基于响应面法的盾构施工表面沉降参数优化研究

2018-10-09刘汉清

山西建筑 2018年25期

刘汉清

(1.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安 710054; 2.西安市市政设施管理局，陕西西安 710016)

0 引言

随着现代城市化进程日渐加快，使我国大中型城市的交通拥堵问题成为制约城市发展的重大难题，大力发展轨道交通能够有效改善这一难题。地铁作为轨道交通方式的一种，具有准时方便，占地表面积小、安全可靠、噪声污染小等优点，因此随着我国经济的飞速发展，越来越多的城市开展了地铁的施工建设[1]。

盾构施工作为修建隧道的主要方法之一，在城市地铁建设过程中起到了非常重要的作用[2]。盾构机是一种专用于盾构施工过程的特大重型施工装备，其配置的机电装备多，控制复杂，关联性强，使其运行状态难以控制，同时其刀盘转速、推进速度、推进压力、上土仓压力、注浆量以及加泥注入量等参数对施工效率和施工质量有很大影响，其中表面沉降作为衡量施工质量的重要指标之一，很多学者对其进行研究[3]。张厚美[4]通过正交实验对影响盾构推进速度、表面沉降的主要参数进行研究。白廷辉等[5]通过优化注浆量、推进速度等参数对盾构施工参数选择提供指导。胡珉等[6]通过神经网络得到了表面沉降与成形参数之间的关系，提出了控制表面沉降的方法。张恒等[7]通过数值模拟研究了盾构过程的表面沉降，对掘进参数对表面沉降的影响进行研究。综上所述，当前研究主要集中在单一施工参数对表面沉降的影响，对影响表面沉降的主要施工参数之间的内在联系和相互作用的研究较少。

本文以西安地铁5号线3标段为研究背景，采用响应面法研究影响盾构过程表面沉降的主要施工参数对其的影响，包含刀盘转速、上土仓压力、注浆量以及加泥注入量，得到预测表面沉降的经验模型并对表面沉降进行优化，以期得到最优施工参数。

1 施工参数方案

一般情况下影响盾构表面沉降的主要施工参数包括刀盘转速、上土仓压力、注浆量以及加泥注入量，根据盾构施工中常用的施工参数范围确定刀盘转速在0.6 r/min～1.4 r/min之间，上土仓压力在40 kPa～60 kPa之间，注浆量在2 m3/ring～4 m3/ring之间，加泥注入量在8 m3/ring～12 m3/ring之间。

在设定施工参数方案时，每个施工参数选择三个水平，施工方案如表1所示。

根据所选地段的水文和工程地质，每隔50 m设置一个测量点，个别位置间隔10 m设置加密点，每组施工参数设置10个观测点，取各观测点的平局沉降值作为该组施工参数的表面沉降值。

2 试验结果分析

表1 施工因素和水平

试验结果如表2所示。根据表面沉降的试验结果，对四个因素进行深入分析，在此基础上本文采用式(1)所示二阶模型对表面沉降值进行预测：

(1)

其中，F为表面沉降值。

表2 试验方案和试验结果

利用方差分析能够评估建立模型的可靠度，同时能够判断各施工参数对表面沉降的影响程度，置信水平选择95%，表面沉降的方差分析如表3所示，同时拟合系数为0.995，这说明建立的模型准确性相对较高。

建立的二阶预测模型如式(2)所示，从中可以看出注浆量对沉降量线性作用相对明显，上土仓压力对表面沉降量的二阶作用最明显，上土仓压力和注浆量的交互作用最明显。对沉降量的一阶影响从大到小依次为：注浆量、上土仓压力、刀盘转速和加泥注入量。

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)

不同施工参数的表面沉降响应面图如图1所示，可以看出随着注浆量的增大，表面沉降明显增大，在土仓压力较小时这种变化尤其明显；加泥注入量对表面沉降的影响不明显，只在上土仓压力较大时有略微增大的趋势；上土仓压力增大表面沉降减小，不过在注浆量较小时变化不明显；除了在注浆量较小时，其余施工参数组合情况下，随着刀盘转速的增加表面沉降都有增大的趋势。

3 施工参数优化

根据得到的表面沉降预测模型，利用响应面合意性优化方法，以表面沉降最小为目标对表面沉降进行优化，得到最佳施工参数组合，合意性越接近1优化结果越准确，结果表明在刀盘转速为1.4 r/min，上土仓压力为54.3 kPa，注浆量为2.0 m3/ring，加泥注入量为8.0 m3/ring时，合意性最大为0.967，此时表面沉降最小为0.65 cm。利用所得施工参数进行施工试验，经过测量表面沉降为0.69 cm，同优化结果对比误差为6.15%，说明所建立的预测模型与实际结果有很好的拟合度。