劉 漢 清

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054; 2.西安市市政設施管理局，陜西 西安 710016)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化進程日漸加快，使我國大中型城市的交通擁堵問題成為制約城市發(fā)展的重大難題，大力發(fā)展軌道交通能夠有效改善這一難題。地鐵作為軌道交通方式的一種，具有準時方便，占地表面積小、安全可靠、噪聲污染小等優(yōu)點，因此隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，越來越多的城市開展了地鐵的施工建設[1]。

盾構施工作為修建隧道的主要方法之一，在城市地鐵建設過程中起到了非常重要的作用[2]。盾構機是一種專用于盾構施工過程的特大重型施工裝備，其配置的機電裝備多，控制復雜，關聯(lián)性強，使其運行狀態(tài)難以控制，同時其刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度、推進壓力、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量等參數(shù)對施工效率和施工質(zhì)量有很大影響，其中表面沉降作為衡量施工質(zhì)量的重要指標之一，很多學者對其進行研究[3]。張厚美[4]通過正交實驗對影響盾構推進速度、表面沉降的主要參數(shù)進行研究。白廷輝等[5]通過優(yōu)化注漿量、推進速度等參數(shù)對盾構施工參數(shù)選擇提供指導。胡珉等[6]通過神經(jīng)網(wǎng)絡得到了表面沉降與成形參數(shù)之間的關系，提出了控制表面沉降的方法。張恒等[7]通過數(shù)值模擬研究了盾構過程的表面沉降，對掘進參數(shù)對表面沉降的影響進行研究。綜上所述，當前研究主要集中在單一施工參數(shù)對表面沉降的影響，對影響表面沉降的主要施工參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用的研究較少。

本文以西安地鐵5號線3標段為研究背景，采用響應面法研究影響盾構過程表面沉降的主要施工參數(shù)對其的影響，包含刀盤轉(zhuǎn)速、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量，得到預測表面沉降的經(jīng)驗模型并對表面沉降進行優(yōu)化，以期得到最優(yōu)施工參數(shù)。

1 施工參數(shù)方案

一般情況下影響盾構表面沉降的主要施工參數(shù)包括刀盤轉(zhuǎn)速、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量，根據(jù)盾構施工中常用的施工參數(shù)范圍確定刀盤轉(zhuǎn)速在0.6 r/min～1.4 r/min之間，上土倉壓力在40 kPa～60 kPa之間，注漿量在2 m3/ring～4 m3/ring之間，加泥注入量在8 m3/ring～12 m3/ring之間。

在設定施工參數(shù)方案時，每個施工參數(shù)選擇三個水平，施工方案如表1所示。

根據(jù)所選地段的水文和工程地質(zhì)，每隔50 m設置一個測量點，個別位置間隔10 m設置加密點，每組施工參數(shù)設置10個觀測點，取各觀測點的平局沉降值作為該組施工參數(shù)的表面沉降值。

2 試驗結果分析

表1 施工因素和水平

試驗結果如表2所示。根據(jù)表面沉降的試驗結果，對四個因素進行深入分析，在此基礎上本文采用式(1)所示二階模型對表面沉降值進行預測：

(1)

其中，F(xiàn)為表面沉降值。

表2 試驗方案和試驗結果

利用方差分析能夠評估建立模型的可靠度，同時能夠判斷各施工參數(shù)對表面沉降的影響程度，置信水平選擇95%，表面沉降的方差分析如表3所示，同時擬合系數(shù)為0.995，這說明建立的模型準確性相對較高。

建立的二階預測模型如式(2)所示，從中可以看出注漿量對沉降量線性作用相對明顯，上土倉壓力對表面沉降量的二階作用最明顯，上土倉壓力和注漿量的交互作用最明顯。對沉降量的一階影響從大到小依次為：注漿量、上土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速和加泥注入量。

F=1.87+0.29A-0.64B+1.05C+0.091D-0.091A2+0.31B2+
0.18C2-0.14D2-0.18AB+0.25AC-0.58BC+0.025BD

(2)

不同施工參數(shù)的表面沉降響應面圖如圖1所示，可以看出隨著注漿量的增大，表面沉降明顯增大，在土倉壓力較小時這種變化尤其明顯；加泥注入量對表面沉降的影響不明顯，只在上土倉壓力較大時有略微增大的趨勢；上土倉壓力增大表面沉降減小，不過在注漿量較小時變化不明顯；除了在注漿量較小時，其余施工參數(shù)組合情況下，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加表面沉降都有增大的趨勢。

3 施工參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)得到的表面沉降預測模型，利用響應面合意性優(yōu)化方法，以表面沉降最小為目標對表面沉降進行優(yōu)化，得到最佳施工參數(shù)組合，合意性越接近1優(yōu)化結果越準確，結果表明在刀盤轉(zhuǎn)速為1.4 r/min，上土倉壓力為54.3 kPa，注漿量為2.0 m3/ring，加泥注入量為8.0 m3/ring時，合意性最大為0.967，此時表面沉降最小為0.65 cm。利用所得施工參數(shù)進行施工試驗，經(jīng)過測量表面沉降為0.69 cm，同優(yōu)化結果對比誤差為6.15%，說明所建立的預測模型與實際結果有很好的擬合度。

4 結語

1)設計了施工參數(shù)響應面法實驗方案，得到了不同刀盤轉(zhuǎn)速、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量下表面沉降的大小。

2)建立了表面沉降的預測模型，發(fā)現(xiàn)對沉降量的一階影響從大到小依次為：注漿量、上土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速和加泥注入量。

3)對表面沉降進行優(yōu)化，在刀盤轉(zhuǎn)速為1.4 r/min，上土倉壓力為54.3 kPa，注漿量為2.0 m3/ring，加泥注入量為8.0 m3/ring時，表面沉降最小為0.65 cm。