基于響應面法的盾構施工表面沉降參數優化研究

劉 漢 清

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054; 2.西安市市政設施管理局，陜西 西安 710016)

0 引言

隨著現代城市化進程日漸加快，使我國大中型城市的交通擁堵問題成為制約城市發展的重大難題，大力發展軌道交通能夠有效改善這一難題。地鐵作為軌道交通方式的一種，具有準時方便，占地表面積小、安全可靠、噪聲污染小等優點，因此隨著我國經濟的飛速發展，越來越多的城市開展了地鐵的施工建設[1]。

盾構施工作為修建隧道的主要方法之一，在城市地鐵建設過程中起到了非常重要的作用[2]。盾構機是一種專用于盾構施工過程的特大重型施工裝備，其配置的機電裝備多，控制復雜，關聯性強，使其運行狀態難以控制，同時其刀盤轉速、推進速度、推進壓力、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量等參數對施工效率和施工質量有很大影響，其中表面沉降作為衡量施工質量的重要指標之一，很多學者對其進行研究[3]。張厚美[4]通過正交實驗對影響盾構推進速度、表面沉降的主要參數進行研究。白廷輝等[5]通過優化注漿量、推進速度等參數對盾構施工參數選擇提供指導。胡珉等[6]通過神經網絡得到了表面沉降與成形參數之間的關系，提出了控制表面沉降的方法。張恒等[7]通過數值模擬研究了盾構過程的表面沉降，對掘進參數對表面沉降的影響進行研究。綜上所述，當前研究主要集中在單一施工參數對表面沉降的影響，對影響表面沉降的主要施工參數之間的內在聯系和相互作用的研究較少。

本文以西安地鐵5號線3標段為研究背景，采用響應面法研究影響盾構過程表面沉降的主要施工參數對其的影響，包含刀盤轉速、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量，得到預測表面沉降的經驗模型并對表面沉降進行優化，以期得到最優施工參數。

1 施工參數方案

一般情況下影響盾構表面沉降的主要施工參數包括刀盤轉速、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量，根據盾構施工中常用的施工參數范圍確定刀盤轉速在0.6 r/min～1.4 r/min之間，上土倉壓力在40 kPa～60 kPa之間，注漿量在2 m3/ring～4 m3/ring之間，加泥注入量在8 m3/ring～12 m3/ring之間。

在設定施工參數方案時，每個施工參數選擇三個水平，施工方案如表1所示。

根據所選地段的水文和工程地質，每隔50 m設置一個測量點，個別位置間隔10 m設置加密點，每組施工參數設置10個觀測點，取各觀測點的平局沉降值作為該組施工參數的表面沉降值。

2 試驗結果分析

表1 施工因素和水平

試驗結果如表2所示。根據表面沉降的試驗結果，對四個因素進行深入分析，在此基礎上本文采用式(1)所示二階模型對表面沉降值進行預測：

(1)

其中，F為表面沉降值。

表2 試驗方案和試驗結果

利用方差分析能夠評估建立模型的可靠度，同時能夠判斷各施工參數對表面沉降的影響程度，置信水平選擇95%，表面沉降的方差分析如表3所示，同時擬合系數為0.995，這說明建立的模型準確性相對較高。

建立的二階預測模型如式(2)所示，從中可以看出注漿量對沉降量線性作用相對明顯，上土倉壓力對表面沉降量的二階作用最明顯，上土倉壓力和注漿量的交互作用最明顯。對沉降量的一階影響從大到小依次為：注漿量、上土倉壓力、刀盤轉速和加泥注入量。

F=1.87+0.29A-0.64B+1.05C+0.091D-0.091A2+0.31B2+
0.18C2-0.14D2-0.18AB+0.25AC-0.58BC+0.025BD

(2)

不同施工參數的表面沉降響應面圖如圖1所示，可以看出隨著注漿量的增大，表面沉降明顯增大，在土倉壓力較小時這種變化尤其明顯；加泥注入量對表面沉降的影響不明顯，只在上土倉壓力較大時有略微增大的趨勢；上土倉壓力增大表面沉降減小，不過在注漿量較小時變化不明顯；除了在注漿量較小時，其余施工參數組合情況下，隨著刀盤轉速的增加表面沉降都有增大的趨勢。

3 施工參數優化

根據得到的表面沉降預測模型，利用響應面合意性優化方法，以表面沉降最小為目標對表面沉降進行優化，得到最佳施工參數組合，合意性越接近1優化結果越準確，結果表明在刀盤轉速為1.4 r/min，上土倉壓力為54.3 kPa，注漿量為2.0 m3/ring，加泥注入量為8.0 m3/ring時，合意性最大為0.967，此時表面沉降最小為0.65 cm。利用所得施工參數進行施工試驗，經過測量表面沉降為0.69 cm，同優化結果對比誤差為6.15%，說明所建立的預測模型與實際結果有很好的擬合度。

4 結語

1)設計了施工參數響應面法實驗方案，得到了不同刀盤轉速、上土倉壓力、注漿量以及加泥注入量下表面沉降的大小。

2)建立了表面沉降的預測模型，發現對沉降量的一階影響從大到小依次為：注漿量、上土倉壓力、刀盤轉速和加泥注入量。

3)對表面沉降進行優化，在刀盤轉速為1.4 r/min，上土倉壓力為54.3 kPa，注漿量為2.0 m3/ring，加泥注入量為8.0 m3/ring時，表面沉降最小為0.65 cm。