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隧道盾构施工对地表沉降影响分析摘要: 随着地表建、构筑物密度与日俱增，在地铁建造过程中对地表环境的保护是一个越来越不容忽视的难题.本文以天津地铁三号线某区间段为研究对象,结合工程实际监测数据分析了在隧道盾构过程中地表的沉降变化情况,得到结论:1沿掘进方向,地表沉降变化趋势一致,各点均表现为先隆起后下沉,最大隆起值在10mm之内,最大沉降值在30mm之内.2地表横断面各点先隆起后下沉,最大隆起和下沉均发生在隧道轴线位置,其他位置沉降值表现为以轴线为中心,对称分布,近似于正态曲线.关键词:地铁;地表沉降;监测数据Abstract: With the surface to build structures, density increasing, the protection of the surface environment is an increasingly difficult problem can not be ignored in the subway construction process, combined with actual monitoring data for the study, an interval segment of the Tianjin Metro Lineanalysis of surface subsidence changes in the process of tunnel shield, get conclusions: 1 Along the tunneling direction, the surface subsidence trends showed for the first uplift after sinking, the maximum uplift values ​​within 10mm, the maximum settlement value30mm .2 Surface cross-section points of uplift after the sinking, the maximum uplift and subsidence occurred in the tunnel axis position, the performance of other locations settlement value for the central axis, symmetrical distribution, similar to the normal curve.Key words: subway; surface subsidence; monitoring data引言：盾构法隧道施工技术经过一百年的发展，虽然有了很大的进步，但是仍不可避免地引起地层的扰动，地层变形及地面沉降，特别是在软土盾构隧道中更为明显，扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将引起长时间内的固结和次固结沉降。
地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析摘要：随着我国地铁建设的不断发展，在地下工程施工中人们越来越重视盾构掘进法开挖隧道引起的地表沉降对地面建筑物的影响,而这个问题的关键是要对地表沉降进行预估。
本文论述了peck横向沉降槽经验公式，并与相关工程相结合深入探讨了盾构掘进法施工隧道对地表沉降影响，并提出相关建议。
关键词：盾构法施工、地表沉降、分析中图分类号：tf351文献标识码： a 文章编号：一、前言现阶段，盾构法施工已成为国内城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。
和其他施工方法一样，由盾构法施工导致的地表沉降及对周围环境产的影响是盾构法施工的一个重要问题。
目前国内外专家学者对隧道施工引起地表沉降的预测方法主要有：经验公式法、模型试验法、数值分析法、理论预测法等。
在实际工程中主要是以建立在实测数据基础上的经验公式法为主，但是这种方法大都局限于预测地表面处的位移，在指导施工中具有很大的局限性。
而数值模拟法能动态反应盾构推进过程中土层中各点变形随时间的变化情况，而且可以对影响地表的许多因素进行直观的分析。
二、peck横向沉降槽经验公式沉降计算中最经典、常用的公式是peck公式。
peck认为,不排水情况下隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积；地层损失在整个隧道长度上均匀分布,隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线(如下图1)。
横向地表沉降的预估公式以及最大沉降量的计算公式为：式中:s(x)为距隧道中心轴线为x处的地面沉降,m； i 为地表沉降槽宽度,即曲率反弯点与中心的距离,m；smax为隧道轴线上方地表最大沉降量,m；vl为盾构隧道单位长度的地层损失量,m3/ m。
图 1地表横向沉降分布曲线反弯点i处的沉降量s≈0.61smax,最大曲率半径点的沉降量s ≈0.22smax。
沉陷槽断面积a≈。
