軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控研究綜述

李桂華，黃 騰，席廣永，蔣敏衛(wèi)，張 東

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

目前，我國大部分地鐵隧道建在軟弱的第四紀(jì)沉(沖)積土層中，該土層屬軟土地質(zhì)條件，土體主要由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成，非常不利于隧道結(jié)構(gòu)的沉降穩(wěn)定，長期、過大的沉降變形會(huì)對地鐵本身安全和結(jié)構(gòu)防水性能以及耐久性構(gòu)成威脅，而嚴(yán)重的不均勻沉降甚至?xí)苯佑绊懙罔F軌道的平整度、乘坐舒適度以及地鐵的安全運(yùn)營.在建成運(yùn)行的地鐵隧道中，沉降變形災(zāi)害較為嚴(yán)重，并成為主要安全問題之一[1-4].在我國軌道交通規(guī)劃中，較多城市地鐵工程集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海和沿江的漫灘區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，地層也多為軟土地質(zhì)，無論在施工期還是運(yùn)營期，都面臨巨大的工程安全問題，形勢不容樂觀.因此，如何科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)地分析和預(yù)測漫灘軟土地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降狀況，對確保隧道結(jié)構(gòu)安全與軌道交通正常運(yùn)行顯得尤為重要，而建立一套科學(xué)、合理、高效、可靠的監(jiān)控體系也已成為迫在眉睫的重要任務(wù).

本文綜述了目前軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控研究現(xiàn)狀，總結(jié)分析了相關(guān)的理論方法及其特點(diǎn)，提出了目前該方面研究中有待解決的問題，并對今后有待于開展的工作進(jìn)行了探討.

1 軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降特點(diǎn)

從已建成運(yùn)營的軟土地鐵隧道沉降狀況來看[1-4]，建于軟土中的地鐵隧道在運(yùn)營期呈現(xiàn)出了較為復(fù)雜的沉降特點(diǎn)，主要有:

a.車站沉降量較小，區(qū)間隧道沉降量較大.

b.左右隧道沉降相同，橫向沉降大致均勻，縱向沉降較大，并且不均勻明顯，有較為嚴(yán)重的沉降槽.

c.運(yùn)營初期沉降速率較大，隨著時(shí)間推移逐漸減緩，但沒有明顯的收斂趨勢.

d.沉降影響因素眾多，分析困難，極限值難以計(jì)算分析.

這些復(fù)雜的沉降特性決定了軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控的必要性與重要性以及現(xiàn)實(shí)意義.

2 軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控研究現(xiàn)狀

軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控研究主要包括沉降監(jiān)測技術(shù)研究、沉降預(yù)測研究和沉降穩(wěn)定性分析與預(yù)警研究三大部分.

2.1 監(jiān)測技術(shù)研究

在我國，為了確保地鐵結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，相關(guān)規(guī)范對地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測技術(shù)有著嚴(yán)格的要求[5-6].同時(shí)，相關(guān)學(xué)者也結(jié)合工程實(shí)際對地鐵地面與地下變形測量的內(nèi)容和方法、變形觀測周期和頻率、基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的布設(shè)方案以及變形測量的等級(jí)和精度等進(jìn)行了研究[7].就目前的監(jiān)測技術(shù)而言，主要有精密水準(zhǔn)測量技術(shù)、三角高程測量技術(shù)、靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)以及電水平尺監(jiān)測技術(shù)等.

a.精密水準(zhǔn)測量技術(shù).該技術(shù)是目前我國地鐵隧道沉降監(jiān)測的主要技術(shù)，具有測量精度高、成果可靠、操作簡便、儀器設(shè)備普通便宜等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，而數(shù)字水準(zhǔn)儀有效地提高了工作效率.該技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明完全滿足地鐵隧道沉降監(jiān)測要求[1，7-10].

b.精密三角高程測量技術(shù).這是一種間接測高技術(shù)，方法簡單，對空間要求小，施測速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，但受觀測條件和儀器精度限制，觀測精度較低.高精度智能全站儀的出現(xiàn)使得觀測精度和自動(dòng)化隧道實(shí)時(shí)三維變形監(jiān)測已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢[11-17].

c.靜力水準(zhǔn)測量技術(shù).該技術(shù)依據(jù)液體連通器原理，用傳感器測量每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對變化，再通過計(jì)算得到各點(diǎn)相對于基點(diǎn)的相對沉降量.通常利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，已成功應(yīng)用于北京地鐵隧道結(jié)構(gòu)整體變形監(jiān)測[18].

