張文濤,龔振宇,令凡琳,王樹英
(1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局昆明分局,云南 昆明 650051;2.中鐵五局集團(tuán)電務(wù)城通工程有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410205;3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075)
盾構(gòu)法作為一種相對快速且安全的工法,已在城市地鐵、輸水管線等地下工程中廣泛應(yīng)用[1-3]。在盾構(gòu)穿越富水砂卵礫石等粗顆粒土地層時,由于渣土滲透性較強(qiáng),易誘發(fā)螺旋輸送機(jī)噴涌,在影響施工速度的同時,還有可能對掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響,進(jìn)而引起地層沉陷等。在工程上常采用向刀盤前方、土艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入改良劑如泡沫、膨潤土泥漿等進(jìn)行抗?jié)B改良,以保證改良渣土具有較低的滲透系數(shù)[4]。
現(xiàn)有研究主要采用室內(nèi)試驗、理論計算等手段對改良渣土滲透性進(jìn)行研究。在室內(nèi)試驗方面,張淑朝等[5]開展了大型滲透試驗對砂卵石地層改良土的抗?jié)B性進(jìn)行了測試,確定了防止螺機(jī)噴涌的渣土改良工況。朱自鵬[6]、賀少輝等[7]為探究盾構(gòu)螺機(jī)的真實排土狀況與噴涌條件,采用自制螺機(jī)模型開展排土試驗,并在其中對膨潤土和泡沫改良渣土的抗?jié)B性進(jìn)行了測試,探究了相應(yīng)改良工況對渣土抗?jié)B性的影響與噴涌的防治效果。Quebaud等[8]選取3種粒徑不同的土在特定泡沫改良工況下開展?jié)B透試驗,試驗結(jié)果表明,過粗或過細(xì)的土粒的滲透系數(shù)都不能很好地被改良至符合要求,只有在土顆粒粒徑適中時,土樣才能很好地被改良。Huang等[9]通過對泡沫改良變級配砂礫石土進(jìn)行滲透試驗,發(fā)現(xiàn)有效粒徑(d10)是影響改良土滲流性的重要因素,在一定程度上增加細(xì)顆粒能夠增強(qiáng)泡沫改良土的抗?jié)B性能??紤]水力特性對改良土滲透性的影響時,Hu等[10]指出泡沫改良土滲透系數(shù)隨水力梯度增大而迅速增長,并指出在較高水力梯度下僅使用泡沫對砂土進(jìn)行改良無法滿足抗?jié)B要求。在理論計算方面,Bezuijen等[11]將Blake-Kozeny公式引入泡沫改良土滲透性計算中,但其假定泡沫與砂粒的平均直徑相同,且在泡沫改良土孔隙率較小時計算誤差較大,具有一定局限性。Wang等[12]將泡沫與土顆??醋骶|(zhì)球體顆粒,基于純泡沫滲流原理建立了一種適用于泡沫改良土滲透性計算的有效滲流通道解析模型,并通過不同級配砂礫土的滲透試驗對模型進(jìn)行驗證,研究發(fā)現(xiàn)該模型對于滲透系數(shù)較小的泡沫改良土計算精度相對較差。王樹英等[13]提出一種基于泡沫改良土修正等效級配法的滲透系數(shù)理論計算模型,并對比論述了其與文獻(xiàn)[12]中模型計算精度及適用范圍的差異。
已有研究大多基于特定地層渣土,受工程地層水文條件等影響較大。因此,需要構(gòu)建渣土滲透性智能預(yù)測機(jī)制,以滿足土壓平衡盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)需求。目前已有不少學(xué)者將機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用至盾構(gòu)隧道工程中,用以預(yù)測地表沉降[14-15]、盾構(gòu)姿態(tài)[16-17]、掘進(jìn)參數(shù)[18]等,但在盾構(gòu)渣土滲透系數(shù)預(yù)測方面,仍缺少一套行之有效的算法。本研究建立了一種基于隨機(jī)森林算法的盾構(gòu)渣土滲透系數(shù)預(yù)測模型,并依托滇中引水工程昆明段4標(biāo)關(guān)鍵施工節(jié)點開展現(xiàn)場驗證,其研究成果以期為后續(xù)盾構(gòu)渣土滲透性預(yù)測提供新的思路。
