李卓

（中鐵二十局第三工程有限公司，重慶 400065）

地鐵建設(shè)是21世紀(jì)城市地下空間開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，其是緩解我國(guó)“城市綜合征”的有效辦法之一。地鐵隧道工程施工是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的，不管其埋深時(shí)大時(shí)小，開(kāi)挖施工一定會(huì)擾動(dòng)地下巖土體，使其喪失初有的平衡狀態(tài)，而朝著新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。隧道開(kāi)挖階段，因地層物質(zhì)被挖出，很容易形成施工沉降槽，其很容易引起地面沉降與塌陷問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)道路路面、建筑物等造成不同程度的損傷，不利于工程建設(shè)，甚至對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

1 隧道施工引起地表沉降的機(jī)理

從本質(zhì)上分析，隧道挖掘的環(huán)境土層介質(zhì)屬于非連續(xù)介質(zhì)，等同于土層處于移動(dòng)狀態(tài)中，存留在介質(zhì)內(nèi)的連貫性會(huì)被破壞，且不同單元之間初有的關(guān)聯(lián)性也會(huì)發(fā)生一定改變，單元分離而運(yùn)動(dòng)。在含水地層內(nèi)開(kāi)展隧道施工活動(dòng)，但土顆粒骨架間的水分逐漸被排出時(shí)，將會(huì)使土體內(nèi)空隙水壓力出現(xiàn)改變，地層會(huì)由于出現(xiàn)排水固結(jié)而有地表沉降的表現(xiàn),業(yè)內(nèi)針對(duì)這種地層因孔隙水壓力波動(dòng)與滲透力作用而出現(xiàn)的地面沉降問(wèn)題，將其統(tǒng)一叫作固結(jié)地表沉降,其主要是因含水層內(nèi)地下水位下降,土層內(nèi)液壓跌落，形成粒間應(yīng)力，即有效應(yīng)力增加的結(jié)果。隧道開(kāi)挖階段巖土體擾動(dòng)以后，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，土體骨架會(huì)發(fā)生一定壓縮變形，土體蠕變階段形成的地表沉降問(wèn)題被叫作次固結(jié)沉降。既往有研究發(fā)現(xiàn)，在空隙比與靈敏度相對(duì)較高的軟塑于流塑性黏土內(nèi),次固結(jié)沉降通常會(huì)持續(xù)數(shù)年之久,通過(guò)分析經(jīng)典地層的長(zhǎng)期觀測(cè)材料,其在總沉降量中所占比重高于35%。

2 編制動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略

可以將地鐵隧道項(xiàng)目開(kāi)挖過(guò)程看成一個(gè)多階段構(gòu)成的決策問(wèn)題，動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理能較好地應(yīng)對(duì)該類優(yōu)化問(wèn)題。假設(shè)某地鐵隧道工程施工的初步設(shè)計(jì)方案是：{G0(1)、G0(2)、…G0(k)，…，G0(N)}，參照動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)化原理,將最后一個(gè)步驟作為著手點(diǎn)優(yōu)化初有施工方案。

2.1 方案設(shè)計(jì)

（1）最后一步驟。設(shè)εN是最后可以接受的環(huán)境目標(biāo)限定值，通常其取值是0.1，對(duì)工程施工方案G0(N)進(jìn)行數(shù)次整改后，有①式：

2.2 施工階段

參照如上論述的方案，在地鐵隧道項(xiàng)目有具體施工階段，實(shí)測(cè)到的地表沉降值可能和預(yù)測(cè)值之間存在一定偏差，這就很可能造成初有的優(yōu)化控制方案不滿足現(xiàn)實(shí)環(huán)境要求。因此，在施工階段，若能依照現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息，盡早整改初由優(yōu)化施工方案后期的施工技術(shù)方法，方能更好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，如果已經(jīng)第k階段施工結(jié)束后，在工程場(chǎng)區(qū)測(cè)量得到的現(xiàn)實(shí)地表沉降最大值是W’（k）,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理對(duì)隧道施工方案的第k+1步到最末一步進(jìn)行調(diào)整。具體采用的優(yōu)化控制方法和設(shè)計(jì)時(shí)段等同，唯一的不同是新方案的最末一步是原來(lái)的第k+1步，因第i步實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值間存在一定差異，那么，在這樣的工況下第k+1步滯后各步的狀態(tài)均會(huì)出現(xiàn)不同程度變化，遞推關(guān)系式如下：

3 工程實(shí)踐

已知某三連拱隧道工程處于地表之下16.6m,從上至下可地層細(xì)化為五層。因地表建筑物聳立且密集化分布,地下管線部署錯(cuò)綜復(fù)雜,因此，隧道施工對(duì)周邊環(huán)境提出較嚴(yán)格的要求，地表沉降最大值≤30mm。外加本隧道工程跨度相對(duì)較大（20m左右），圍巖條件整體偏差,施工開(kāi)挖時(shí)不僅要確保圍巖結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性,還要滿足周邊環(huán)境提出的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求。綜合分析多種因素，擬定選擇最優(yōu)的施工方案及策略，這是取得最理想化施工成效的重要基礎(chǔ)。在項(xiàng)目正式開(kāi)工前，制定了圖1所示的備選建設(shè)方案，能夠推導(dǎo)出與之相對(duì)應(yīng)的方案相應(yīng)矩陣是：

{G0(i，k)，i=1～3,k=1～11}

式中，i為施工方案，k為施工工序。為滿足終極控制目標(biāo)W*，先在圖1響應(yīng)矩陣G(i,k)內(nèi),基于數(shù)值仿真模擬并參照工期T＊、造價(jià)V＊,采用如下目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方案的優(yōu)化處理：Ji=CW[W*-W(i)]+CT[T＊-T(i)]+CV[V＊-V(i)]

式中，CW、CT、CV均是加權(quán)值，經(jīng)比對(duì)分析后，最后選用了方案1，把G(1,k)作為本項(xiàng)目的建設(shè)方案，并勾畫方案1的響應(yīng)矩陣。

圖1 備選建設(shè)方案圖示

結(jié)合地表沉降機(jī)理及動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制策略，從本項(xiàng)目施工最末一步開(kāi)始，針對(duì)本施工方案的響應(yīng)矩陣，依照有限元仿真模擬測(cè)算過(guò)程檢索到工程施工策略取得的成效。有限元測(cè)算后，能協(xié)助施工方掌握方案1的最優(yōu)控制方法集。

本課題研究選用ANSYS有限元軟件輔助進(jìn)行，通過(guò)彈塑性有限元的數(shù)次測(cè)算并持續(xù)整改工程施工方法，進(jìn)而取得相對(duì)理想化的環(huán)境控制效果，最后確定了最優(yōu)控制方法集（見(jiàn)表1）。施工完畢后，場(chǎng)區(qū)地表沉降曲線圖示見(jiàn)圖2。

表1 地表沉降最優(yōu)控制方法集

圖2 地表沉降曲線圖示

4 結(jié)語(yǔ)

本文較為詳細(xì)得介紹了動(dòng)態(tài)最后控制策略方法，在地鐵隧道施工階段積極采用該種方法能把整體環(huán)境控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)階段化，規(guī)避挖掘施工的盲目性，有規(guī)劃地降低工程風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合地鐵隧道工程案例的分析結(jié)果，認(rèn)定本課題所提及的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法在理論上是可行的，在實(shí)踐中也是可以實(shí)現(xiàn)的，具有較高的推廣價(jià)值。