d.數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù).該技術(shù)利用高精度的數(shù)字化成像設(shè)備，通過相關(guān)的圖像處理技術(shù)，由2D數(shù)字化影像恢復(fù)3D坐標(biāo)，從而達(dá)到對變形進(jìn)行監(jiān)測的目的.該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)[19]:(a)能快速地獲得結(jié)構(gòu)變形和移動(dòng)的瞬間整體信息;(b)可實(shí)現(xiàn)非接觸測量結(jié)構(gòu)的三維狀態(tài);(c)可以提供整體大面積的變形測量結(jié)果.目前該技術(shù)的應(yīng)用研究已取得較好的效果[20-21].

e.三維激光掃描技術(shù).該技術(shù)是一種新型無接觸式測量技術(shù)，無需反射棱鏡即可精確測得掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其掃描速度目前每秒可達(dá)數(shù)十萬點(diǎn).該技術(shù)集非接觸、自動(dòng)化程度高、高效快速等優(yōu)點(diǎn)于一體.在國內(nèi)，該技術(shù)已使用于北京地鐵隧道結(jié)構(gòu)整體變形監(jiān)測，取得了良好的效果[18].

f.電水平尺監(jiān)測技術(shù).該技術(shù)用于測量物體傾斜(即兩點(diǎn)間高差)，可多個(gè)線性連用，來監(jiān)測物體的線性不均勻沉降，具有高分辨率(能檢測到微小至1″的傾角變化)、可靠性高、安裝簡單、遙控測讀和不影響列車正常運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，常用于行車時(shí)封閉的地鐵隧道中進(jìn)行連續(xù)沉降監(jiān)測[22].

縱觀上述發(fā)展，從以往的傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量到三維激光掃描技術(shù)和電水平尺監(jiān)測技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測過程的自動(dòng)化.同時(shí)，監(jiān)測信息管理也由傳統(tǒng)人工檔案化管理方式邁向了計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)管理的新發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測信息獲取、處理與分析的自動(dòng)化和系統(tǒng)化[23-25]，對快速反饋監(jiān)測信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患起到了重要作用.

2.2 預(yù)測研究

軟土地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降研究貫穿隧道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)的全過程，隧道沉降計(jì)算與預(yù)測的正確與否，直接關(guān)系到隧道施工安全和運(yùn)行壽命.目前，軟土隧道結(jié)構(gòu)沉降模型主要包括基于沉降機(jī)理的確定性模型、基于統(tǒng)計(jì)理論的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型和基于人工智能的數(shù)學(xué)模型.

2.2.1 確定性模型

確定性模型是從各種因素影響隧道結(jié)構(gòu)沉降的機(jī)理出發(fā)，通過研究各類因素和土層以及隧道結(jié)構(gòu)沉降之間的關(guān)系，基于相關(guān)力學(xué)理論建立的數(shù)學(xué)模型.

多年來，軟土隧道結(jié)構(gòu)沉降的規(guī)律、產(chǎn)生原因和機(jī)理得到了深入的研究，沉降計(jì)算與預(yù)測模型的研究取得了較大的進(jìn)展.在沉降成因方面，通過對上海與南京地鐵監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，施工期影響、地層土體沉降、隧道地基沉降、地鐵列車振動(dòng)、隧道上方地表加卸荷載、臨近隧道施工和地震等是造成軟土地鐵隧道沉降的主要因素[3，26-27].在沉降變形性態(tài)和機(jī)理研究方面，大量實(shí)測資料表明，軟土隧道存在著整體沉降、施工階段沉降、長期沉降以及工程相互影響沉降4種典型模式[28]，而土性不均勻與荷載變化是影響隧道縱向變形兩大主要因素[29].而縱觀整個(gè)沉降發(fā)展過程，可分為初始沉降、下臥土層超孔隙水壓力消散而引起的固結(jié)沉降、下臥土體骨架長期壓縮變形的次固結(jié)沉降3個(gè)階段[30].運(yùn)營期軟土隧道結(jié)構(gòu)沉降影響因素眾多，關(guān)系復(fù)雜，該方面研究還基本處于定性分析為主、理論分析為輔的層面，對于諸多因素的影響程度還未有較好的數(shù)學(xué)模型加以分析比較.

