基于模糊综合评价的风险评估系统和反向传播神经网络下的盾构隧道穿越一条河

文摘

构建一个盾构隧道,穿过一条河带来相当大的安全风险,和风险评估对保证隧道施工的安全至关重要。本文研究一个风险评估系统下的盾构隧道穿越一条河。对盾构隧道进行风险识别,风险因素和指标确定。两者之间的关系确定初步的数值模拟,数值模拟结果验证了实地测量,建立样本集和基于数值模拟的结果。模糊综合评价和反向传播神经网络用于评估和分析风险水平。最后,风险评估系统是用来评估的风险在中国杭州地铁五号线。根据评估结果,调整砂浆强度、灌浆压力、土壤提出了燃烧室压力和风险是有效减轻。

1。介绍

影响隧道施工环境、技术和管理,容易发生安全事故。例如,世界著名Seikan隧道在日本有四个大洪水事故16年建设期间,水进入的最大体积是121.000 m³[1]。在挪威,Vardø隧道在施工期间有两个崩溃;Ellingsøy隧道坍塌在施工期间由于工作面断层和破碎带,由8 - 9米和隧道的顶部坍塌;Oslofjord隧道的施工停止,因为洪水的问题,和隧道只有完成困难用凝固法(2]。在丹麦,伟大的海峡隧道经历了洪水事件(3]。大埔公路隧道在中国,在上海的黄浦江水有严重问题,洪水,和泥浆泄漏,影响隧道安全(4]。的翔安区厦门海底隧道也遭受了河水冲击崩溃在施工过程中,水进入的速度达到120 m³/ h;重大安全事故被及时阻止采用阻塞排水等措施,强化支持,通过高压旋喷加固(5]。上述工程实例显示的必要性进行风险评估,以确保隧道施工的安全。

Sinfield和爱因斯坦(6)指出,需要实现新的隧道技术风险评估之前,他们提出了DAT(决策辅助隧道)方法模拟隧道施工和研究它的影响。社会和经济风险和经济风险的优化进行了研究,并应用于隧道施工在荷兰。香港et al。7)利用事件树分析研究隧道施工的风险;他们认为事故的概率在施工期间的实际问题和提出对策。胡子(8报道了隧道的安全施工。已经完成了大量的工作在风险评估和决策,更理性的决策系统提出了隧道安全。Hyun et al。9)使用故障树分析和层次分析评价盾构隧道的机械相关的风险水平。陈和黄10提出一些概念定义隧道和地下工程的风险,开发风险分析和评价模型,并介绍了风险价值和风险指标的概念;风险研究软土地区盾构隧道,和7个主要类型,提出了可能的损失。王等人。3)确定海底隧道的主要风险因素建设基于风险管理的基本理论和隧道施工,和他们给了相应的控制措施的重要危险因素。应等。11)(i)进行风险分析的一个地下通道隧道使用模糊综合评价和(2)风险评估在中国合肥地铁1号线的结合的风险特征相关的地下通道路基施工环境。Zhang et al。12)利用层次分析和模糊决策确定崩溃风险事件的可能性,通过专家判断,确定定性指标建立风险评估系统崩溃,崩溃和评估山岭隧道的风险。Zhang et al。13]研究了隧道邻近桥梁确定隧道风险因素风险模型,并通过工程实例进行验证。

先前的研究隧道工程的风险分类,风险指标和风险因素的概念定义,并提出了相应的风险评估系统。然而,现有的风险评估系统包含许多定性指标,并确定定性指标的权重主要由专家经验,具有很高的不确定性。此外,大多数以前的研究评估隧道由采矿塌陷变形,而很少有研究对盾构隧道施工风险评估在河流。因此,考虑到实际风险情况下的隧道穿越河流的一部分在中国杭州地铁五号线,摘要(i)识别风险,(ii)决定了风险因素和指标,(3)通过数值模拟进行定量研究,(iv)使用各种数学方法对风险评估和比较,并(v)结合项目现场数据验证分析和建立风险评价体系下的隧道穿越河流。

2。工程背景

左、右线之间的杭州地铁五号线通惠路站和南火车站1652.695和1655.575 m,分别。隧道由盾牌和采矿方法。盾构隧道在南火车站开始,向下通过南火车站西广场,于是采用矿山法当穿越山湖山。然后,依次穿过Langjia道路桥梁、隧道北干线警察局后,最终达到通惠路站。

