徐子瑤, 車愛蘭, 周晗旭, 袁剛烈, 韓兆龍

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院,上海 2000240)

沉管法隧道具有對地質(zhì)水文條件適應(yīng)能力強、工期短和對生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于城市交通建設(shè)中[1]。自1910年美國底特律河建成世界上第一座水下沉管隧道以來,世界上超過20個國家和地區(qū)成功修建了150多座沉管隧道[2]。我國自1993年建成第一座沉管法隧道(廣州珠江隧道)以來,至今已有10余座隧道建成通車。目前有含鋼殼混凝土的深中通道[3]等多條沉管隧道在建,并有更多的沉管隧道正在籌建中。至今,投入運營達10年的隧道已有6座,并且這些沉管隧道在服役的過程中,基礎(chǔ)均出現(xiàn)不均勻沉降問題,嚴重影響其服役狀態(tài)[4]。

沉管隧道基礎(chǔ)灌砂是基礎(chǔ)墊層施工中重要的環(huán)節(jié),其目的是用壓力灌砂的方法充填沉管與基槽之間的空隙。砂子在管節(jié)下面向四周水平散開,形成盤狀砂堆并不斷擴大、升高,經(jīng)一段時間后,砂堆頂部逼近沉管管節(jié)下面的空隙[5]?；A(chǔ)灌砂施工時砂盤尺寸、形狀及擴展規(guī)律決定隧道底部砂盤地基的充滿程度,繼而影響沉管隧道地基處理的效果。眾多學者對此展開了研究。徐干成等[6]通過試驗和數(shù)值模擬總結(jié)了砂盤形成的兩個階段:流動和沉積,并總結(jié)了確定砂盤大小的經(jīng)驗方法。魏綱等[7]以舟山沈家門港海底隧道為例,重點關(guān)注了特殊環(huán)境下砂盤形成的過程。張慶賀等[8]對目前國內(nèi)外沉管隧道基礎(chǔ)處理的主要方法進行對比,分析不同方法在解決基槽穩(wěn)定性、控制隧道沉降中的效果。Wei等[9]以中國廣州洲頭咀隧道為背景建立了全尺寸灌砂模型,探討了砂層高度與灌砂時間的關(guān)系以及基礎(chǔ)水槽內(nèi)水壓分布規(guī)律。房營光等[10]建造了灌砂足尺模型,通過灌砂模型試驗確定了灌砂法的砂盤形狀及其擴展尺寸在不同試驗條件下隨時間的變化關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)砂盤擴散半徑和密實度直接影響沉管隧道基礎(chǔ)沉降控制效果,砂水質(zhì)量比、邊界條件,基槽間隙和粗糙程度主要對砂盤擴展過程產(chǎn)生影響,對最終擴散半徑和密實度影響不大。

然而,水下灌砂作業(yè)環(huán)境復雜,傳統(tǒng)的灌砂處理監(jiān)測方法如砂量控制、壓力監(jiān)測、管節(jié)抬升監(jiān)測及潛水探摸等大多依靠經(jīng)驗,是間接監(jiān)測方法。這些方法均無法實時監(jiān)測水下基礎(chǔ)灌砂的過程,也無法反映砂盤的擴散狀態(tài)。

