盾构隧道近距离下穿危大拱桥神经网络模型研究

刘广勤

摘要：针对轨道交通盾构隧道近距离下穿危大拱桥施工安全问题，本文以合肥轨道交通三号线工程为例，采用神经网络模型进行分析研究，取得了良好实验效果，为今后类似工程安全分析提供参考和帮助。

关键词：神经网络模型; 盾构;邻接施工;危大拱桥

中图分类号：G424        文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2019）15-0233-03

Abstract：Aiming at the construction safety problem of shield tunnels under dangerous arch bridges， this paper takes Hefei Rail Transit Line 3 project as an example， uses the neural network model to analyze and study， and achieves good experimental results， which provides reference and help for similar projects in the future.

Key words： Neural Network Model; Tunnel Shield; Adjacent Construction; Dangerous Large Arch Bridge

轨道交通施工具有隐蔽性、复杂性和不确定性等特点，由于建设规模庞大、发展迅速，技术和管理力量难以充分保证，造成轨道交通工程施工安全风险加大。近年来我国轨道交通工程相继发生了很多安全事故，造成了严重的人员伤亡和财产损失[1-2]。轨道交通事故的频繁发生带来了施工的风险，这些风险不仅造成了工程成本增加和工期延后，而且不能满足安全施工的要求并给社会带来很大的危害。

近年来，邻接既有地下结构物进行邻接施工的工程大量涌现。在这种情况下，施工中对既有结构物的影响以及自身近距离施工时的相互影响进行施工监控并及时预测预警则显得尤为重要。本文拟采用神经网络模型，针对轨道交通盾构隧道近距离下穿危大拱桥施工监测进行分析研究，获得了较好的监测效果。

1 BP神经网络模型

在各种神经网络结构中，BP神经网络是目前应用较为成功和廣泛的神经网络，它属于一种前馈型神经网络。BP神经网络不但有输入层节点（单元）、输出层节点， 而且还有一层或多层隐含层节点，层与层之间多采用全连接方式，但同一层之间的节点不存在互相连接[3-6]。BP神经网络模型如图1所示。

BP神经网络具有误差反向传播算法的学习过程，通常包括信息的正向传播与误差的反向传播。

第一阶段，正向传播过程：输入层神经元通过接受外界的输入信息，并传递给中间层神经元，中间层神经元负责前后层之间的信息交换，按照信息变化能力的需求，进而确定出中间层设计的隐含层的数量，最终将信息传到输出层，经过进一步的处理，完成一次神经网络学习的正向传播处理过程，并由输出层把信息处理结果输出外界。

第二阶段，反向传播过程：若网络的输出和期望输出不符时，网络就会进入误差的反向传播过程，误差通过输出层，通过采用误差梯度下降的方式来调整各层权值，并向隐含层、输入层逐层反向传播。

这两个阶段的重复进行，使得各层权值不断修正和优化，是神经网络学习训练的过程，该过程不断进行直到网络的输出误差最小，或达到预定的学习次数为止。

BP神经网络进行预测的步骤如下：

（1）根据系统信息的实际情况构建出网络，选择合适的训练样本确定出输入神经元和输出神经元的个数，并确定网络的结构。

（2）将样本数据进行归一化，产生新的输入样本与检验样本;

（3）按照定义好的网络结构，将样本数据输入，并对样本数据进行训练和学习;

（4）将网络的训练输出结果和检验样本进行比较，来验证网络的学习能力;

（5）通过对网络的权值、阈值及隐含层的数目进行调整，以便使网络具备较强的适应能力，也即是使训练出来的结果满足误差要求。

（6）利用已经训练好的网络，对已知的数据进行预测。

2 工程概况

本文以合肥轨道交通三号线14标工程施工为案例，针对轨道交通盾构隧道近距离下穿危大拱桥施工监测进行预测预报。工程标段共包含两站两区间：新海大道站（明挖）、经三路站（明挖）、新海大道站～经三路站区间（左线，右线盾构）、经三路站～北二环站区间（盾构，全长约1.7m。两区间各设置联络通道及泵房1座，采用盾构法施工。

平面上，本区间左、右线各有两段平曲线，曲线半径均为800m，线间距14～17m。纵断面上，经三路站～北二环站区间线路纵坡呈“V”字坡，出经三路站后区间右线以28.35m，2‰及210.167m，24.3‰下坡和170m长20‰及57.189m长2‰上坡;左线以28.35m，2‰及210.167m，24.282‰下坡和170m长20‰及57.189m长2‰上坡进入北二环站;隧道顶部埋深约10.02～15.31m;隧道主要穿越硬塑状黏土层。

3 风险源分析及评价

经三路站～北二环站区间始于经三路站西端头井，沿包公大道自东向西敷设，下穿二十埠河及二十埠河桥，至北二环站东端头井。区间沿线多为居民住宅楼及商铺，距离区间隧道大于12 m，隧道推进过程对周边房屋的影响较小。区间推进过程中的主要控制性构筑物为：下穿二十埠河及二十埠河桥老桥（双曲拱桥），侧穿二十埠河新桥桥桩（板桥）。参照《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011），其中二十埠河桥等级为一级，二十埠河风险等级为二级[4]。