研究部分,是盾构隧道穿越北湖山河第二次(即开始。40 - 185环左边线和35 - 160环右边线),如图1。湖山北河是一个内河,并给出相关的水文数据表1。

隧道的埋深17米,和上部的水覆盖深度是5米。隧道的内部和外直径是5500和6200毫米,分别。隧道主要通过砾粘土和淤泥圆砾石层,这被视为第五类周边岩石。最初的设计是同步开挖。同步浆是一种惰性泥浆注入压力的0.2 - -0.3 MPa和无二次注入。土仓压力是0.3 - -0.4 MPa。隧道由350毫米厚的预制钢筋混泥土部分:每个网段的混凝土强度等级、抗渗等级P10 P12,纵向和周向方向弯曲段连接的螺栓、组装和交错。

3所示。风险识别和数值模型

风险识别包括确定的因素导致施工风险和评估风险指标。具体步骤如下:(i)确定风险因素和风险指标相结合的相关研究(14,15)和现场施工细节;(2)使用一个数值模型来模拟风险因素,为每个风险指标获取相应的变形值,并验证数值模拟的正确性,通过现场测量和比较验证;(3)使用公式来计算风险指标获得的变形值的风险值;及(iv)建立一组样本数据进行定量分析。

3.1。风险识别

隧道施工风险包括环境和技术的16]。环境因素主要是指影响隧道的地质条件,包括围岩的年级和埋藏深度。技术因素主要指设计参数和影响隧道安全的技术措施。结合盾构隧道施工的分析,风险因素如下:围岩等级;埋藏深度;水的深度覆盖;开挖方法;同步灌浆强度;二次灌浆强度;灌浆压力; soil bin pressure.

的主要风险事件时,盾构隧道穿越河流下包括滑坡和水上涨的风险,因此滑坡和水作为综合风险指标。每个风险触发组合风险作为一个风险指标,并建立了相应的二级评价指标体系,给出了表2。

3.2。数值模型

基于研究区间的实际情况,建立了数值模型使用FLAC 3 d共有335.617区域单位,167.900壳单元,167.900衬管单位,201 336现。模型中有五个主要部分:(i)地面,(ii)河床,(3)层1,(iv)层2,(v)。整个模型的大小X×Y×Z=长×宽×高= 200×200×60 m,如图2。水平位移约束的集合X和Y模型的方向,水平和垂直位移约束的集合Z方向在地上。隧道半径是3.1米,between-tunnel间距是10.8米。隧道通过的地层是一个含碎石粉质粘土层(第一层)和一个圆砾石层(层2)。

的具体参数值表3。在建模过程中,以下基本假设是:(1)周围的岩石各向同性和连续弹塑性材料服从莫尔-库仑屈服准则和模拟区元素。(2)盾构隧道段的弹性材料模拟的衬管单位,而grouting-layer材料由壳单元模拟。(3)考虑流固耦合渗流模型各向同性。

3.2.1之上。建模的风险因素

建立了模型,需要模拟各种风险因素的影响。“杀死单位”是用来模拟盾构开挖,隧道周围和表面力来模拟不同的灌浆压力。推力是应用在隧道开挖的模拟土壤室压力。仿真方法详细的表4。

3.2.2。变形的风险指标

数值计算进行获取地图的拱顶沉降、地表和河床结算、塑性区范围,如图3。对于拱顶沉降,提取截面的位移云映射在相应的位置给结算值,如图3(一个)。关于表面和河床,提取位移云表面相应位置的地图给了结算值,如图3 (b)。对于塑性区,提取stratigraphic-state云映射为相应的位置,如图3(一个)测量后,塑性区长度。

验证数值模拟的结果,它们与监测数据和结果表5。库的仿真值和河床定居点稍有不同的测量值,误差小于1毫米在每种情况下。对地表沉降和塑性区范围内,误差分别为2.49 mm和0.20 m,。总的来说,误差相对较小,数值模拟的数据更准确地反映实际变形值。

3.3。风险指标计算变形:风险值

疾病发生的概率是由计算风险值基于变形值的风险指标。通过对比变形值和规范的限制(17),风险值R_j(j= 1 - 4)获得一个风险指标: 在哪里C_j是对应于每一个风险指标的调整因素,1使用网站监测数据的价值。倒闭的风险R_一个然后从单一风险指标计算吗 在哪里K_一个系数和崩溃吗 。因此,飙升的风险R_B来自现场增加风险R_b1和水压力的风险R_b2: 在哪里K_b1冲击系数和吗K_b2水压力系数,通常为1。

3.4。创建示例数据集

每个风险因素的单位规模是不同的,而值分布的范围不尽相同,所以直接计算值是不可能的。因此,对于定量分析,我们量化和标准化的风险因素及指标表中给出6。量化涉及一些非特异性表达与特定的数据和模糊因素,实现分析和比较;标准化涉及nonquantitative处理,系统中每个因素的绝对值变成一些相对价值的关系。