面對這種情況,本文采用彈性波測試方法對沉管隧道灌砂過程進行監(jiān)測。彈性波測試方法在土木工程領(lǐng)域中已有廣泛應(yīng)用,如利用彈性波映像法對水利工程混凝土立墻中的裂縫平面分布、嚴重程度和成因進行檢測[11];利用彈性波沖擊映像法判斷出管道與圍土之間的接觸狀態(tài)[12];利用高頻彈性波傳播和譜單元法對桁架結(jié)構(gòu)進行檢測[13];彈性波沖擊映像法同模型試驗結(jié)合的沉管隧道檢測方法[14]以及利用有限元方法建立地下管線彈性波探測系統(tǒng)模型,用相位檢測判斷管線阻抗特性[15],利用彈性波映像法和瑞利面波法對灌砂的砂基礎(chǔ)質(zhì)量進行檢測[16]。這些研究主要依靠模型試驗、數(shù)值模擬等手段建立彈性波響應(yīng)強度與基礎(chǔ)填充狀態(tài)的關(guān)系,通過評價砂層地基的特性,包括尺寸、密實度等,估算地基處理對沉管隧道影響。但是由于填充過程的復雜多變,監(jiān)測數(shù)據(jù)存在動態(tài)、瞬變、非線性規(guī)律等問題,評價手段存在離散性,擬合誤差大等問題。目前仍無法實時對基礎(chǔ)墊層進行準確監(jiān)測和評價,難以滿足沉管隧道基礎(chǔ)施工的需要。

近年來,隨著計算機技術(shù)的不斷進步,機器學習方法在結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估領(lǐng)域得到良好的發(fā)展。機器學習方法可以從低維度映射到高維度,從而建立高維度數(shù)據(jù)非線性映射的關(guān)系[17]。通過機器學習展開動態(tài)評估的研究層出不窮,例如使用機器學習算法對土木工程領(lǐng)域橋梁支座安全性進行評估[18],構(gòu)建評估橋梁各部件狀態(tài)和橋梁狀態(tài)的非線性映射模型[19]。此外,機器學習方法也為解決土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估問題提供新的思路和方法。

針對沉管隧道基礎(chǔ)灌砂過程監(jiān)測及填充狀態(tài)評價中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題,選取廣州車陂南沉管隧道工程作為研究對象,通過彈性波測試方法對沉管隧道灌砂施工進行監(jiān)測,對不同灌砂狀態(tài)下的彈性波監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了時域、頻域和時頻域的分析。提取了彈性波響應(yīng)強度中的響應(yīng)能量、卓越頻率、小波衰減時間等不同的特征參數(shù),并建立與灌砂填充狀態(tài)的關(guān)系,利用機器學習方法建立了沉管隧道基礎(chǔ)灌砂填充狀態(tài)評價模型。

1 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂彈性波監(jiān)測方法

1.1 彈性波監(jiān)測原理

沉管隧道基礎(chǔ)灌砂彈性波監(jiān)測可以簡化為彈性波在多層介質(zhì)中的傳播問題,當介質(zhì)中的某一層或多層彈性參數(shù)發(fā)生變化時,彈性波場的傳播特性也會發(fā)生變化。灌砂層被視為可變層,由飽和砂、水組成,灌砂層的介質(zhì)密度會隨著灌砂的進行而不斷變化。碎石基槽視為基礎(chǔ)層。當用激發(fā)器(沖擊錘)擊打沉管隧道的底板表面時就會產(chǎn)生彈性波場(縱波、橫波和面波),彈性波在傳播過程中遇到界面就會產(chǎn)生反射和折射,如圖1所示。圖1中:Vi為彈性波在介質(zhì)中傳播的波速;Zi為介質(zhì)的波阻抗(波速與密度的乘積)。

圖1 彈性波測試原理Fig.1 Elastic wave test principle

當彈性波在多層介質(zhì)中傳播時,反射波的反射系數(shù)由兩種介質(zhì)的波阻抗比αm決定,見式(1)。兩種介質(zhì)材料的波阻抗比越大,反射系數(shù)就越大,反射波的響應(yīng)能量就越強。因此介質(zhì)表面彈性波場分布與介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造以及物理性質(zhì)密切相關(guān)。

(1)