決策樹可以簡單地理解為達(dá)到某一特定結(jié)果的一系列決策,是一種有監(jiān)督的用于解決分類和回歸問題的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。隨機(jī)森林(random forest,RF)最早由Breiman[19]提出,其作為決策樹的集成,是利用多棵樹對樣本進(jìn)行訓(xùn)練并預(yù)測的分類器。隨機(jī)森林的優(yōu)勢在于不僅能夠在決定類別時評估每個特征的相對重要性,預(yù)測過程中還不易出現(xiàn)過擬合等情況[20]。
隨機(jī)森林算法示意如圖1所示。首先,確定樣本集,通過隨機(jī)分割將樣本集分為不同的訓(xùn)練集與測試集,并裝入袋中進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練,獲取相應(yīng)決策樹,測試集在上述已獲得的決策樹中進(jìn)行驗證,得到預(yù)測精度等結(jié)果;然后,通過組合不同的決策樹來減小方差,得到更優(yōu)、泛化能力更強(qiáng)的預(yù)測模型。本研究的隨機(jī)森林算法主要基于Python語言的Sklearn庫實現(xiàn)。
圖1 隨機(jī)森林算法示意圖
根據(jù)已有研究,改良土滲透系數(shù)受含水率(w)、泡沫注入比(FIR)、膨潤土泥漿注入比(BIR)、有效粒徑(d10)和水力梯度(i)影響較為顯著[1,9-13]。因此,選取Huang等[9]、Hu等[10]、Wang等[21]、Ling等[22]和黃碩[23]研究中采用相同滲透儀開展的不同改良工況、水力梯度條件下的渣土滲透試驗結(jié)果作為樣本集,共計91組。以w、FIR、BIR、d10和i共計5個特征參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù),構(gòu)成模型特征空間,以改良土初始滲透系數(shù)(ki)作為輸出變量。本樣本集共91組數(shù)據(jù),從中隨機(jī)選取81組作為訓(xùn)練樣本,其余10組作為測試樣本。
考慮樣本數(shù)量及特征空間,在[2,50]內(nèi)通過網(wǎng)格搜索及十折交叉驗證算法確定最優(yōu)樹的個數(shù)。其中,十折交叉驗證將數(shù)據(jù)集分成10份,輪流將其中9份作為訓(xùn)練集、1份作為測試集進(jìn)行試驗。本模型最優(yōu)樹的個數(shù)為10。樹的最大深度取默認(rèn)值None,即決策樹節(jié)點擴(kuò)展直到所有葉子節(jié)點包含的樣例數(shù)小于分裂內(nèi)部節(jié)點需要的最少樣例數(shù)。其中,分裂內(nèi)部節(jié)點最小樣例數(shù)為2,葉子節(jié)點最小樣例數(shù)為1。度量分裂標(biāo)準(zhǔn)選取均方誤差(MSE)。
原始的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中,由于每一維特征的來源以及度量單位不同,如泡沫注入比定義為泡沫體積與渣土體積之比(文中數(shù)據(jù)均位于[0,1]),但水力梯度數(shù)據(jù)取值可達(dá)10,具有明顯的數(shù)量級差異,這將引起特征值分布范圍差異大,對預(yù)測精度影響較大。因此,必須先對樣本進(jìn)行預(yù)處理,通過Sklearn庫中的StandardScaler算法(見式(1)—(3))將各維度特征歸一化到[0,1]區(qū)間,進(jìn)而獲得理想的預(yù)測結(jié)果。
(1)
(2)
(3)
為驗證隨機(jī)森林模型的預(yù)測精度,本研究選取均方誤差(MSE)和決定系數(shù)(R2)作為評價指標(biāo),計算公式如下:
(4)
(5)
對各特征參數(shù)重要性進(jìn)行測試,占比如圖2所示。由圖可知,含水率重要性占比為19.65%,泡沫注入比占比為13.74%,膨潤土泥漿注入比占比為34.89%,有效粒徑占比為28.73%,水力梯度占比為2.99%??梢姡驖櫷聊酀{注入比與有效粒徑對于改良渣土滲透系數(shù)的影響最為顯著。
圖2 特征重要性占比圖
