地鐵盾構隧道長期沉降的灰色關聯分析

倪健 陳甦 王彬 周丹 陳潔瑤

摘要：

軟土地區地鐵盾構隧道在運營期間會產生一定的長期沉降，過大的長期沉降將對地鐵的正常運營和安全使用產生不利的影響。為了分析、解決長期沉降帶來的地鐵列車運營安全問題，準確地預測盾構隧道長期沉降顯得尤為重要。本文結合蘇州地鐵一號線的實測數據，從中選取4個相鄰的隧道沉降監測點，并借助Matlab工具建立灰色關聯預測模型和灰色預測模型，分別對蘇州地鐵一號線盾構隧道的長期沉降進行了預測分析。結果表明，灰色關聯預測模型的平均擬合精度為0.44，比灰色模型的擬合精度高，且其預測結果更接近于沉降實測值。灰色關聯預測模型整體性強，可用于預測盾構隧道的長期沉降，為深入研究蘇州及其它地區地鐵盾構隧道長期沉降預測方法提供了重要的參考依據。

關鍵詞：

地鐵盾構隧道；長期沉降；灰色關聯模型；灰色模型

中圖分類號：TU 196.2文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2018）01-0071-04

Abstract：

Metro shield tunnel in soft soil area will have a certain longterm settlement during operation.The excessive longterm settlement will have a negative impact on the normal operation and safe use of the subway.In order to analyze and solve the problem of metro train operation safety caused by longterm settlement，it is very important to predict the longterm settlement of shield tunnel accurately.Based on the measured data of Suzhou Metro Line 1，4 adjacent tunnel settlement monitoring points are selected in this paper.With the help of Matlab，grey correlative model and grey model are established respectively to forecast and analyze the longterm settlement of Suzhou Metro Line 1.The results show that the average fitting precision of gray correlative model is 0.44，which is more precise than gray model.And its predicted results are more close to the measured values of the settlement.Due to its advantages of good integrity，gray correlative model can be used to predict the longterm settlement of shield tunnel.This article aims to provide important reference for further studying the longterm settlement of metro shield tunnel in Suzhou and other regions.

Keywords：

Metro shield tunnel；longterm settlement；gray correlative model；gray model

0引言

任何建（構）筑物在施工及使用過程中都會產生沉降，使用過程中發生的沉降也稱工后或長期沉降。過大的長期沉降可能會影響建（構）筑物的正常使用甚至危及其安全性。諸多學者發現，地鐵盾構隧道在運營期間也會產生長期沉降，特別是置于軟土中的地鐵盾構隧道，其長期沉降量可占到總沉降量的30%～90%[1-6]。當盾構隧道存在過大的沉降或者縱向變形曲率（也即不均勻沉降）達到一定量值時，將會導致環縫張開過大從而引起漏水漏泥現象，或是管片受拉破壞，引起地鐵軌道產生扭曲變形，影響列車運營時的舒適性和安全性。準確地預測盾構隧道長期沉降，可為分析、解決其帶來的地鐵列車運營安全問題提供重要依據，因此如何選用適當模型從而準確地預測盾構隧道長期沉降，已成為當前重要的研究課題。現有的長期沉降預測模型種類較多，其中大多數模型都局限于單點時間序列的建模與預測[7]，而實際工程中，建（構）筑物地基各點的沉降變形不是孤立的，它們之間相互影響、相互關聯，單點的處理方法沒有充分利用沉降監測點間相互關聯的信息，不足以反映變形體的整體變形趨勢和規律[8-14]。因此，本文在灰色理論的基礎上建立灰色關聯預測模型，并結合蘇州地鐵一號線的沉降監測數據驗證該模型預測盾構隧道長期沉降的可行性與合理性。

1灰色關聯預測模型

灰色關聯預測模型是一種多因素分析方法，其基本原理是通過對統計序列幾何關系的比較來分清系統中多因素的關系的緊密程度，序列曲線的幾何形狀越接近，則它們之間的灰關聯度就越大，反之越小[15]。灰色關聯預測模型既保持了灰色模型利用較少數據即可預測的優點，又充分考慮了不同監測點之間的相關性。

2應用實例

本文以蘇州地鐵一號線的沉降數據為依據，從中選取鄰近的4個監測點（Y922、Y923、Y926、Y927），共8次（2012年4月～2017年1月）沉降觀測數據進行建模和預測。為了驗證灰色關聯預測模型的可行性，本文利用前7次沉降觀測數據進行建模，并用第8次沉降觀測數據檢驗預測結果的正確性。本文借助MATLAB工具，分別建立灰色關聯預測模型和灰色預測模型進行盾構隧道長期沉降預測，預測結果見表1，如圖1所示。根據表1中殘差序列并結合公式（8）計算出兩種模型的平均擬合精度，見表2。

由表1～表2和圖1可以看出，灰色關聯預測模型的平均擬合精度為0.44，而灰色模型的平均擬合精度則為1.44，因此灰色關聯模型比灰色模型擬合的精度更高，灰色關聯模型曲線比灰色模型曲線更加接近原始數據；灰色模型曲線對前期實測數據的擬合尚具有一定的精度，但是對后期的擬合與預測結果已經偏離了實測數據，預測精度下降很快，這也符合灰色模型適用于短期預測的特點[18-20]；相比于灰色模型，灰色關聯模型無論是擬合值還是預測值都更加接近于實測值，表明灰色關聯模型由于考慮了隧道相鄰沉降監測點內在的相互制約與相互影響等因素，使得預測結果更接近于其沉降變形的實際值，在預測時能保持較高的精度；采用灰色關聯模型，結合MATLAB工具，可較為準確地預測地鐵盾構隧道的長期沉降。

3結束語

（1）地鐵盾構隧道運營期間的長期沉降將引起道床和隧道管片的開裂以及隧道和車站的滲漏水等問題，從而影響隧道結構穩定性和列車運行安全性。因此，準確預測盾構隧道長期沉降十分重要。

（2）本文基于灰色關聯預測模型，并結合蘇州地鐵一號線沉降實測資料，計算分析了模型的預測值，同時與灰色模型預測結果進行了對比，驗證了灰色關聯模型的合理性和可行性。

（3）灰色關聯預測模型建模方法簡單，整體性強，可避免單點建模的不足和提高預測精度，適用于蘇州地區地質條件下的盾構隧道長期沉降預測。

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