基礎(chǔ)灌砂是一個動態(tài)的過程,隨著砂基盤的逐漸形成,灌砂層的水層、砂層動態(tài)變化,底板與灌砂層界面的波阻抗也隨之變化。在灌砂尚未開始時,灌砂層中的介質(zhì)是砂水混合物(主要是水),波速和介質(zhì)密度都遠小于混凝土底板,因此在混凝土底板和灌砂層之間產(chǎn)生了強反射界面,以P波垂直入射混凝土底板為例,此時反射波P11的振幅和能量較大而透射波P12的振幅和能量較小。隨著灌砂的進行,灌砂層中砂水混合物的飽和度不斷增加,當灌砂完成時灌砂層的介質(zhì)由砂水混合物變成砂基盤,此時灌砂層波速及介質(zhì)密度增大,波阻抗比減小,在混凝土底板表面接收到的彈性波振幅和能量都減小,初始狀態(tài)與填滿狀態(tài)波阻抗差距最大。在表面接收的彈性波信號映射了下部介質(zhì)的變化,當灌砂層厚度、彈性模量等發(fā)生變化時,表面信號的響應(yīng)能量、卓越頻率及對應(yīng)的幅值以及混響效應(yīng)等均發(fā)生改變,因此從時域、頻域和時頻域3個方面對彈性波數(shù)據(jù)進行分析,由于灌砂過程中砂水混合物飽和度對彈性波振幅、能量的影響在灌砂前和灌砂后兩個極端狀態(tài)之間,且影響規(guī)律復雜,因此針對初始狀態(tài)和灌滿狀態(tài)建立彈性波與灌砂層填充狀態(tài)的關(guān)系。

(1)時域分析

彈性波的振幅反映了波的能量大小,通過研究振幅的變化可以解釋彈性波通過不同介質(zhì)時能量的變化,進一步解釋介質(zhì)的物理信息。彈性波振幅的衰減與介質(zhì)的密實度和波阻抗緊密相關(guān),密實度越高,波阻抗越大,則衰減越小。為研究不同時間段內(nèi)振幅的變化與介質(zhì)的關(guān)系,通過式(2)計算彈性波在時域內(nèi)的響應(yīng)能量(PPi,i=1,2,3)。

(2)

式中:ti為開始的時間;ti+1為結(jié)束時間;tmax為彈性波采集時長。

(2)頻域分析

彈性波穿過多層介質(zhì),接收到的主頻及其對應(yīng)的幅值反映了彈性波在頻域中的特性。對彈性波信號進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT),獲得卓越頻率和幅值(Fi,Ai),通過卓越頻率、振幅等參數(shù)變化,進而推斷下層介質(zhì)信息。非周期性的連續(xù)時間信號f(t)的傅里葉變換可以表示為式(3),計算結(jié)果即為f(t)的連續(xù)頻譜。

(3)

(3)時頻域分析

通過對接收到的彈性波信號進行連續(xù)小波變換,獲得信號頻率隨時間的變化,進而從時頻變化特點推測混凝土底板下部介質(zhì)情況。其原理是將任意L2空間中的函數(shù)f(t)在小波基下展開,稱這種展開為函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換如式(4)。

(4)

1.2 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂施工

沉管隧道基礎(chǔ)灌砂是灌砂船通過連接灌砂管,向沉管隧道底板和碎石基槽中灌注砂水混合物,形成柔性墊層的施工方式,如圖2所示。灌砂過程大致分成兩個狀態(tài):①最初砂水混合物處于自由落體狀態(tài),經(jīng)過一段時間后砂盤初步形成,砂盤在平面上投影近似為圓形,隨著灌砂的進行砂盤高度逐漸抬升,形成沖擊坑;②砂盤的擴散半徑由灌砂孔向周圍不斷增大,砂盤的充盈率提高,砂水混合物延沖擊坑向周圍擴散,砂盤頂部開始逼近隧道底板,砂盤逐漸密實。其中砂盤的擴散半徑Ri為沉管隧道基礎(chǔ)灌砂中重要的控制參數(shù)。由于整個過程是水下隱蔽施工,因此在灌砂質(zhì)量控制和監(jiān)測方面存在困難。

圖2 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂施工方式Fig.2 Construction method of sand filling for immersed tunnel foundation parameters