采用上述程序進(jìn)行運算,算法隨機(jī)選擇10個測試樣本的物理力學(xué)參數(shù)及預(yù)測結(jié)果如表1所示。測試樣本均勻分布在樣本集中,其中,樣本1來自文獻(xiàn)[9];樣本3、7、9、10來自文獻(xiàn)[10];樣本2、5、8來自文獻(xiàn)[21];樣本6來自文獻(xiàn)[22];樣本4來自文獻(xiàn)[23]。滲透系數(shù)實測值與預(yù)測值對比結(jié)果及測試集相對誤差如圖3和圖4所示??梢钥闯觯灸P皖A(yù)測效果整體較好,均位于同一數(shù)量級;絕大多數(shù)相對誤差在±50%內(nèi),所存在最大相對誤差來自測試樣本1,約81.31%;最小相對誤差來自測試樣本7,約3.37%。朱崇輝等[24]指出,對于土滲透系數(shù)的計算模型,其預(yù)測值和實測值能處于同一量級,則該預(yù)測模型有較高精度。因此,基于隨機(jī)森林算法預(yù)測盾構(gòu)改良渣土的滲透系數(shù)能達(dá)到較高精度。
表1 測試樣本物理力學(xué)參數(shù)及預(yù)測結(jié)果
圖3 實測值與預(yù)測值對比圖
圖4 測試集相對誤差
測試集樣本實測滲透系數(shù)數(shù)量級跨越10-5~10-2,樣本分布較廣,對訓(xùn)練效果檢測更全面。模型驗證過程中,首先,得到MSE為2.4×10-9cm/s,小于實際滲透系數(shù)多個數(shù)量級,MSE越小說明模型預(yù)測效果越好;其次,對預(yù)測值與實測值之間關(guān)系進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖5所示。其中,R2為0.981 9,可見線性相關(guān)性較強(qiáng),模型預(yù)測較準(zhǔn)確。
圖5 隨機(jī)森林測試集擬合情況
將本研究的滲透系數(shù)預(yù)測模型應(yīng)用至滇中引水工程昆明段龍泉倒虹吸隧洞盾構(gòu)工程中,對盾構(gòu)穿越富水砂卵礫石地層不同改良工況下渣土滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測,優(yōu)選出合適改良參數(shù),從而預(yù)防噴涌風(fēng)險,確保施工安全以及盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)。工程上,相關(guān)學(xué)者認(rèn)為渣土滲透系數(shù)低于1.0×10-3cm/s時能夠滿足抗?jié)B防噴涌要求[10, 25]。
龍泉倒虹吸隧洞主要沿灃源路敷設(shè),沿線下穿盤龍江大橋,沿線道路兩側(cè)建筑物眾多,市政道路管網(wǎng)密布,交通人流量大。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能會因為地層擾動過大或出土控制等引起地面沉降,地面建(構(gòu))筑物及管線存在安全風(fēng)險。盾構(gòu)刀盤開口率為40%,開挖直徑為6 470 mm。龍泉倒虹吸隧洞在2 000~2 040環(huán)下穿盤龍江,如圖6所示,下穿段隧洞最低高程為1 886 m,最大水頭為20.8 m。盤龍江大橋采用擴(kuò)大基礎(chǔ),墩高7.6 m(基礎(chǔ)底到橋面距離),基礎(chǔ)底高程為1 896 m,該處隧洞頂高程為1 889.1 m,盾構(gòu)隧洞頂?shù)綐蚨栈A(chǔ)高差約6.9 m。
(a)隧道下穿方位圖
盾構(gòu)下穿段地質(zhì)情況如圖7所示,包括②-2砂礫石、②-3礫質(zhì)土、②-5粉土、②-6淤泥質(zhì)黏土、③-1砂礫石、③-3黏土和③-11人工填土。根據(jù)地勘資料顯示,盾構(gòu)在下穿盤龍江前后主要掘進(jìn)地層以③-1砂礫石地層為主,天然含水率約為30%。該地層土樣級配分布如圖8所示。其中,礫石呈圓形—亞圓形,粒間充填物主要為黏性土及少量礫砂、粉砂,巖芯松散,透水性強(qiáng)。
圖7 盾構(gòu)下穿盤龍江段地質(zhì)縱斷面圖
圖8 土樣級配分布情況
為預(yù)防盾構(gòu)下穿盤龍江出現(xiàn)噴涌風(fēng)險,選?、?1砂礫石地層的1 950~2 000環(huán)作為試驗段,對渣土進(jìn)行取樣,測定其級配,并從盾構(gòu)調(diào)取相應(yīng)渣土改良參數(shù)(泡沫注入比等)。需要注意的是,出于安全考慮,本研究所提出的模型所需的水力梯度i在實際工程中應(yīng)取最大水力梯度imax,按式(6)和圖9進(jìn)行計算。
