地鐵隧道施工對地表沉降影響的優(yōu)化控制研究

孟祥國

摘 要：在城市地鐵隧道施工過程中，會對地表沉降產(chǎn)生一定程度的影響。所以，需要根據(jù)一定的地表沉降控制基準，建立相關的模型，對此影響進行動態(tài)控制，并對控制過程進行優(yōu)化，將不良影響控制在最低水平。本文就地鐵隧道對地表沉降影響的優(yōu)化控制進行分析。

關鍵詞：地鐵隧道施工 地表沉降 影響 優(yōu)化控制

中圖分類號：TU745 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）07-0-01

在城市地鐵建設過程中，不可避免的會對隧道施工，而隧道施工則會影響到地表的沉降。所以，在實際的施工過程中，需要采取相關的措施對其進行優(yōu)化控制，使城市地鐵隧道施工能夠順利的進行，還能對地表環(huán)境進行有效的保護。

一、地鐵隧道施工中地表沉降影響系統(tǒng)控制狀態(tài)模型

通過對極小化系統(tǒng)總位能進行全面的分析，可獲得地鐵隧道施工地表沉降影響系統(tǒng)的狀態(tài)方程，即：

其中，X（k）表示當施工處于k工序時，系統(tǒng)的狀態(tài)；G（k）∈G，表示當工程處于k工序時，系統(tǒng)對方案作出的響應，其實質上代表的是單位作用下的變形，可客觀的反映出系統(tǒng)的能控性；G表示你系統(tǒng)的響應空間，其可取范圍是由系統(tǒng)環(huán)境e的形態(tài)決定的，如圍巖的形態(tài)、地層的加固情況等。△F（k）∈F，表示在工程處于k工序時，系統(tǒng)的輸入作用變化。如果地下結構需要實現(xiàn)相同的功能，則可能會有多種施工方案可供選擇，將施工方案的個數(shù)即為，則這個方案就會對應個方案響應。當對具體的地鐵隧道工程進行分析時，可采用計算機仿真手段進行。在對不同的施工階段的方案響應情況進行分析時，則可采用數(shù)值模擬的方法進行，這樣就可以建立相應的響應矩陣。

通常情況下，在一開始的時候基本不可能獲得一組最優(yōu)的方案響應矩陣G*（i，k），只能初步獲取一個響應方案，記為G0i，k）。當?shù)罔F隧道施工的工序進行到k的時候，可以根據(jù)工程的實際情況，對初步得到的方案進行適當?shù)男薷摹Ｒ簿褪钦f，可以將k-1時刻的系統(tǒng)利用起來，將W（k-1）的反饋信息輸出出來，對初步響應方案G0（i，k）進行修正，使其能夠與預定的環(huán)境目標相符，這樣就可以達到最優(yōu)化（G（i，k））的目的，實現(xiàn)（G*（i，k））。所以，在這個時候就需要將控制作用引進來。通過輸入作用的相關式可以得到相應的關系式，用于表示輸入作用在各個階段的系統(tǒng)狀態(tài)。

在實際的地鐵隧道施工中，需要對施工現(xiàn)場進行全面的測量。對系統(tǒng)輸出而言，無論施工處于哪個時刻，都不可能獲取有關系統(tǒng)的所有狀態(tài)，能夠獲得系統(tǒng)的部分輸出信息。將前面的方程綜合起來，就可以獲得地鐵隧道施工對地表沉降影響的狀態(tài)模型。

二、地鐵隧道施工中地表沉降影響控制模型

如果將Wmax作為地表沉降的最終控制目標，則可以用以下方程表示系統(tǒng)的二次型目標函數(shù)：

將W（0）作為地表最初始的位移狀態(tài)，則可以得到已知地表觀測點的實現(xiàn)方程，即：

令目標函數(shù)最小，可得：

這些方程都是對地鐵隧道施工對地表沉降影響控制模型的表述，同時還滿足相應的約束條件。

三、動態(tài)最優(yōu)控制策略的制定

地鐵隧道工程的開挖過程，本身就是一個多階段決策的問題，在解決此類優(yōu)化控制問題時，可采用動態(tài)規(guī)劃原理。可以將工程最初步的方案設計出來，再利用此原理，結合工程的實際情況，對初步施工方案進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)地鐵隧道施工對地表沉降影響的最優(yōu)化控制。

1.方案設計階段

首先，最后一步，可將最終能接受的環(huán)境目標限定值設為εN，通常情況下其值可為0.1，經(jīng)過多次修改方案可以使環(huán)境目標最小。通過對各方程式的代換，可以得到：

其中，△W*（N）表示優(yōu)化后施工步所引起的地表最大沉降值增量。然后，可以得到第N步施工的時候，依賴于W（N-1）的最優(yōu)控制策略，即：μN*（W（N-1）），這樣能夠保證環(huán)境目標Wmin的順利實現(xiàn)。

其次，第K步，在施工工序k經(jīng)過多次修改方案后，可使環(huán)境目標最小。

優(yōu)化后的目標函數(shù)為：

最后得到第k步施工時的策略集。

2.施工階段

在實際的地鐵隧道施工中，地表沉降實際值與預測值之間可能存在差距，所以以上優(yōu)化方案可能與實際的環(huán)境要求不符。因此，在實際的施工過程中，要根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，對方案進行適當?shù)恼{整，以實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化控制。如果已知第k階段的施工完成后，在現(xiàn)場測量所得的地表最大沉降值為（k），可以采用動態(tài)規(guī)劃原理，對施工方案的第k+1步到最后一步進行調整。在實際的優(yōu)化過程中，所采用的方法與設計階段所采用的方法是相同的。不同的是，原來的第k+1步為新方案的最后一步。在對第i步進行現(xiàn)場測量時，其得到的值與預測值之間存在區(qū)別，所以這個時候的第k+1步到最后的一步的狀態(tài)會出現(xiàn)變化，遞推關系式也會發(fā)生改變。在第一種方案中，當超前支護不同，或者輔助施工措施不同時，所得到的響應矩陣也會不同。根據(jù)以上最優(yōu)策略，在實際的施工過程中，要從最后一步開始，再利用有限元仿真計算，可以對工程措施效果進行搜索，從而實現(xiàn)地鐵隧道施工對地表沉降影響的優(yōu)化控制。

綜上所述，隨著我國城市化建設進度的不斷加快，地鐵發(fā)揮的交通作用越來越大。因此，根據(jù)城市的發(fā)展需求，在對地鐵隧道進行現(xiàn)場施工時，需要對地表沉降影響問題進行合理的優(yōu)化控制，即首先建立地鐵隧道施工中地表沉降影響系統(tǒng)控制狀態(tài)模型、控制模型，再制定動態(tài)化的最優(yōu)控制策略，以實現(xiàn)地鐵隧道施工對地表沉降影響的動態(tài)優(yōu)化控制。

參考文獻

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