本文提出了一種基于彈性波測試的沉管隧道基礎(chǔ)灌砂監(jiān)測方法,可根據(jù)彈性波監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化判斷砂盤的擴散半徑以及灌砂是否完成。同時該方法結(jié)合管節(jié)抬升監(jiān)測、千斤頂壓力監(jiān)測、潛水員探摸監(jiān)測和砂泵灌砂壓力監(jiān)測等多種監(jiān)測手段,共同對整個灌砂過程進行實時監(jiān)測。

2 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂過程監(jiān)測

2.1 工程簡介

車陂路-新滘東路隧道工程位于廣州市天河區(qū)和海珠區(qū)交界處,工程南起新港東路,下穿珠江,止點至黃埔大道交叉口,全長約2.07 km。其中隧道工程主線全長1 547 m,沉管段總長492 m,雙向六車道斷面。隧道平面位置,如圖3所示。沉管段縱向分為E1,E2,E3,E4共4段,沉放順序是E4最先沉放,其次是E3和E1,E2最后沉放。

圖3 車陂路-新滘東路沉管隧道平面位置圖Fig.3 Location of immersed tunnel

沉管段結(jié)構(gòu)采用單箱三室型結(jié)構(gòu)型式,沉管隧道結(jié)構(gòu),如圖4所示。橫向總寬為30.4 m,總高為8.7 m,底板厚度為1.2 m。沉管隧道E4管段的灌砂孔平面布置圖,如圖5所示。每節(jié)管節(jié)配備37個灌砂孔,其中中孔13個,東西邊孔各12個。根據(jù)沉管隧道的施工方案,每個灌砂孔的砂盤控制擴散半徑為7.5m。灌砂基礎(chǔ)先灌注第九排三個孔(E9,C9,W9),再從管頭(E1,C1,W1)按數(shù)字編號的順序向管尾進行灌砂。在灌砂過程實時開展彈性波監(jiān)測和輔助監(jiān)測工作。

圖4 車陂路沉管隧道結(jié)構(gòu)圖(m)Fig.4 Structural diagram of Chebei Road immersed tunnel(m)

圖5 E4管段灌砂孔布置圖(m)Fig.5 Layout of sand filling holes in E4 pipe section(m)

2.2 灌砂現(xiàn)場彈性波監(jiān)測

灌砂現(xiàn)場彈性波監(jiān)測如圖6所示。彈性波監(jiān)測系統(tǒng)主要由震源、單分量速度型檢波器、承托裝置(將檢波器和地面耦合)、地震儀、數(shù)據(jù)采集電腦,連接電纜和電源組成。檢波器的固有頻率為100 Hz,道間距設(shè)置為0.5 m?，F(xiàn)場使用300 g鐵錘作為彈性波激勵裝置,敲擊沉管隧道底板作為震源,偏移距設(shè)置為0.2 m,采樣間隔0.125 ms,采樣時間為0.1 s。根據(jù)現(xiàn)場灌砂施工設(shè)計,監(jiān)測間隔設(shè)置為1 h。

圖6 現(xiàn)場彈性波監(jiān)測Fig.6 Elastic wave scene monitoring

2.3 測線布置

測線布置如圖7所示。砂盤的設(shè)計擴散半徑為7.5 m,受到沉管隧道管節(jié)現(xiàn)場空間限制,每個灌砂孔布置兩條測線;為了避免沖擊坑對測試結(jié)果造成影響,測線布置在擴散半徑4.0～9.5 m內(nèi)。第一道檢波器位于Ri=4 m的位置,按道間距0.5 m布置檢波器,第八道檢波器位于Ri=7.5 m處,每條測線共12道檢波器。

圖7 采集測線布設(shè)(m)Fig.7 Layout of survey line(m)

3 彈性波監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

彈性波反映了Ri位置處的地層信息,在沉管隧道基礎(chǔ)灌砂過程中,上部混凝土底板和底部碎石基槽的厚度是不變的,彈性波數(shù)據(jù)主要反映了中間灌砂層的填充狀態(tài)變化情況。提取響應(yīng)能量、卓越頻率和幅值以及小波衰減時間作為彈性波特征參數(shù),并建立特征參數(shù)變化與灌砂狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.1 時域分析