圖9 盾構(gòu)在富水地層中掘進(jìn)簡圖
(6)
式中:H為盾構(gòu)頂部與地下水位高度差;D為盾構(gòu)刀盤直徑;h為螺旋輸送機(jī)尾部距盾構(gòu)底部的高度差;B為盾構(gòu)土艙長度;l為螺旋輸送機(jī)長度。
根據(jù)篩分試驗得到渣土d10=0.2 mm;根據(jù)地勘資料和盾構(gòu)主機(jī)設(shè)計圖紙計算得到下穿時最大水力梯度imax=1.47。取不同改良參數(shù)(含水率和泡沫注入比)并采用本研究提出模型進(jìn)行預(yù)測,為現(xiàn)場提供可行的盾構(gòu)渣土抗?jié)B改良方案,得到渣土滲透系數(shù)預(yù)測結(jié)果如表2所示。
表2 不同改良工況下渣土滲透系數(shù)預(yù)測結(jié)果
由表2可知,在天然含水率狀態(tài)下,若不添加泡沫等改良劑(樣本1),滲透系數(shù)約為1.03×10-3cm/s,略高于1×10-3cm/s,根據(jù)預(yù)測結(jié)果可知,該地層有一定噴涌風(fēng)險,因此,須考慮抗?jié)B改良,從安全性角度保證渣土滲透系數(shù)低于10-3cm/s。在注入泡沫(FIR=20%、FIR=40%)后,滲透系數(shù)明顯降低至3.06×10-4cm/s和2.96×10-4cm/s,符合工程要求。考慮同時注水和泡沫情況,在天然含水率狀態(tài)下補(bǔ)充注入20%、40%泡沫后(樣本2、3),渣土滲透系數(shù)即可滿足要求;提高含水率后,在w=35%、FIR=20%(樣本5)和w=40%、FIR=40%(樣本7)時,渣土滲透系數(shù)能夠滿足要求。從安全性與經(jīng)濟(jì)性角度2方面考慮,推薦采用w=30%、FIR=20%改良參數(shù)。
4.3.1 改良渣土滲透系數(shù)
下穿過程中采用優(yōu)選的改良參數(shù),在下穿段取2 009環(huán)(見圖10)、2 027環(huán)的現(xiàn)場改良渣土進(jìn)行滲透試驗,測得滲透系數(shù)分別為2.3×10-4cm/s和9.8×10-5cm/s,與預(yù)測值3.06×10-4cm/s吻合較好,且實測滲透系數(shù)明顯低于安全范圍(1.0×10-3cm/s),說明該模型所優(yōu)選的改良參數(shù)可行。
圖10 渣土坍落度試驗
4.3.2 土艙壓力
土艙壓力的主要作用是平衡掌子面水土壓力。在富水砂性地層,螺旋輸送機(jī)噴涌易引起土艙壓力波動,進(jìn)而可能誘發(fā)掌子面失穩(wěn),因此,需采用合理的渣土改良參數(shù),以維持土艙壓力穩(wěn)定,降低掘進(jìn)風(fēng)險。選取下穿前與下穿中部分掘進(jìn)環(huán)號對應(yīng)的土艙壓力進(jìn)行分析,如圖11所示。在臨近下穿的1 967環(huán)和1 990環(huán),土艙壓力分別為100~160 kPa和110~180 kPa,壓力在各自范圍內(nèi)大幅波動,土艙壓力難以控制,標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)到10.54 kPa和15.52 kPa,離散型較大且存在波動增加的趨勢,不利于盾構(gòu)安全下穿。采用推薦改良參數(shù)w=30%、FIR=20%對下穿段(2 000~2 040環(huán))渣土進(jìn)行改良后,土艙壓力波動幅度明顯減小,在2 009環(huán)和2 027環(huán)2個測試環(huán),土艙壓力波動范圍明顯縮小,且離散性有所降低,標(biāo)準(zhǔn)差分別降為5.74 kPa和5.10 kPa。
圖11 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中測試環(huán)土艙壓力曲線
4.3.3 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測
為防止噴涌引起地表沉陷,對盾構(gòu)下穿盤龍江過程中橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測,主要對盾構(gòu)下穿一側(cè)橋墩(1#~8#,其中盾構(gòu)主要下穿的橋墩為4#~6#)和橋面伸縮縫處進(jìn)行監(jiān)測,測點布置如圖12所示,并進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測。
