智能監(jiān)測與數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用

鞏 森 王 赟 葛素剛 付博學(xué) 張東明

(1.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院 重慶 400045；2.中鐵二十三局集團(tuán)第六工程公司 重慶 401121)

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對出行的需求也越來越大，隧道修建數(shù)量也隨之增加，從而引發(fā)了一系列工程災(zāi)難。2002年至2016年以來，我國大型地鐵線路隧道建設(shè)施工工程中的246起技術(shù)事故相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)李皓燃等[1]總結(jié)分析，得出我國地鐵線路隧道建設(shè)工程施工技術(shù)事故主要構(gòu)成及發(fā)生的基本特征。汪成兵、朱合華[2]特別分析某隧道工程施工質(zhì)量事故，并總結(jié)提出其兩個影響質(zhì)量的主要因素。胡永利[3]研究了我國隧道暗挖工程施工中工程地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生機理并總結(jié)提出其具體應(yīng)對控制措施。隧道工程施工安全事故調(diào)查中的十大致命火災(zāi)危險因素由宋寧強等[4]通過渝宜16條高速公路隧道的調(diào)查研究結(jié)果總結(jié)分析而來。近年來，隨著隧道施工量基數(shù)的增加，導(dǎo)致這類事故頻發(fā)，嚴(yán)重危害人們的生產(chǎn)生命。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立灰色模型來預(yù)測數(shù)據(jù)的變化，再進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和精度修復(fù)，從而得到具體對應(yīng)的巖石形變情況及以后的大體趨勢，為后續(xù)具體施工和方案設(shè)計提供支持[5-6]。

2 工程概況

重慶市軌道交通九號線中叢TBM區(qū)間工程位于蘭桂大道，本工程兩臺TBM區(qū)間線路自南向北為叢巖寺站始發(fā)到中央公園東站。TBM區(qū)間左線:ZDK38+137.576～ZDK36+192.363，長1 949.047 m；TBM區(qū)間右線:YDK38+164.3～YDK36+175.953，全長為1 949.086 m。區(qū)間掘進(jìn)長度3 898.133 m，共計2 617環(huán)。該項目主要工程包括4個洞門和3個聯(lián)絡(luò)通道。TBM工程范圍衛(wèi)星圖片見圖1。

圖1 TBM工程范圍衛(wèi)星圖片

3 智能化監(jiān)測設(shè)計

地表沉降監(jiān)測:主要采用精密水準(zhǔn)儀、銦尺等來測量各測點和基準(zhǔn)點之間的相對高度差[7]。隧道監(jiān)測斷面安裝1個單點沉降計和兩個隧道收斂計，見圖2、圖3。單點沉降計布置于拱頂位置，兩個收斂計在距離臺階開挖線1.5 m位置上，水平對齊，左右各1個[8]，每個監(jiān)測斷面布置均相同。這些測量裝置和智能信息收集設(shè)備相連接，能夠快速便捷地收集相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]。

圖2 單點沉降計和測點布置

圖3 收斂計安裝示意

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

地表沉降監(jiān)測項目分為左線地表沉降和右線地表沉降，測點數(shù)左線12個，本文主要闡述左線地表沉降情況；凈空收斂和拱頂沉降以隧道人防段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用無線智能數(shù)據(jù)收集模式，數(shù)據(jù)收集頻率可根據(jù)實際工程現(xiàn)場需求進(jìn)行調(diào)整。隧道項目的數(shù)據(jù)收集頻率為每24 h采集1次。

4.1 地表沉降

在重慶地鐵9號線中叢區(qū)間外圍布設(shè)沉降測點，本文選擇左洞樁號為 ZDK36+190、ZDK36+230、ZDK36+250的監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4為地表測點沉降累計值，ZDK36+250樁點到第66天時數(shù)據(jù)中斷；ZDK36+230樁點數(shù)據(jù)顯示范圍為第50天到第47天、第51天到第72天、第79天到103天；ZDK36+190樁點數(shù)據(jù)顯示范圍為第50天到第97天、第104天到第144天之間的數(shù)據(jù)。但隨著時間的增加，3個樁點地表沉降累計值整體呈下降趨勢，即隨著時間的增加地表下沉明顯，在第144天時地表沉降值達(dá)到最大8.07 mm。

圖4 地表沉降監(jiān)測(累計變化)時程曲線

4.2 拱頂沉降

由圖5可知，人防段拱頂沉降最大累計變化量出現(xiàn)在6月24日，最大累計變化值為2.3 mm，未超過累計變化預(yù)警值20 mm。

圖5 拱頂沉降監(jiān)測(累計變化)時程曲線

4.3 凈空收斂

由圖6可知，人防段凈空收斂最大累計變化量出現(xiàn)在6月23日(YK36+185_1S)，最大累計變化值為1.99 mm，未超過累計變化預(yù)警值20 mm。