W5號灌砂孔Ri=6 m處檢波器從灌砂開始到結(jié)束的彈性波波形,如圖8所示。波形的持續(xù)時長約為0.015 s,將波形持續(xù)時長均分為3個階段:0～0.005 s,0.005～0.010 s和0.010～0.015 s,研究不同時域彈性波振幅變化同灌砂時間的關(guān)系。

圖8 彈性波信號隨時間變化Fig.8 Elastic wave signal changing with time

E4管節(jié)灌砂孔在整個灌砂過程中的彈性波響應(yīng)能量變化,如圖9所示。將灌砂時間歸一化以消除灌砂時間不同的影響,具體處理方法如式(5)。

圖9 E4管節(jié)響應(yīng)能量變化圖Fig.9 Change of elastic wave response energy of E4 pipe section

(5)

式中:灌砂進度定義為T;Ti為灌砂時間;Tmax為灌砂總時間選取0～0.005 s,0.005～0.010 s和0.010～0.150 s 3個時域內(nèi)彈性波響應(yīng)能量作為灌砂狀態(tài)的特征值, 0～0.005 s 時域內(nèi)Ri=6 m處檢波器采集到的彈性波響應(yīng)能量變化,如圖9所示。由圖9可知,響應(yīng)能量的數(shù)值較為離散,位于0.050×10-4～0.40×10-4s2/m內(nèi)。響應(yīng)能量主要反應(yīng)底板和灌砂層界面的變化,隨著砂基盤的逐漸形成,灌砂層的水層、砂層動態(tài)變化,灌砂層變化過程中由于砂水混合物的飽和度也隨之變化,尤其是將近灌滿時砂基盤沿著底板擴散,砂基盤與底板間的空間在灌滿與空隙間變化,但是這個空隙是飽和度較高的砂水混合物,因此界面的波阻抗存在動態(tài)性,彈性波響應(yīng)能量的變化規(guī)律呈現(xiàn)復雜變動的特征。在當灌砂進度大于0.8時,砂盤處于擴展階段,砂盤逐漸密實,反射界面波阻抗比減小導致響應(yīng)能量在整體上呈現(xiàn)出衰減趨勢,但是由于砂盤擴展是一個動態(tài)變化過程,很難直接通過響應(yīng)能量閾值進行狀態(tài)的判斷和劃分。

3.2 頻域分析

E4管節(jié)W5號灌砂孔的4道檢波器的頻譜,如圖10所示。由圖10可知,彈性波頻譜包含兩個主峰,響應(yīng)頻譜大約在600 Hz和1 300 HZ左右發(fā)生卓越頻譜響應(yīng)。卓越頻率為F1,F2,對應(yīng)的頻譜值A(chǔ)1,A2,卓越頻率和幅值代表了彈性波在頻域內(nèi)的信息,卓越頻率和對應(yīng)的幅值隨著灌砂的進行而變化。

圖10 E4管節(jié)W5灌砂孔傅里葉譜卓越頻率幅值Fig.10 Fourier spectrum of elastic wave of W5 in E4 pipe section

卓越頻率幅值A(chǔ)1隨灌砂時間變化如圖11所示。由圖11可知,灌砂孔的卓越頻率幅值A(chǔ)1隨灌砂進度的變化規(guī)律整體呈現(xiàn)較為一致的趨勢,隨著灌砂的進行,卓越頻率幅值呈現(xiàn)衰減趨勢,灌砂層由水和土的混合物變成更致密的砂層,灌砂層的剛度增大導致卓越頻率與幅值減小。卓越頻率和幅值與砂盤的形成和擴展具有一定的相關(guān)性。

圖11 A1隨灌砂時間變化Fig.11 Excellent frequency amplitude A1 changes with sand filling time