创建一个样本集的基础上,量化表,为风险评估提供数据支持。25个风险因素的不同组合设计来模拟不同的隧道施工条件,和变形值在相应条件下的风险指标是通过数值计算(见表7)。

4所示。风险评估

在风险评估过程中,指标权重计算模糊综合评价和反向传播神经网络(摘要)来确定风险指标变形值和风险因素之间的通信。

4.1。模糊综合评价

模糊综合回归模型结合回归方法与模糊数学来适应模型参数的模糊性质和定量分析评估。模糊回归模型是由风险因素和指标之间的关系(14,15]。样本的数据集是用来绘制风险因素和指标变形值之间的关系曲线,如图4,可以看到如下:(1)围岩级别的影响曲线可以近似用二次函数,而其他的因素可以近似为直线。(2)的主要技术因素影响隧道和地面沉降是砂浆强度、灌浆压力、土仓压力。(3)提高砂浆强度是有效控制隧道和河床清算,灌浆压力和土仓压力的主要技术因素是影响隧道和地面沉降。(4)土壤本压力更好的控制地表沉降。

据的曲线形式因素指示器变形值图4,相对应的模糊回归模型建立风险指标 在哪里Y_我(我= 1 - 4)的变形值的风险指标,一个₁- - - - - -一个₈是模糊系数对应的风险因素,然后呢B₀是一个常数。

解决模糊系数在上面的方程等价于求解一个线性规划问题在一定的约束条件(见方程(5))。获得解决问题后,risk-indicator-risk-factor关系如下:

基于方程(6)- (9),可以计算每个风险指标的变形值。判断之间的拟合初始计算值和实际值的样本(即。目标价值),我们画散点图如图5。这些计算表明,几乎所有的差异和目标的拱顶沉降值是3毫米内,只有一个错误超过3毫米;值接近,略小于目标值。几乎所有的地表沉降变形的计算值是一样的目标值;只有两个错误超过3毫米。虽然有两个错误大于3毫米,准确性仍能满足工程精度要求。riverbed-settlement变形的拟合很好,与所有错误控制在3毫米:计算值略小于目标值,但精度满足基本要求;然而,当变形值较大,所以是计算错误。

4.2。反向传播神经网络风险评估

摘要在一组学习样本包含输入和输出值,反映样本的映射关系。学习过程包括向前和向后传播。向前传播通过输入值从样品到隐含层处理根据具体训练方法,然后将它们传送到输出层得到输出值和计算错误的实际值。然后向后传播修正权重根据错误和迭代学习减少网络的全局误差(18]。

建立相应的摘要目前情况下,风险因素量化值X₁- - - - - -X₈选择输入值和风险指标变形值吗Y₁- - - - - -Y₄被选中作为输出值。它包含一个隐含层和一个输出层。贝叶斯正则化算法选为隐式的训练方法来正确的数据和输出层通过调整权重和拦截。网络结构如图6。

在25个数据集,21被用来训练样本上的摘要,剩下的四人用于测试来评估学习效果。学习测试后的样品集对应的四个评价指标通过MATLAB 2016,结果如图所示7,在那里R是确定系数;的范围R[0,1],接近1,模型的拟合效果越好。可以看出,训练集有一个良好的训练效果和高度的配合。拱顶沉降的学习效果是最好的(适合度= 1),和塑性区范围是最糟糕的(适合度= 0.95),整体满足要求;每个指标的测试集的预测效果基本上是相同的,所有在0.98。总的来说,摘要的学习和预测性能满足风险评估的要求。

4.3。比较

使用模糊综合评价和计算摘要后,两种方法的结果进行了比较。错误的分析结果更直观地,这两种方法的计算值及其分布范围统计,计算和误差分布地图如图8。总的来说,使用模糊综合评价的计算值小于目标值,而计算使用摘要大于目标值。对于地面沉降,利用模糊综合评价的计算值有两组的错误超过3毫米,而计算使用摘要只有一组错误超过3毫米。关于河床结算,使用模糊综合评价方法的计算值小,这些计算使用摘要很大,但使用每种方法的计算值控制在2毫米,这是最适合的。关于塑性范围内,误差值和模糊综合评价集中−0.1和0.1米之间(共19组)和那些摘要集中−0.1和0.3米之间(共22组);总的来说,错误是小而集中分布,以及配合更好。