圖6 凈空收斂監(jiān)測(累計變化)時程曲線

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測分析

灰色系統(tǒng)計算理論經(jīng)過長期研究少量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和通過對顏色灰數(shù)的不同定義生成計算方式、數(shù)據(jù)的分析選取、殘差的等級對模型的修正，由此建立的GM(1，1)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[10-13]。灰色模型的最大優(yōu)點是不需要大量原始數(shù)據(jù)。缺點也很明顯，簡單的灰色模型，不能夠很精確地預(yù)測巖石形變數(shù)據(jù)。為了改善這一點，將加權(quán)灰色回歸組合模型進(jìn)行沉降監(jiān)測預(yù)測，與灰色模型和普通灰色回歸模型的相對誤差和殘差相比較，驗證加權(quán)灰色線性模型在隧道沉降監(jiān)測預(yù)報中的可行性。

5.1 GM(1，1)模型在地表沉降預(yù)測中的應(yīng)用

原始序列選取累計沉降量原始數(shù)據(jù)，即:

5.2 灰色線性回歸組合模型

式(10)即GM(1，1)模型的時間影響函數(shù)可記為:

5.3 灰色加權(quán)線性回歸組合模型

加權(quán)時間組合函數(shù)模型的設(shè)計方法基本上與通常的加權(quán)組合函數(shù)模型相同，而最大的不同之處在于前者會對根據(jù)時間權(quán)重序列、可靠性、時間權(quán)重比例值的變化等數(shù)據(jù)分配不同的時間權(quán)重，即:

精度遞增因子R通常取1.5，而分析計算得出R值不太適合本工程實例，故經(jīng)過多次調(diào)整，發(fā)現(xiàn)R值取1.35較為適合，故本工程R取為1.35。

5.4 模型精度檢驗

在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測時，首先創(chuàng)建一個GM(1，1)預(yù)測模型。灰色模型的試驗精度測量檢驗一般主要有3種方法:后續(xù)試驗差測量檢驗、關(guān)聯(lián)度測定法測量檢驗、殘差測量法精度檢驗，本文適用于前者。

6 實例分析

以工程中叢段左線地表沉降觀測點ZDK36+230為預(yù)測對象，預(yù)測時間為6月19日到6月30日。

(1)地表沉降灰色預(yù)測模型

建立灰色模型GM(1，1)，經(jīng)過 MATLAB建模計算得:p＝ -0.019 1、q＝2.081 1。 公式為:

(2)組合模型

按照上述模型步驟，得到計算參數(shù):

C1＝9.376 7，C2＝0.425 8，C3＝ -9.399 5，v＝0.069 2。

求解可得:

做累減和平移，即可得到原始序列x(0)的組合預(yù)測模型。

后驗差比:c＝0.218 6；小概率誤差:p＝1。

(3)加權(quán)灰色線性回歸組合模型

計算后驗差c＝0.221 2，小概率誤差p＝1。

結(jié)果對比如圖7所示。

由圖7和表1可知，三種預(yù)測模型的擬合度都很好，預(yù)測精度也均達(dá)到了一級精度。但是線性回歸組合模擬和加權(quán)組合模擬的精準(zhǔn)度都比GM(1，1)高。將預(yù)測模型進(jìn)行修改后，精度明顯有所提高，且可行性和精度均達(dá)到要求。

圖7 測點ZDK36+230結(jié)果對比

表1 觀測點ZDK36+230預(yù)測分析結(jié)果

7 結(jié)論

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)異常變化和預(yù)測數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢的應(yīng)用情況研究得出以下結(jié)論:

(1)智能監(jiān)測的優(yōu)越性

智能監(jiān)測的可靠性:通過智能監(jiān)測技術(shù)實時對各測點的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行記錄，根據(jù)結(jié)果發(fā)出預(yù)警，使施工單位及時做出調(diào)整，確保安全。

智能監(jiān)測的全面性:通過智能自動化監(jiān)測，無論是隧道，還是周圍的邊坡以及上方的建筑物，可做到全方位、全時段覆蓋整個施工區(qū)域。

(2)灰色模型

灰色沉降數(shù)據(jù)預(yù)測模型的擬合和預(yù)測效果良好，不需要大量原始數(shù)據(jù)，計算過程簡單。可為地鐵安全監(jiān)測提供有效的分析方法和可靠保證，確保隧道正常施工。

但缺點也很明顯，即不能將地表沉降數(shù)據(jù)中的線性關(guān)系表達(dá)出來，而且精準(zhǔn)度也不高；本文使用灰色加權(quán)線性回歸組合模型解決了這一問題。