3.3 時頻域分析

小波衰減時間主要反應(yīng)底板下部軟弱層的混響效應(yīng),與軟弱層的厚度、彈性模量等相關(guān)。小波變換后的主頻衰減時間隨灌砂進度的變化,如圖12所示。由圖12可知,小波衰減時間隨灌砂進度不斷發(fā)生變化。當灌砂進度大于0.8后,砂盤處于擴散狀態(tài),隨著灌砂層與混凝土底板接觸并逐漸密實,介質(zhì)的波阻抗比減小,小波衰減時間不斷降低。但是同樣受到空隙中砂水混合物的飽和度影響,小波衰減時間的變化特征也是動態(tài)的。

圖12 E4管節(jié)時頻域分析圖Fig.12 Time-frequency domain analysis diagram of E4 section

通過探究彈性波在時域、頻域和時頻域的特征參量隨灌砂進度的變化規(guī)律,確定了響應(yīng)能量、卓越頻率、卓越頻率幅值以及小波衰減時間與砂盤形成和擴展有關(guān)的彈性波特征參數(shù)。

4 灌砂填充狀態(tài)評價模型及驗證

4.1 基于支持向量機的灌砂填充狀態(tài)評價模型

在沉管隧道基礎(chǔ)灌砂過程中,由于灌砂層實時動態(tài)變化,因此很難直接建立彈性波特征參數(shù)與砂盤擴散半徑之間的映射關(guān)系。支持向量機(suppot vector machine,SVM)作為一種常用的機器學習算法,可以對數(shù)據(jù)進行分類和回歸,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的決策和預測。并且在面對非線性程度高及樣本數(shù)量較少的情況下更具優(yōu)勢。選擇高斯核函數(shù)進行訓練,高斯核函數(shù)的特點是訓練參數(shù)較少,模型復雜度低,因此十分符合沉管隧道灌砂監(jiān)測模型的訓練。在沉管隧道灌砂過程監(jiān)測中,樣本數(shù)據(jù)為(xi,yi),其中:xi為灌砂過程中彈性波采集的數(shù)據(jù)在時域、頻域和時頻域上分析后的向量形式,包含彈性波的響應(yīng)能量參數(shù)PPi、卓越頻率F1、卓越頻率幅值A(chǔ)1、次頻F2、次頻幅值A(chǔ)2,以及通過小波變換獲得的衰減時間;yi分為灌滿狀態(tài)和未灌滿狀態(tài)兩類樣本,分別賦值為1和0,建立沉管隧道灌砂填充狀態(tài)評價模型。

4.2 模型訓練

為了訓練沉管隧道灌砂填充狀態(tài)評價模型,選擇了車陂路隧道E4管節(jié)灌砂孔的彈性波監(jiān)測數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù),在對模型訓練前,對輸入的特征參數(shù)進行均一化處理,經(jīng)過K-折驗證法獲得最佳的懲罰參數(shù)c=0.7 。采用灌砂總時間的前30%采集的彈性波數(shù)據(jù)樣本定義為未灌滿狀態(tài),將砂盤擴展狀態(tài)中與管節(jié)抬升、壓力監(jiān)測和潛水員探摸一致的彈性波數(shù)據(jù)定義為灌滿狀態(tài)。樣本數(shù)據(jù)分成訓練集和驗證集兩部分,訓練集共包含1 152組數(shù)據(jù),從剩余的數(shù)據(jù)隨機挑選120組數(shù)據(jù)作為驗證集進行驗證,驗證結(jié)果如圖13所示,估計值為模型計算出的填充狀態(tài),真實值為實際的灌砂狀態(tài),對比模型計算的估計值與真實值后得到模型查準率為87.5%,驗證結(jié)果顯示在灌砂初始檢波器全部顯示為未灌滿狀態(tài)時估計值與真實值偏差最小。