想要预测地面沉降量,必须先估计出地层损失量。
在工程实践中,地层损失量与盾构种类、操作方法、地层条件、地面环境、施工管理等因素有关,一般难以正确估计。
TECHNOLOGY张恒陈寿根邓稀肥（西南交通大学土木工程学院，成都610031）盾构掘进参数对地表沉降的影响分析摘要盾构法作为地铁隧道施工的一种主要施工方法已在我国得到广泛的应用，由施工引起的地层移动和地表沉降是盾构隧道设计和施工中备受关注的问题。
文章以深圳地铁5号线洪浪—兴东盾构区间下穿广深高速公路立交桥隧道施工为工程依托，通过数值模拟和现场监测，对影响地表沉降的掘进参数进行了模拟分析。
计算结果表明，地表下沉与盾构掘进参数密切相关，适当加大注浆压力能有效控制地表沉降；同时，土舱压力与土体原始侧向压力接近时地表沉降量最少。
实测地表沉降与掘进参数的关系表明，当注浆量一定时，地面沉降随土舱压力的增加而减小；地表沉降随着注浆量及注浆压力的增大而减小。
关键词盾构隧道地表沉降掘进参数数值模拟中图分类号：U456.3文献标识码：A文章编号：1009-6582（2010）05-0048-06修改稿返回日期：2010-05-17作者简介：张恒(1985-)，男，博士研究生，主要从事现代盾构隧道理论研究，E-mail ：zhangheng198517@.1引言随着隧道施工技术的不断完善，盾构隧道法愈来愈成为软弱岩土层或繁忙闹市地区地下工程施工的主要施工方法。
但无论盾构隧道施工技术如何改进，盾构推进对周围土体的扰动影响仍是不可避免的。
如何预测盾构穿越所引起的地层位移,确保已有建(构)筑物正常使用和盾构的顺利掘进，是盾构隧道设计与施工中非常关键的问题[1,2]。
盾构法施工引起周围地层变形的内在原因是土体的初始应力状态发生了变化，使得原状土经历了挤压、剪切、扭曲等应力路径。
地层扰动的影响范围和程度取决于多种因素，包括盾构型式、隧道几何尺寸、施工参数(土舱压力、刀盘扭矩、推进力、出土量、注浆量、注浆压力、盾尾间隙等)、土体的性质及隧道所处的环境、隧道上部荷载的影响等[3~6]。
本文以深圳地铁5号线洪浪—兴东盾构区间下穿广深高速公路立交桥隧道施工为工程依托，对影响地表沉降的掘进参数进行了模拟分析，研究成果不仅能用于指导该地铁的盾构施工，同时可为今后类似工程建设积累宝贵的经验，具有重要的经济效益和社会效益。
隧道盾构施工对地表及建筑物沉降影响分析摘要：本文以隧道盾构施工为论述对象，以其对地表及建筑物沉降影响为论述手段，通过笔者理论知识的学习与实践经验的应用，就此展开专业分析关键词：隧道工程；盾构施工；地表沉降；建筑物1.盾构施工对地表及建筑物沉降变形的影响1.1地表沉降规律不论是在何种地层中掘进，盾构施工对地表及建筑物的沉降变形影响大致可经过下述5个阶段：⑴超前沉降。
地层中孔隙水压力因地下水位降低而减小，而围岩有效应力不断增加，在此情况下使地表发生沉降；⑵到达沉降。
盾构到达后会赋予围岩一定的径向压力，当该压力小于地层附加应力时，地表便会发生沉降，反之则隆起；⑶通过沉降。
在盾构扰动作用下，围岩土体因与盾构机间的剪切错动而使地表沉降；⑷盾后沉降。
盾尾过后如若对管片与围岩缝隙间未及时注浆，围岩土体因失去支撑而发生压缩沉降；⑸后续沉降。
盾构完成后，在地层扰动与孔隙水下降等因素的影响下，地表因隧道结构变形而发生沉降。
图1 盾构施工地表沉降规律示意图1.2地表沉降原因隧道盾构掘进所造成的土体扰动与地层破坏为引起地表沉降的主要因素，此外还包括盾构后退、推进方向改变、土体固结与次固结沉降、掘进面土体移动以及盾构空隙等。
当盾构外围附有一层黏土时，将会使盾构过后管片与围岩间空隙增大，如果此时压浆不及时或压浆量不足，便会引发较大程度的地层损失；受管片刚度的影响，在地层压力的作用下，地表会因管片变形而发生沉降。
2.盾构施工影响地表及建筑物沉降变形的因素2.1施工工艺隧道盾构工艺不同，对地层的扰动机理与沉降影响不同，进而作用于邻近建筑物的破坏程度不同；实际上，即使为同一种盾构工艺，在其他因素影响下对地表及建筑物的沉降变形也不相同。
以作业面是否封闭为依据，隧道盾构施工可分为密闭式与敞开式两大类，其中密闭式又分为土压式（常用泥土加压式）与泥水式两种。
对于盾构工艺的选择（即为盾构机的选择），具体应以地质情况为依据合理确定，但原则上必须保证作业面稳定、安全。
第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.2Feb. 2024基于深度学习的盾构隧道施工地表沉降预测方法尹泉1，周怡1，饶军应2(1. 湖南城市学院 城市地下基础设施结构安全与防灾湖南省工程研究中心，湖南 益阳，413000；2. 贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳，550025)摘要：针对现有盾构隧道施工引发地表沉降预测方法中存在的难以同时挖掘数据之间的非线性特征关系和双向时序信息的问题，通过融合卷积神经网络(CNN)、双向长短期记忆(BiLSTM)与自注意力机制(SA)提出一种基于深度学习的地表最大沉降预测方法(CNN-BiLSTM-SA)。
该方法首先利用CNN 提取网络输入数据之间的非线性特征关系，利用BiLSTM 网络提取输入数据的双向时序信息，然后引入SA 机制为CNN 提取的特征分配相应的权重，有效捕获时间序列中的关键信息，最后通过全连接层输出最终地表沉降预测结果。