(a)橋墩監(jiān)測布點
其中,盾構(gòu)下穿盤龍江前后橋墩高程監(jiān)測與橋面伸縮縫變形累計值分別如圖13和14所示。
圖13 橋墩高程監(jiān)測曲線
圖14 橋面伸縮縫變形監(jiān)測曲線
在盾構(gòu)刀盤進(jìn)入橋臺前,橋墩高程基本不變;在盾構(gòu)下穿直到盾尾脫離橋臺時,橋墩高程存在波動,但幅度較小,大多橋墩高程變化幅度為±1.0 mm。盾構(gòu)穿河過程中主要下穿的4#~6#橋墩的高程波動更明顯(±2.5 mm),其中,隆起最大值出現(xiàn)在QD6測點,達(dá)到2.3 mm;沉降最大值出現(xiàn)在QD5測點,達(dá)到2.1 mm,相鄰橋墩沉降量之差最大約為2 mm,小于相應(yīng)規(guī)范所要求的10 mm沉降差值[26]。在盾構(gòu)順利穿過盤龍江后,橋墩監(jiān)測數(shù)據(jù)也趨于穩(wěn)定,同時橋面伸縮縫的變形累積量也較小(±3 mm)。由此可見,合理的渣土改良方案能夠降低砂性地層螺機(jī)噴涌風(fēng)險,較好地減小盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對地層的干擾,同時降低對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
根據(jù)現(xiàn)場螺旋輸送機(jī)出口處監(jiān)控顯示,在采用推薦改良參數(shù)后,盾構(gòu)下穿盤龍江過程中無噴涌發(fā)生,盾構(gòu)能夠安全、高效掘進(jìn),這也從側(cè)面驗證了本研究所提出的預(yù)測模型適用效果較好。
1)提出了一種基于隨機(jī)森林算法的盾構(gòu)渣土滲透系數(shù)預(yù)測模型,并選取已有室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練與驗證。根據(jù)預(yù)測結(jié)果可以看出,本模型預(yù)測效果整體較好,預(yù)測值與實測值均位于同一數(shù)量級。均方根誤差僅為2.4×10-9cm/s,擬合決定系數(shù)可達(dá)0.981 9。
2)采用本研究所提出的預(yù)測模型對滇中引水工程龍泉倒虹吸盾構(gòu)隧洞下穿盤龍江噴涌風(fēng)險源進(jìn)行預(yù)測控制,根據(jù)預(yù)測結(jié)果可知,滲透系數(shù)為1.03×10-3cm/s,略高于限值(1.0×10-3cm/s),現(xiàn)場存在一定噴涌風(fēng)險,需要對改良參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
3)對不同改良參數(shù)下渣土滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測,選取滿足抗?jié)B要求的改良參數(shù)。給出該地層推薦改良參數(shù)為w=30%、FIR=20%,并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。下穿全程無噴涌風(fēng)險,且土艙壓力較為平穩(wěn),無大幅波動。此外,監(jiān)測結(jié)果顯示,下穿過程中未對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響,橋墩高程與橋面伸縮縫變形均在可控范圍內(nèi),保障了盾構(gòu)安全、高效掘進(jìn)。
從機(jī)器學(xué)習(xí)角度實現(xiàn)了對于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中渣土滲透系數(shù)的預(yù)測,并為可能發(fā)生噴涌的地層提供了切實可行的改良參數(shù)選取方案,能夠有效預(yù)防盾構(gòu)掘進(jìn)砂性地層出現(xiàn)噴涌風(fēng)險。此外,考慮到不同工程中存在盾構(gòu)選型差異和改良劑性能差異等,在后續(xù)研究中還應(yīng)進(jìn)一步開展該模型對各種評價指標(biāo)的敏感性分析等。