變形的允許極限值，作為管片安全評價的依據(jù)。管片截面受力如圖2所示，管片裂縫寬度示意如圖3所示。

圖2　管片截面受力

圖3　管片裂縫寬度示意

管片按純受彎構件考慮，裂縫計算式如下[4]

(4)

式中，α1為構件受力特征系數(shù)；α2為鋼筋表面形狀系數(shù)；α3為荷載長期作用影響系數(shù)；h0為截面有效高度；Es為鋼筋彈性模量；c為最外排縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離，mm；d為受拉鋼筋直徑，mm；ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率；Ate為有效受拉混凝土截面面積；As為受拉區(qū)縱向鋼筋截面面積；σsl為按荷載效應的長期組合計算的構件縱向受拉鋼筋應力；Ml為由荷載標準值按長期組合計算出來的彎矩值。

取位于管片上半部的四分之一環(huán)進行分析，忽略軸向力引起的變形，只考慮管片受彎狀態(tài)下的變形，如圖4所示。

圖4　管片拱腰處的變形計算簡圖

根據(jù)結構力學方法，可推導拱腰處節(jié)點變形的計算公式。

x方向變形公式

(5)

y方向變形公式

(6)

通過式(5)、式(6)可求得節(jié)點的變形值，代入式(1)、式(2)、式(3)可求得兩拱腰間的收斂位移值。

4管片安全判定過程

4.1數(shù)據(jù)監(jiān)測

按圖1所示斷面進行各點間收斂位移的量測，收取大量數(shù)據(jù)。

4.2反分析變量選取

垂直土壓力和水平土壓力的分布和大小可表示為

(7)

式中，p0為垂直土壓力；q1為隧道頂部水平土壓力；q2為隧道底部水平土壓力；a1，a2，a3為垂直、水平土壓力函數(shù)關系系數(shù)。

當求出了p0，q1，q2時，即可求得管片土壓力荷載大小和分布情況。選取p0，q2，q2作為反演變量，共3個，記作X=[x1，x2，x3]T。

4.3荷載反演

盾構管片的位移和受力之間存在一定關聯(lián)，利用管片梁-彈簧計算模型[5-6]和反演分析方法，算出管片的實際作用荷載。管片作用荷載智能化反分析程序流程如圖5所示。

圖5　管片作用荷載智能化反分析程序流程

4.4管片受力計算(圖6)

盾構管片其主要部分是由管片、管片間的聯(lián)結螺栓和防水充填材料組成。管片環(huán)是由預制管片用螺栓連接拼裝而成，這種構造特點使管片連接處(即接頭)的受力與變形特點都和管片本體的受力變形特點有很大不同，接頭的力學性能影響著隧道的橫向受力及變形形態(tài)。在盾構施工襯砌結構設計中，目前普遍采用彈性支承法將隧道也視為自由變形圓環(huán)，不考慮管片接頭對結構整體剛度的影響的梁-彈簧模型[7]來模擬其力學性態(tài)，其中用梁來代替管片，組合彈簧來代替接頭。

根據(jù)反演分析實際作用荷載，再進行荷載作用正分析。算出管片內(nèi)力(彎矩)值。

4.5管片安全判定

通過理論分析找出管片應力和應變之間的聯(lián)系，確定管片變形的允許極限值，作為管片安全評價的依據(jù)。

5案例分析

5.1工程概況

杭州地鐵1號線某區(qū)間長1.5 km。區(qū)間隧道采用盾構施工，開挖直徑為6.70 m。盾構施工段采用預制鋼筋混凝土管片襯砌作為永久支護結構，管片外徑D0=6 100 mm，管片內(nèi)徑D1=5 500 mm，管片寬度B=1 000 mm，管片厚度H=300 mm，受力主筋均為12C25，As=As′=5 890.8 mm2。盾構管片結構如圖7所示。