以湖南万家丽路电力盾构隧道工程为依托构建地表沉降数据集，并选用ANN 、RNN 、LSTM 、BiLSTM 模型开展对比分析。
研究结果表明：评估指标CNN-BiLSTM-SA 的平均绝对误差(MAE)、均方根(RMSE)、决定系数(R 2)、平均绝对百分误差(MAPE)均为最优，具有更好的地表沉降预测性能。
关键词：盾构隧道；地表沉降；深度学习；神经网络中图分类号：U455 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）02-0607-11A deep learning-based method for predicting surface settlementinduced by shield tunnel constructionYIN Quan 1, ZHOU Yi 1, RAO Junying 2(1. Hunan Engineering Research Center of Structural Safety and Disaster Prevention for Urban UndergroundInfrastructure, Hunan City University, Yiyang 413000, China;2. Spatial Structure Research Center, Guizhou University, Guiyang 550025, China)Abstract: The nonlinear feature relationships and bidirectional time-series information of data can not be obtained at the same time in the existing methods for predicting surface settlement triggered by shield tunnel construction. A deep learning-based method(CNN-BiLSTM-SA) for maximum surface settlement prediction was proposed by fusing convolutional neural network(CNN). Bidirectional long and short-term memory(BiLSTM) and self-attention收稿日期： 2023 −06 −26； 修回日期： 2023 −10 −17基金项目(Foundation item)：湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ50281)；国家留学基金委资助项目(202308430166) (Project(2022JJ50281) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(202308430166) supported by Scholarship Council of China)通信作者：周怡，博士，高级工程师，从事岩土及隧道工程研究；E-mail ：***************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.02.014引用格式： 尹泉, 周怡, 饶军应. 基于深度学习的盾构隧道施工地表沉降预测方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(2): 607-617.Citation: YIN Quan, ZHOU Yi, RAO Junying. A deep learning-based method for predicting surface settlement induced by shield tunnel construction[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(2): 607−617.第 55 卷中南大学学报(自然科学版)(SA). In CNN-BiLSTM-SA, CNN was first used to analyse the nonlinear feature relationships among the network input data, and BiLSTM network was used to extract the bi-directional time series information of the input data. And then SA was introduced to assign corresponding weights to the features extracted by CNN to effectively capture the key information in the time series. Finally, the final surface settlement prediction