盾構隧道近距離下穿危大拱橋神經網絡模型研究

劉廣勤

摘要：針對軌道交通盾構隧道近距離下穿危大拱橋施工安全問題，本文以合肥軌道交通三號線工程為例，采用神經網絡模型進行分析研究，取得了良好實驗效果，為今后類似工程安全分析提供參考和幫助。

關鍵詞：神經網絡模型; 盾構;鄰接施工;危大拱橋

中圖分類號：G424 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1009-3044（2019）15-0233-03

Abstract：Aiming at the construction safety problem of shield tunnels under dangerous arch bridges， this paper takes Hefei Rail Transit Line 3 project as an example， uses the neural network model to analyze and study， and achieves good experimental results， which provides reference and help for similar projects in the future.

Key words： Neural Network Model; Tunnel Shield; Adjacent Construction; Dangerous Large Arch Bridge

軌道交通施工具有隱蔽性、復雜性和不確定性等特點，由于建設規模龐大、發展迅速，技術和管理力量難以充分保證，造成軌道交通工程施工安全風險加大。近年來我國軌道交通工程相繼發生了很多安全事故，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失[1-2]。軌道交通事故的頻繁發生帶來了施工的風險，這些風險不僅造成了工程成本增加和工期延后，而且不能滿足安全施工的要求并給社會帶來很大的危害。

近年來，鄰接既有地下結構物進行鄰接施工的工程大量涌現。在這種情況下，施工中對既有結構物的影響以及自身近距離施工時的相互影響進行施工監控并及時預測預警則顯得尤為重要。本文擬采用神經網絡模型，針對軌道交通盾構隧道近距離下穿危大拱橋施工監測進行分析研究，獲得了較好的監測效果。

1 BP神經網絡模型

在各種神經網絡結構中，BP神經網絡是目前應用較為成功和廣泛的神經網絡，它屬于一種前饋型神經網絡。BP神經網絡不但有輸入層節點（單元）、輸出層節點， 而且還有一層或多層隱含層節點，層與層之間多采用全連接方式，但同一層之間的節點不存在互相連接[3-6]。BP神經網絡模型如圖1所示。

BP神經網絡具有誤差反向傳播算法的學習過程，通常包括信息的正向傳播與誤差的反向傳播。

第一階段，正向傳播過程：輸入層神經元通過接受外界的輸入信息，并傳遞給中間層神經元，中間層神經元負責前后層之間的信息交換，按照信息變化能力的需求，進而確定出中間層設計的隱含層的數量，最終將信息傳到輸出層，經過進一步的處理，完成一次神經網絡學習的正向傳播處理過程，并由輸出層把信息處理結果輸出外界。

第二階段，反向傳播過程：若網絡的輸出和期望輸出不符時，網絡就會進入誤差的反向傳播過程，誤差通過輸出層，通過采用誤差梯度下降的方式來調整各層權值，并向隱含層、輸入層逐層反向傳播。

這兩個階段的重復進行，使得各層權值不斷修正和優化，是神經網絡學習訓練的過程，該過程不斷進行直到網絡的輸出誤差最小，或達到預定的學習次數為止。

BP神經網絡進行預測的步驟如下：

（1）根據系統信息的實際情況構建出網絡，選擇合適的訓練樣本確定出輸入神經元和輸出神經元的個數，并確定網絡的結構。

（2）將樣本數據進行歸一化，產生新的輸入樣本與檢驗樣本;

（3）按照定義好的網絡結構，將樣本數據輸入，并對樣本數據進行訓練和學習;

（4）將網絡的訓練輸出結果和檢驗樣本進行比較，來驗證網絡的學習能力;

（5）通過對網絡的權值、閾值及隱含層的數目進行調整，以便使網絡具備較強的適應能力，也即是使訓練出來的結果滿足誤差要求。

（6）利用已經訓練好的網絡，對已知的數據進行預測。

2 工程概況

本文以合肥軌道交通三號線14標工程施工為案例，針對軌道交通盾構隧道近距離下穿危大拱橋施工監測進行預測預報。工程標段共包含兩站兩區間：新海大道站（明挖）、經三路站（明挖）、新海大道站～經三路站區間（左線，右線盾構）、經三路站～北二環站區間（盾構，全長約1.7m。兩區間各設置聯絡通道及泵房1座，采用盾構法施工。

平面上，本區間左、右線各有兩段平曲線，曲線半徑均為800m，線間距14～17m。縱斷面上，經三路站～北二環站區間線路縱坡呈“V”字坡，出經三路站后區間右線以28.35m，2‰及210.167m，24.3‰下坡和170m長20‰及57.189m長2‰上坡;左線以28.35m，2‰及210.167m，24.282‰下坡和170m長20‰及57.189m長2‰上坡進入北二環站;隧道頂部埋深約10.02～15.31m;隧道主要穿越硬塑狀黏土層。

3 風險源分析及評價

經三路站～北二環站區間始于經三路站西端頭井，沿包公大道自東向西敷設，下穿二十埠河及二十埠河橋，至北二環站東端頭井。區間沿線多為居民住宅樓及商鋪，距離區間隧道大于12 m，隧道推進過程對周邊房屋的影響較小。區間推進過程中的主要控制性構筑物為：下穿二十埠河及二十埠河橋老橋（雙曲拱橋），側穿二十埠河新橋橋樁（板橋）。參照《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》（GB50652-2011），其中二十埠河橋等級為一級，二十埠河風險等級為二級[4]。