为阐明机器学习在盾构掘进地表变形预测中的关键要点,本研究介绍了机器学习的发展背景,并从数据库建立及数据预处理、模型框架构建、模型评价等方面综述了机器学习的工程应用情况。提出目前相关研究存在的不足之处在于缺少专业公共数据库,工程数据质量参差不齐;对于不同地层类型的工程,模型易出现过拟合问题。同时探讨了机器学习在盾构掘进地表变形预测中发展的方向包括算法之间的有效结合可以取长补短;特征选取和超参数调优仍有较大的研究和应用空间。

对国内外盾构施工中机器学习方法的应用研究现状进行文献调研,针对盾构掘进参数、地层类别与不良地质、地表沉降、姿态偏差和刀具磨损等5个主题,分析梳理机器学习方法及模型输入输出参数的选择情况,归纳总结现有研究的不足和问题,并从模型泛化能力、盾构施工多源异构数据降维压缩与协同融合、基于数据-物理双驱动的盾构智能掘进控制、盾构隧道施工大数据等方面对未来的研究给出了展望,以期为基于机器学习和数据驱动的盾构施工智能化研究和实践提供指导。

系统总结了用于隧道开挖引起地层变形分析与预测的4类方法:理论解析法、经验公式法、数值分析法和模型试验法。阐述4类解析法的基本理论、常用的地层变形经验公式和主要参数的确定方法,介绍数值分析法的发展历程,并从土体本构模型和隧道数值模拟方法两方面展开详细描述;概述基于1g缩尺模型装置和离心机系统的两类模型试验方法。根据各种方法的优缺点,为我国盾构隧道地层变形预测提出建议。

回顾双模盾构机/TBM发明的背景,对多模式盾构机/TBM进行定义和分类,阐释不同类型的双模盾构机/TBM的工作原理,明确双模盾构机/TBM适用的地层和环境,对双模盾构机/TBM的使用进行总结和展望,对类似地层和环境条件下的掘进机施工具有重要的借鉴意义和指导作用。

根据盾构隧道施工的特点并考虑水力条件变化情况,设计砂层中盾构隧道面失稳破坏物理模型试验装置。通过控制刚性支护面平移实现开挖面变形加载,量测开挖面前方土压力变化情况,并对试验过程拍摄的高精度数字图像进行图形处理追踪开挖面失稳破坏过程。开展11组物理模型试验,探讨各向同性、各向异性地层和地下水渗流条件下开挖面失稳破坏机理,得出维持开挖面稳定性的极限支护压力。研究结果表明:随着开挖面变形增大,支护压力先急速减小后趋于稳定,开挖面破坏状态呈楔形滑动块体加上方柱体的破坏模式;各向异性地层中,极限支护压力随沉积方向变化,开挖面前方地层破坏区域高度和宽度略有差异;渗流条件下,地下水渗流导致极限支护压力明显提高,开挖面破坏状态时楔形体滑动面与水平向夹角变小,破坏范围增大。

基于临界漏缝宽度,建立盾构隧道接缝渗漏水诱发邻近地下管线变形的模型试验系统,包括盾构隧道与管线模型、盾构隧道接缝渗漏模拟装置、水位控制系统、数据采集系统等,研究漏缝位置、漏缝分布形式、覆土深度对管线变形沉降、管线内力和漏缝周围土体孔隙水压力的影响规律。试验结果表明:随着覆土深度不断增加,漏缝距离管线的垂直距离增加,且富水砂层将产生更大的应力支撑上部水土压力,管线沉降变形及内力不断减小;相同覆土深度条件下,随着漏缝位置向拱底发生偏移,管线沉降变形峰值及内力峰值逐渐减小,所对应位置逐渐远离隧道中心轴线,漏缝一侧上方管线沉降变形明显,影响范围扩大;单侧漏缝数量增多,新增漏缝位置越靠近拱顶,管线沉降变形及内力增幅越大;双侧对称漏缝工况下,管线沉降变形及内力关于隧道中心轴线对称;双侧非对称漏缝工况下,管线沉降变形及内力关于隧道中心轴线呈明显的非对称性。监测孔隙水压力可以合理地解释盾构隧道漏缝周围土体渗流场的分布情况,越靠近漏缝位置,监测孔隙水压力越小,消散孔隙水压力越大,水总是从孔压高的位置流向孔压低的位置。

为研究矩形顶管开舱施工过程中地层稳定性,以苏州地区某矩形隧道工程中开舱清障施工为背景,分析开舱过程中土舱内土体分布情况,基于此提出地层稳定的优化模型。考虑到工作面被部分支护,对传统筒仓模型进行改进,通过极限平衡分析得到极限支护压力。比较本研究模型和传统模型,结果表明:当工作面无支撑面积较小(空仓面积小于半个工作面,B/L<1/2)时,优化模型优于传统模型。

为建立快速、准确而高效的盾构施工对邻近建筑物影响的评价方法,选取基于角变形和水平应变的主应变为建筑物受盾构施工影响程度的评价指标,通过数值模拟揭示建筑物与地层相互作用对建筑物变形指标的影响规律。结果表明,建筑物的抗弯刚度和轴向刚度对建筑物角变形指标影响较为显著,而建筑物水平应变指标主要受建筑物轴向刚度的影响。进一步量化各影响因素对建筑物变形指标的影响,建立考虑建筑物影响的建筑物变形指标计算方法,引入损伤势指标(damage potential index, DPI)为影响程度度量指标,提出一种考虑建筑物与地层相互作用,且便于工程应用的盾构施工对邻近密集建筑物群结构影响评价方法,该方法应用于工程实践后与实测结果吻合良好。

以南通城市轨道交通1号线4#联络通道为工程背景,通过监测数据研究冻结施工过程的多场耦合变化规律。研发了一套新型多物理场数据监测设备,介绍了监测工作的内容与流程。最后,分析监测数据,并与模拟结果对比。结果表明:考虑到饱和粉砂地层中含有盐分与微水流,盐分使地层在冻结前期温度下降过慢,微水流导致上游深南路站的制冷量流入下游永兴大道站,进而造成实际冻结施工所需时间比预期延迟了10 d。上述监测工作保证了联络通道冻结法施工的安全,并为其它类似工程提供参考数据。