目前，軟土隧道沉降計(jì)算與預(yù)測的確定性模型主要是在考慮各種影響因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)固結(jié)理論，結(jié)合各種土的本構(gòu)模型，計(jì)算沉降隨著時(shí)間發(fā)展的各種數(shù)值模型.在隧道周邊基坑開挖卸載影響研究方面，主要應(yīng)用解析法與有限元法進(jìn)行計(jì)算和模擬[31-33].在地鐵荷載作用下軟土地基沉降研究方面，主要利用有限元方法和建立本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算來預(yù)測沉降，包括靜力有限元計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)擬合計(jì)算模型相結(jié)合方法[34-35]、軟土本構(gòu)模型方法[36-39]、軌道-隧道結(jié)構(gòu)-地基數(shù)值分析模型方法[40]、地鐵列車振動(dòng)荷載模擬方法[41-42]等.在地下水位影響研究方面，應(yīng)用三維流-固耦合數(shù)值方法模擬，并采用荷載-結(jié)構(gòu)模式分析水位下降的影響[43].在其他方面，主要包括有限元模擬計(jì)算滲漏水量的影響[44-45]和新建建筑樁基對緊鄰已建地鐵隧道的影響分析計(jì)算模型[46].由以上分析不難看出，軟土隧道結(jié)構(gòu)沉降是各類因素的耦合效應(yīng)，但目前的研究基本還是基于各類單因素影響效應(yīng)開展，仍無法滿足隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測與計(jì)算的要求.

2.2.2 隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型

常用隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型主要有經(jīng)驗(yàn)曲線模型、時(shí)間序列模型、灰色模型等.

a.經(jīng)驗(yàn)曲線模型.該模型是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)利用一定的函數(shù)曲線回歸推算沉降量的一種模型，相對確定性模型大大提高了沉降估算的精度.長期沉降預(yù)測經(jīng)驗(yàn)曲線預(yù)測模型主要有雙曲線模型[47]、修正雙曲線模型[48]、泊松曲線模型[49]、鄧英爾模型[50]、對數(shù)曲線模型[51]、指數(shù)曲線模型[52]等.

b.時(shí)間序列模型.該模型認(rèn)為逐次的觀測值是不獨(dú)立的，可以用觀測值之間的自相關(guān)性建立動(dòng)態(tài)模型，從而利用已有的觀測數(shù)據(jù)對未來數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測[53].

c.灰色模型.該模型只需要較少樣本量，從一個(gè)時(shí)間序列自身出發(fā)，采用一次累加的方法實(shí)現(xiàn)由非線性到線性的轉(zhuǎn)化，從而弱化序列的隨機(jī)性，揭示原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，適合進(jìn)行運(yùn)營期地鐵隧道沉降趨勢預(yù)測[10].在長期隧道工程實(shí)踐中，研究出了灰色等時(shí)距GM(1，1)模型、新陳代謝GM(1，1)模型、灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測模型等用于隧道工程沉降預(yù)測[54-55].

由實(shí)測數(shù)據(jù)而得到的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型較好地反映了軟土隧道結(jié)構(gòu)沉降實(shí)際情況，并且對其機(jī)理及其影響因素采取了“半透明”或者“不透明”的處理方式，規(guī)避了機(jī)理的不確定性和影響因素之間的錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，比較符合自然發(fā)展的實(shí)際規(guī)律特性，因而相對基于沉降機(jī)理的確定性模型有著較高的預(yù)測精度和適用性，是軟土隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測發(fā)展的重要方向.

2.2.3 人工智能模型

當(dāng)前，用于地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測的人工智能模型主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和蟻群算法模型兩類.

a.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.作為人工智能的一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由于其獨(dú)特的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)和并行信息處理方法，并具備非線性、非凸性、非局域性、非定常性、自適應(yīng)性和強(qiáng)大的計(jì)算與信息處理能力，以及模擬和解決非線性問題的強(qiáng)大優(yōu)越性而成為非線性預(yù)測的主要模型之一.孫鈞等[56]采用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對南京市地鐵1號(hào)線工程建立了沉降監(jiān)測模型.近年來，隨著人們對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)一步展開，其收斂速度慢、多個(gè)局部最小點(diǎn)、隱含層節(jié)點(diǎn)不確定性等固有缺陷為實(shí)際應(yīng)用帶來了巨大的阻礙，經(jīng)過多年的探索，將灰色系統(tǒng)、遺傳規(guī)劃算法、小波分析等理論與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合逐漸成為改進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

主要途徑[10，53，57-59].

b.蟻群算法模型.該模型采用了正反饋并行自催化機(jī)制，具有較強(qiáng)的魯棒性、優(yōu)良的分布式計(jì)算機(jī)制、易于與其他方法結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，在解決許多復(fù)雜優(yōu)化問題方面，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能和巨大的發(fā)展?jié)摿60].