大多数使用模糊综合评价的计算值小于目标值,这可能低估了潜在风险。有几个大的数值错误,虽然有一些错误时,变形大,沉降变形的总体误差可以控制在3毫米,塑性区域的分布误差也很小,满足精度要求。与摘要大部分的计算值大于目标值,和建筑设计遵循这种方法可能是保守的。误差分布更集中的范围,和有更少的情况下的大错误,所以整体性能更好。如果计算值大于目标价值,然后根据该方法施工设计可能是保守的。总之,这两种方法满足评估要求,但也有一定的缺点。网站建设设计应根据具体情况确定具体的方法。

5。风险应对和控制管理

5.1。标准风险水平

风险评估,结合风险指标体系和有关隧道监控测量、设计、施工规范(14),表面沉降的风险,拱顶沉降,支持压力,崩溃,和增长分为四个水平根据风险指数计算结果,如表中给出8。

5.2。工程实例的计算

的环境和技术参数下的杭州地铁5号线隧道河引入模糊综合评价系统和摘要评价体系计算风险价值和等级(见表,并提出对策9)。可以看出,模糊综合评价分数比摘要分数略低,但风险水平的判断是一致的;根据原设计施工,地表沉降和拱顶沉降变形很大,和山体滑坡和渗水的风险很高。

评价结果表明,应该调整设计参数如下:(1)调整开挖间距双线隧道开挖期间。左线隧道挖掘后30 m,直线隧道的开挖开始。总是确保双线隧道的开挖时间间隔超过30 m减少造成的干扰同时双线隧道的施工。(2)取代同步注浆的注浆材料。同步注浆可以填补空缺之间的隧道和土壤,减少沉降量,提高隧道的防水性能。灌浆材料从最初的惰性浆浆水泥活跃,注浆量控制在5.5 m³/戒指,砂浆稠度11±0.5厘米,体积密度为1.70±0.1 g / cm³。泥浆的初凝时间是6小时,早期强度基本上是达到24 h后,和每日抗压强度大于0.3 MPa。(3)调整excavation-related盾构机的参数,如灌浆压力和土仓压力。基于图的影响因素的研究4,决定和解可以有效地控制通过增加注浆压力和土仓压力。这是一致的结论得到相关专家和学者通过数值模拟数据,实验室实验和实地测量。因此,在研究的基础上,结合工程经验,灌浆压力调整到0.6 MPa和土壤室0.5 MPa的压力。(4)同步注浆后进行二次灌浆,注入double-liquid浆加固。盾构隧道的过程中,泥浆同步注浆充填后仍有一定的差距差距,建设和收缩变形的存在也是一个地面变形的隐患。因此,二次灌浆进行之间的隧道盾的尾巴每10轮推进。二次灌浆的施工过程如下:(A)选择洞位置和疏浚。预留孔位置选择每个环段和孔的选择和安排相邻环数字图所示9。(B)安装长管灌浆。(C)拌浆的两倍。1米³水泥泥浆由325公斤和550公斤的水,和钠硅酸盐水泥砂浆的体积比是1:1。水泥强度等级42.5以上,水灰比是0.5 - -0.6。水泥浆初凝时间的控制是30分钟,和体积收缩率小于5%。(D)灌浆施工:double-liquid泥浆注入预留孔的位置在隧道段。灌浆压力是0.3 - -0.6 MPa,每个环的灌浆量控制在2米³。注射自下而上的顺序进行。(5)加强施工过程的监测。在灌浆过程中,有必要及时监控,特别是密切关注变形形成的灌浆参数和调节灌浆参数变化后及时根据变形。

由监测数据在图如图所示10后,沉降变形控制有效地采取上述措施。如图11,没有漏水的隧道在开挖段。

6。结论

基于盾构隧道工程的实际情况构建交叉在一条河,影响施工安全的风险因素及指标测定,建立风险评价体系。风险因素和风险指标之间的关系由数值模拟结果,表明提高砂浆强度、灌浆压力、土仓压力可以有效控制沉降变形。

模糊回归理论和人工神经网络用于分析样本集,建立评价模型,计算出风险值。结果表明,模糊综合评估的风险值略小于的神经网络评估,但风险水平是相同的。风险等级标准和提出了相应的对策,形成一个完整的风险评价体系下的盾构隧道河。

基于风险评估的研究,提出了相应的风险等级标准。研究领域的风险评估之后,得出结论,施工时按照原计划进行,该地区风险水平会高,而且可能有崩溃和渗流。因此,应采取措施降低风险。提出了具体措施有效地这样做,如(i)调整开挖间距、灌浆压力、土仓压力;(2)改善灌浆材料;和(iii)进行二次灌浆。

然而,目前的研究有一定的缺陷:数值模型的分辨率不够好,风险因素的选择可以被提炼,灌浆材料等治疗措施应通过实验优化。所有这些步骤应该实现在任何有关此主题的未来的工作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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