5.2管片作用荷載反演分析

神經(jīng)網(wǎng)絡是基于對人腦組織結構、活動機制的初步認識的基礎上，提出的一種信息處理方法。它的優(yōu)點在于能把大量的神經(jīng)元連成一個復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過一系列的數(shù)學轉(zhuǎn)化，運用程序設計的非線性關系對未知的樣本數(shù)據(jù)進行分析、預測，解決一些用傳統(tǒng)方法很難解決的問題，具有一定的智能化[8]。借助神經(jīng)網(wǎng)絡強大的數(shù)據(jù)分析能力，利用施工過程中量測到的管片收斂位移數(shù)據(jù)，能夠分析出土壓力實際作用荷載，找出收斂位移與作用荷載之間對應關系。

在眾多神經(jīng)網(wǎng)絡中，其中應用最廣泛的為多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡模型(Back-Propagation，簡稱BP網(wǎng)絡)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡的最大特點在于它具有學習的功能，通過各種學習算法來調(diào)整網(wǎng)絡中的權值，其方法就是使相似的輸入有相似的輸出，從而使得神經(jīng)網(wǎng)絡具有泛化能力。網(wǎng)絡學習的目的是使期望輸出值與實際輸出值之間的誤差達到最小。

基于數(shù)值模擬和BP神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的管片荷載反分析方法，利用管片收斂位移量測數(shù)據(jù)，對管片上的作用荷載進行反演分析。

(1)數(shù)據(jù)采集

盾構管片環(huán)001、100、250、300、400、500環(huán)，收斂位移數(shù)據(jù)采集如表1所列。

表1　收斂位移量測數(shù)據(jù)　mm

(2)BP神經(jīng)網(wǎng)絡樣本生成及訓練(圖8)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡的學習，由4個過程組成：輸入模式由輸入層經(jīng)隱含層向輸出層的“模式順傳播”過程，網(wǎng)絡的希望輸出與網(wǎng)絡實際輸出之差的誤差信號由輸出層經(jīng)隱含層向輸入層逐層修正連接權的“誤差逆?zhèn)鞑ァ边^程，由“模式順傳播”與“誤差逆?zhèn)鞑ァ钡姆磸徒惶孢M行的網(wǎng)絡“記憶訓練”過程，網(wǎng)絡趨向收斂即網(wǎng)絡的全局誤差趨向極小值的“學習收斂”過程。

圖8　BP神經(jīng)網(wǎng)絡示意

選取80個數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡訓練學習樣本的計算，計算生成樣本數(shù)據(jù)，其中70個用于學習訓練，10個用于測試網(wǎng)絡精度。對選擇好的學習樣本選擇3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行學習和訓練[9-11](表2)。

(3)數(shù)據(jù)預測

將001、100、250、300、400、500環(huán)管片環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡中，進行管片荷載反演分析，得出各管片的荷載如表3所列。

表2　神經(jīng)網(wǎng)絡樣本取值

表 3　網(wǎng)絡預測結果

5.3管片收斂位移控制標準

根據(jù)現(xiàn)場量測的001、100、250、300、400、500管片環(huán)各條測線的收斂位移值，利用荷載反演分析方法得出管片實際作用荷載，再進行有限元分析，得到管片內(nèi)力(彎矩值)，利用式(4)，計算管片裂縫寬度。并擬合收斂位移值與裂縫寬度值的線性關系如圖9所示。

(8)

圖9　管片收斂位移與裂縫寬度擬合關系線示意

國內(nèi)外大量實驗和調(diào)查結果表明，寬度小于0.3 mm的裂縫一般不會對鋼筋銹蝕產(chǎn)生太大影響，當裂縫寬度大于0.3 mm時，則影響顯著且呈不收斂狀態(tài)發(fā)展?？紤]到隧道襯砌管片結構所處的惡劣侵蝕性環(huán)境，可認為當裂縫寬度大于0.3 mm就對鋼筋銹蝕產(chǎn)生嚴重影響[12]，嚴重影響襯砌結構安全。因此，結合杭州地鐵1號線某區(qū)間工程的具體情況，管片裂縫寬度應控制在0.3 mm內(nèi)，根據(jù)式(8)計算可得管片兩拱腰間的收斂位移應控制在4.4 mm以內(nèi)，才可以確保盾構施工襯砌管片在施工及運行期的安全。