利用人工智能模型進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測尚處于初始階段，但是相對于確定性模型和隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型，能夠很好地處理各類影響因素之間以及與隧道沉降之間的復(fù)雜關(guān)系，較為適合表達(dá)隧道結(jié)構(gòu)沉降系統(tǒng)中的模糊或不確定的知識(shí)，是處理這類不確定性、非線性和不確定問題的有力工具，有較強(qiáng)的解釋推理功能，將是復(fù)雜因素影響下的隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測的新的發(fā)展方向.

綜上所述，三類隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測模型分別從不同角度闡釋了沉降發(fā)展過程及其趨勢.目前，雖然三類模型已經(jīng)取得了較好的預(yù)測效果，但是隨著對軟土隧道沉降問題認(rèn)識(shí)的逐步深入，現(xiàn)有預(yù)測方式、預(yù)測效率和預(yù)測精度都越來越滿足不了實(shí)際需要，如何構(gòu)建更為科學(xué)合理的預(yù)測模型成為亟待解決的問題.

2.3 穩(wěn)定性分析與預(yù)警研究

2.3.1 穩(wěn)定性分析研究

相對于其他變形體穩(wěn)定性研究，由于監(jiān)測機(jī)制的不夠完善以及監(jiān)測資料的缺乏，對于運(yùn)營期的軟土地鐵隧道尤其是漫灘軟土地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定性研究還處于初始階段，國內(nèi)外相關(guān)研究資料較為鮮見.在國內(nèi)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定性評判方法主要分為以下兩種:

a.基于測量平差理論的監(jiān)測網(wǎng)穩(wěn)定性評判方法.地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測網(wǎng)一般分級(jí)布設(shè)，由高級(jí)到低級(jí)分為監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng).在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測時(shí)，必須首先對監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定性評判.

監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性分析理論主要利用平均間隙法和t檢驗(yàn)法對監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行總體和單點(diǎn)的穩(wěn)定性分析.平均間隙法是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對變形監(jiān)測網(wǎng)作幾何圖形一致性檢驗(yàn)，以判明該網(wǎng)在兩期觀測之間是否發(fā)生顯著性變化.若檢驗(yàn)通過則認(rèn)為所有點(diǎn)是穩(wěn)定的，否則認(rèn)為不穩(wěn)定.t檢驗(yàn)法應(yīng)用了Baarda數(shù)據(jù)探測理論，檢驗(yàn)時(shí)，在認(rèn)為先驗(yàn)方差因子已知的條件下，首先進(jìn)行監(jiān)測網(wǎng)圖形一致性檢驗(yàn)，然后再逐點(diǎn)進(jìn)行位移分量檢驗(yàn).孫景領(lǐng)等[10，61]根據(jù)地鐵隧道本身的特點(diǎn)，對監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的平差基準(zhǔn)及其選取、相同基準(zhǔn)下監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法等問題進(jìn)行了深入研究.

b.以規(guī)范或者設(shè)計(jì)規(guī)定量值為標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性評判方法.國內(nèi)規(guī)范對沉降穩(wěn)定的分類可以分為兩種:一種認(rèn)為只要工后沉降量值小到能夠滿足結(jié)構(gòu)物的正常使用即可，如JTJ 250—98《港口工程地基規(guī)范》[62]、JTJ D30—2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[63]和JTJ 071—96《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[64]等;而另一種認(rèn)為沉降速率達(dá)到規(guī)定限值即可認(rèn)為沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，如JGJ 8—2007《建筑變形測量規(guī)范》[5]、DGJ32/J 12—2005《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[65]等.在對地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定性進(jìn)行評判時(shí)，直接根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行評判即可.由于各類規(guī)范都是行業(yè)或者地區(qū)長期的施工理論和經(jīng)驗(yàn)的提煉，因此具有較強(qiáng)的權(quán)威性、通用性、可靠性和可操作性.