results were output through the fully connected layer. The surface settlement dataset was constructed based on the Hunan Wanjiali Road power shield tunnel project, and the four models, ANN, RNN, LSTM and BiLSTM, were selected to carry out comparative analysis experiments. The results show that the four evaluation indexes of mean absolute error (MAE), root mean square error(RMSE), determination coefficient(R2), and mean absolute percentage error (MAPE) of CNN-BiLSTM-SA are optimal, indicating that the proposed model has better surface settlement.Key words: shield tunnel; surface settlement; deep learning; neural network盾构隧道的挖掘和推进过程中，会使周围土体发生应力重分布，进而导致土体的变形沉降。
盾构施工对地表沉降影响的预估
摘要:以杭州地铁1号线过江隧道为背景,采用经验公式法和有限元数值模拟方法研究分析盾构隧道施工引起的钱塘江北岸标准海塘地表沉降规律,比较两种方法的计算结果,验证了有限元数值模型的合理性,为隧道工程的顺利实施提供参考依据。
关键词:盾构隧道;数值模拟;地层变形
杭州地铁1号线南起萧山湘湖杭州乐园,穿过滨江新中心,至钱塘江时在最低冲刷高程以下通过江底,直达江北岸进入婺江路下,并沿该路西行。
过江隧道采用加泥式土压平衡盾构施工,采用钢筋混凝土管片单层装配式衬砌。
盾构隧道外径6.2m,内径5.5m,衬砌厚度35cm,环宽1.2m,衬砌环全环由6块组成,环与环、块与块间均采用弯螺栓连接。
过江隧道盾构掘进时不可避免地引起地层扰动,引起地层变形及地面沉降。
扰动导致土体强度和压缩模量的降低,这将引起长时间的固结和次固结。
当地层变形超过一定范围时,会严重危及周围建筑物的安全。
因此,掌握地层沉降规律并预先评估其影响程度,对工程的顺利实施极为重要。
本文采用经
验公式法和有限元数值模拟方法对钱江通道盾构隧道施工过程中明清鱼鳞石塘的地表沉降规律进行研究,以期对海塘的保护措施及隧道工程的顺利实施提供参考依据。
1盾构隧道引起土层变形的发展过程盾构推进引起的地面沉降分为5个阶段[1-2]:
1)初期沉降:即盾构开挖面到达某一位臵之前,在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。
因初期沉降量较小,所以一般不被人们觉察。
2)盾构到达时的地面变形:为在开挖面靠近观测点并到达观测点下方过程中所产生的沉降或隆起现象。
当盾构机的正面土压力等于开挖面静止土压力时,掘进对土体影响最小;当盾构机推力不足,其正面土压力小于开挖面的静止土压力时,开挖面土体下沉;当盾构机推力过大则会引起开挖面土体的隆起。
3)盾构通过时的地面变形:为盾构机开挖面到达观测点至盾构机尾部通过观测点这一过程所产生的沉降。
该沉降主要是由于盾构机的通过破坏了原来的土体状况,造成土体的扰动所致。
4)盾尾空隙沉降:由于盾尾通过时会产生一个盾尾间隙,这个盾尾间隙的上方及周围土体应力释放引发了弹塑性变形。
5)长期延续沉降:由于盾构通过时对地基土产生了扰动,再加上上面的各种残余影响,在相当长的一段时间内,地基将继续发生固结沉降和蠕变沉降。
2地层隆沉估算
2.1地面沉降横向分布计算
地表沉降横向分布曲线的形状可用Peck[3]公式合理地表达,这一概念已被人们所接受,上海地区的许多盾构施工实例也充分证明了它的实际使用效果[4-5]。
Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的,沉降槽的体积等于地层损失的体积。
地层损失在隧道长度上是均匀分布的,隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线:式中:S(x)为距离隧道中心线处的地表沉降(m);Smax为隧道中心线处最大地面沉降(m);x为距隧道中心线的距离(m);i为沉降槽宽度系数(m);VS为盾构隧道单位长度地层损失(m3/m)。
Peck公式中的VS(地层损失)与盾构种类、操作方法、地层条件、地面环境、施工管理等因素有关,目前尚难给出确定的解析式。
根据统计,在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下,地层损失VS可表示为:
VS=VlπR2(3)
式中:Vl为地层体积损失率,即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比;R为盾构机外径(m)。
沉降槽宽度系数i决定了盾构施工对周围土体的影响范围,一般而言,沉降槽半宽为2.5i。