圖13 支持向量機預測結(jié)果Fig.13 The results of SVM model

4.3 沉管隧道基礎(chǔ)灌砂填充狀態(tài)評價

利用模型對新修建的E3管節(jié)展開灌砂填充狀態(tài)評價,以砂盤擴散受到邊界條件干涉的W1,E1灌砂孔和不受邊界條件干涉的W9,E9灌砂孔為例,其砂盤擴散半徑,灌砂狀態(tài)以及時間的關(guān)系如圖14所示。

圖14 E3管節(jié)灌砂孔砂盤擴散狀態(tài)隨時間變化Fig.14 Variation of sand deposit diffusion condition with time during sand filling of E3 pipe section

由圖14可知:W1和E1在10 h后砂盤擴散半徑達到7.5 m,3 h后處的狀態(tài)由未灌滿變?yōu)楣酀M狀態(tài);W9和E9灌砂孔經(jīng)過13 h砂盤擴散半徑達到7.5 m,在灌砂進行到4 h后處的狀態(tài)由未灌滿變?yōu)楣酀M狀態(tài)。

基于砂盤擴散半徑計算的砂盤擴散速度如圖15所示。砂盤擴散速度整體呈現(xiàn)出下降趨勢,灌砂進度達到60%后,各個灌砂孔的砂盤擴散速度趨于平緩。W1和E1灌砂孔在整個灌砂過程中的砂盤擴散速度比W9和E9灌砂孔的砂盤擴散速度高23%。主要原因是在E3管節(jié)建設(shè)過程中,W1和E1兩個孔的砂盤擴散受到E4管尾邊界干涉的影響,導致其砂盤形成速度較快?；A(chǔ)填充評價模型能夠?qū)崟r定量判斷砂盤擴散半徑,進而對沉管隧道基礎(chǔ)灌砂填充狀態(tài)進行評價。經(jīng)過約1年時間對E3管節(jié)進行沉降監(jiān)測,工后沉降控制在2.5 cm內(nèi),該模型可用于指導沉管隧道基礎(chǔ)灌砂施工。

圖15 E3管節(jié)灌砂孔砂盤擴散速度Fig.15 Sand deposit diffusion velocity during sand filling of E3 pipe section

5 結(jié) 論

提出了一種基于彈性波測試和SVM的沉管隧道灌砂填充狀態(tài)評價模型。

(1)在層狀介質(zhì)彈性波傳遞理論基礎(chǔ)上,通過對彈性波數(shù)據(jù)進行時域、頻域和時頻域的分析,選取了3個時段的響應(yīng)能量以及卓越頻率、卓越頻率幅值、次頻、次頻幅值和衰減時間共8個特征參數(shù),獲得了特征參數(shù)隨灌砂進度的關(guān)系曲線。特征參數(shù)變化過程呈現(xiàn)出動態(tài)性、非線性特征,并與砂盤的狀態(tài)變化密切相關(guān)。

(2)使用支持向量機法,以E4管節(jié)的彈性波監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了沉管隧道基礎(chǔ)灌砂的狀態(tài)評價模型,灌砂總時間的前30%采集的彈性波數(shù)據(jù)樣本定義為灌滿狀態(tài),將砂盤擴展狀態(tài)中符合管節(jié)抬升監(jiān)測和潛水員探摸后的彈性波數(shù)據(jù)樣本定義為灌滿狀態(tài)。經(jīng)過訓練后模型查準率為87.5%。

(3)利用沉管隧道基礎(chǔ)灌砂填充狀態(tài)評價模型對新修建的E3管節(jié)灌砂孔進行了灌砂狀態(tài)評價,模型能夠?qū)崟r、定量的評價填充狀態(tài)。驗證了邊界干涉對砂盤擴散速度的影響,砂盤擴散速度整體呈現(xiàn)下降趨勢,有邊界干涉的砂盤擴散速度比無邊界干涉的砂盤擴散速度高23%。該模型能夠為后續(xù)充填施工提供指導,經(jīng)過近一年的沉降監(jiān)測,E3管節(jié)工后沉降控制在2.5 cm內(nèi),驗證了模型的有效性。