收斂位移控制標準的確定與管片的幾何尺寸設計、混凝土強度等級選取、管片配筋量、管片接頭剛度的選取、環(huán)間接頭剛度的選取、管片拼裝方式以及管片受力狀態(tài)都有很大關系。

6結論

結合杭州地鐵1號線某區(qū)間工程，采用理論分析和數(shù)值模擬的研究方法，得出以下結論。

(1)基于數(shù)值模擬與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的位移反分析方法，反演分析管片的作用荷載。應用Matlab7.0提供的神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱進行人工神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練和仿真，利用訓練好的網(wǎng)絡對管片作用荷載進行智能識別，基于上述反分析理論，利用收斂位移的量測數(shù)據(jù)進行反演分析，得到管片的作用荷載。

(2)對基于管片變形的安全評價方法進行了研究，即利用現(xiàn)場量測收斂位移，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡的智能反演分析方法得出管片作用荷載，再進行有限元分析，得到管片的內(nèi)力(彎矩)值，最終基于管片結構極限狀態(tài)下的變形量，提出了以管片收斂位移作為管片安全評價的新判據(jù)，并給出了管片收斂位移的控制標準，這對于盾構施工過程控制及運行期的安全維護具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]李世輝. 隧道支護設計新論[M].北京：科學技術出版社，1999.

[2]王建宇.隧道工程的技術進步[M].北京：中國鐵道出版社，2004：165-170.

[3]張良輝，鞠世鍵.隧道管片極限變形的確定[J].城市軌道交通研究， 1999(3).

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50010—2010混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：89-91.

[5]鐘小春，朱偉.盾構襯砌管片土壓力反分析研究[J].巖土力學，2006，27(10)：1744-1748.

[7]姚超凡，晏啟祥，何川，耿萍.盾構隧道內(nèi)力分析方法的對比研究[J].鐵道標準設計，2013(12)：95-99.

[8]霍曉龍，陳壽根，譚信榮，邱成虎.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的瓦斯隧道突出預測系統(tǒng)開發(fā)研究[J].鐵道標準設計，2014，58(5)：86-89.

[9]張乾飛，王建，吳中如.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的大壩滲透系數(shù)分區(qū)反演分析[J].水電能源科學，2001，19(4)：5-7.

[10]戚玉亮，王同旭，張振宇，王榮超.神經(jīng)網(wǎng)絡方法在位移反分析中的應用研究[J].采礦與安全工程學報，2007，24(1)：93-95.

[11]羅成.基于Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱的BP網(wǎng)絡實現(xiàn)[J].計算機仿真，2004，21(5)：109-115.

[12]伍振志，楊林德，時蓓玲，莫一婷.裂縫對隧道管片結構耐久性影響及其模糊評價[J].地下空間與工程學報，2007，3(2)：225-228.

Study of the Control Standard for Shield Segment Convergence Displacement in Metro Tunnel Wang Wen-jian

(China Railway Wuhan Survey and Design Co., Ltd., Wuhan 430073)

Abstract：With reference to the engineering of a tunnel on Hangzhou Metro Line 1, theoretical analysis and numerical simulation are employed to study the way to assess the safety of shield segment in case of deformation so as to guarantee the safety of tunnel construction and future operation. The internal force (bending moment) of the segment is determined with the convergence displacement measured on site, the load on segment with obtained by intelligent back analysis, and the finite element calculation based on Beam-Spring model. At last, based on the ultimate deformation of segment structure in limit state, a new reference based on segment convergence displacement is proposed to evaluate segment safety, and the standard to control convergence displacement is also brought forward.

Key words：Metro; Shield segment; Convergence displacement; Control standard

中圖分類號：U459.6; U455.43

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.020

文章編號：1004-2954(2015)02-0082-05

作者簡介：王文建(1982—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于武漢大學地下結構工程專業(yè)，工學碩士。

收稿日期：2014-11-01； 修回日期：2014-11-04