研究表明,i取决于接近地表的地层的强度、隧道埋深和隧道半径,其计算式如下:式中:Z为地面至隧道中心的深度;Ф为土的内摩擦角。
杭州地铁1号线过江隧道外径为6.2m,土内摩擦角取为23.2°,隧道顶部覆土厚度有18.8m,运用Peck公式计算可得沉降槽半宽W/2=33.0m,计算结果见表1,地面沉降横向分布见图1。
2.2地面沉降纵向分布计算
刘建航[6]院士在Peck法的基础上,提出了负地层损失概
念,并将地层损失分成开挖面和盾尾后的地层损失两部分,得出了地面沉降量的纵向分布预测公式:式中:S(y)为距原点距离y的地面沉降量,负值为隆起量,正值为沉降量(m);Vl1为盾构开挖面引起的地层损失,欠挖时为负值(m3/m);Vl2为盾构开挖后,以盾尾空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有施工因素引起的地层损失(m3/m);
y为沉降点至坐标原点的距离(m);yi为盾构推进点处盾构开挖面至坐标原点的距离,yf为盾构开挖面至坐标原点距离(m):
yi′=yi-L;yf′=yf-L
L为盾构长度(m);Φ(y)为正态分布函数的积分形式。
纵向沉降槽宽度系数iy和横向沉降槽宽度系数ix可通过修正系数K联系起来:
iy=Kix(6)
随着盾构隧道的推进,鱼鳞石塘地表沉降发展过程如图2所示。
由图2可知,盾尾空隙沉降和长期延续沉降占总沉降的比例为50%～80%。
3有限元分析法预测地层沉降
随着有限元法和计算技术的发展,数值模拟法在预测分析盾构隧道引起的地层变形中被广泛应用。
钱江通道过江隧道采用双管单层双向六车道盾构方案,传统的经验方法无法很好地完成地层变形评估,而有限单元法不仅可以模拟双线隧道,而且可以考虑地层结构,适应复杂边界条件,提供更为丰富全面的计算成果,更适合地层变形分析。
本文采用荷兰DelftTechnicalUniversity研制的有限元分析软件PLAXIS 模拟隧道施工导致的地面沉降,PLAXIS是一个专门用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元计算程序。
3.1有限元模型的构建
该模型考虑的隧道直径为 6.2m,隧道中心埋设高程为-11.92m,盾构隧道顶部覆土厚度为18.7m,两隧道间距6.0m,影响区域土体100m×40m。
地基土层包括6个不同土层,由上而下分别是堤身填土,厚4.0m;黏质粉土,厚3.5m;黏质粉土,厚5.4m;粉砂,厚2.1m;黏质粉土,厚8.3m;淤泥质粉质黏土,厚8.5m;更深部分则被看作完全坚硬,以合适的边界条件加以模拟。
土孔隙水压力分布是静态水压,水位高程(参考地
质勘察报告)取为 6.5m。
数学模型如图3所示。
土层采用MOHR-COULOMB模型,隧道衬砌采用线弹性,厚度为0.35m。
数模分析中考虑的荷载有结构自重、水土压力,模型采用15节点单元为基本单元类型,共有582个单元,4901个节点。
计算参数见表2。
3.2数模计算分析
3.2.1第1条隧道开挖后的地表沉降
数值模拟计算结果见图4,图5。
图4表明单条隧道开挖后,造成了地表下陷,土层沉降对称分布,最大沉降出现在施工隧道中心轴线处,隧道上方的地层沉降随深度增加而增加,在接近隧道衬砌顶端位臵达到最大,在隧道下方土体出现向上的位移,在隧道衬砌底端达到最大。
由图5可知地表最大沉降为12.00mm。
3.2.2二条隧道都开挖后的地表沉降
数值模拟计算结果见图6,图7。
计算结果显示,隧道轴线正上方地表沉降最大,向左右沉降分别逐渐减小,由于新老隧道开挖的相互影响,地表最大沉降为22.22mm,比经验公式计算结果大3.96mm。
4结语
通过地表沉降经验公式、有限元数值模拟等研究手段计算分析了地铁1号线过江隧道盾构施工对钱塘江海塘的影响,
并取得了以下成果:
1)盾构隧道开挖引起的地面沉降受多种因素的影响,主要有隧道覆土厚度、盾构隧道外径、开挖面压力、盾尾注浆填充率、地层物理力学性质、施工条件等。
2)土体位移规律为:盾构通过后,隧道左右土体有靠近盾构的水平移动;土层沉降对称分布,最大沉降出现在隧道中心轴线处,隧道上方的地层沉降随深度增加而增加,在接近隧道衬砌顶端位臵达到最大,在隧道下方土体出现向上的位移,在隧道衬砌底端达到最大。
3)纵向地表沉降。
纵向地表沉降分为5个阶段,即初期沉降、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾尾空隙沉降和长期延续沉降,其中盾尾空隙沉降和长期延续沉降占总沉降的比例为50%～80%。
4)横向地表沉降。
①通过经验公式计算及有限元数值模拟,得出了隧道开挖过程中地表横向沉降规律:地表沉降呈对称分布,隧道轴线正上方地表沉降最大,向左右沉降分别逐渐减小。
②有限元数值模拟第一条隧道开挖后,钱塘江北岸明清鱼鳞石塘表面最大沉降为18.26mm。
③两条隧道都开挖后,地
表沉降具有对称性,最后的综合沉降最大值位于隧道中间。
由于新老隧道开挖的相互影响,钱塘江海塘表面最大沉降为22.22mm,比经验公式计算结果大 3.96mm,验证了有限元数值模拟的有效性和合理性。
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