兩種方法都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和工程理論與實(shí)踐兩個(gè)方面.然而對于不同情況下的隧道結(jié)構(gòu)，其沉降的原因、機(jī)理、規(guī)律以及穩(wěn)定性評判方法有著較大的差別，不能僅僅依靠單一的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)或者地區(qū)的普遍規(guī)律來進(jìn)行評判，最行之有效的方法是在弄清沉降機(jī)理和明晰其沉降趨勢基礎(chǔ)上，綜合考慮各類因素，建立科學(xué)合理的并有一定通用性的評判模型.

2.3.2 預(yù)警研究

長期以來，地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)警一直主要以規(guī)范或者設(shè)計(jì)的固定限值為依據(jù)進(jìn)行判斷，這種固定限值一般由地區(qū)普遍工況、經(jīng)驗(yàn)估計(jì)和設(shè)計(jì)預(yù)估3種方式得到，雖然能夠在一定程度上起到預(yù)警作用，但常常會(huì)因?qū)嶋H工況與設(shè)想工況有較大偏差而導(dǎo)致預(yù)警失效.城市隧道預(yù)警研究目前仍處于初始階段，主要包括隧道安全預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)研究[66]以及隧道施工警戒值確定原則和施工安全狀態(tài)分級(jí)研究[67]兩個(gè)方面.科學(xué)合理的預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵在于預(yù)警指標(biāo)體系及其警戒值的確定.對于運(yùn)營期地鐵隧道結(jié)構(gòu)而言，影響其沉降的因素包括確定性因素和眾多的隨機(jī)因素，對沉降的影響也呈灰色且動(dòng)態(tài)變化的特征，直接利用固定的預(yù)警指標(biāo)體系來進(jìn)行評判預(yù)警勢必造成誤報(bào)情況的出現(xiàn).因此，有必要建立一定的動(dòng)態(tài)預(yù)警體系和預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)預(yù)警指標(biāo)的動(dòng)態(tài)獲取及動(dòng)態(tài)預(yù)警.

3 有待進(jìn)一步研究的問題

a.傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量雖然在測量精度、測量費(fèi)用等方面有一定的優(yōu)勢，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、測量周期長、易受軌道交通限制等缺點(diǎn)，極大地影響到隧道結(jié)構(gòu)沉降狀況反饋的實(shí)時(shí)性.其他監(jiān)測技術(shù)在這些方面已有了顯著的改善，一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，但測量精度不夠高，數(shù)據(jù)處理方法不夠完善.

b.對于城市地面沉降、隧道所處地層的水位變化和下臥土層水土流失等影響機(jī)理研究僅為推測分析，尚待進(jìn)一步加強(qiáng)和明確.同時(shí)，當(dāng)前的機(jī)理研究還基本處于單因素獨(dú)立分析、定性分析為主、理論分析為輔的層面.由于影響因素繁多、相互影響、關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，給機(jī)理分析造成了巨大困難，對于諸多因素的影響程度還未有較好的數(shù)學(xué)模型加以量化分析比較，直接影響到隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測、穩(wěn)定性分析及預(yù)警等后繼過程的準(zhǔn)確性和可靠性.此外，現(xiàn)有研究均為針對隧道結(jié)構(gòu)沉降的共性影響因素，都是從確定性研究角度即土體微觀角度去研究土-隧道聯(lián)合體的性態(tài)特征.微觀角度則需要去考慮因素的全面性，而影響因素的復(fù)雜性和不確定性對全面地研究影響因素帶來了非常大的困難，結(jié)果恰是造成了對地鐵隧道沉降變形機(jī)理認(rèn)識(shí)的局限性.

c.現(xiàn)有地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測研究主要集中于基于沉降機(jī)理的確定性模型、基于統(tǒng)計(jì)理論的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型和基于人工智能的數(shù)學(xué)模型3個(gè)方面.3種模型研究角度不同，預(yù)測原理和方法也有著根本的區(qū)別，雖然在隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)報(bào)中都起到了較好的作用，但也存在著較多的缺陷，需要進(jìn)行深入的研究.確定性模型是建立在詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察基礎(chǔ)之上的，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)在特征和相關(guān)外部影響因素進(jìn)行計(jì)算分析，要求沉降機(jī)理明確、各類參數(shù)準(zhǔn)確，但由于影響沉降的因素繁多復(fù)雜，沉降機(jī)理較難弄清，各類參數(shù)因試驗(yàn)條件和采樣方法限制也較難準(zhǔn)確獲取，使得確定性模型對隧道結(jié)構(gòu)沉降只能基于理想假設(shè)或者經(jīng)驗(yàn)結(jié)論從單個(gè)因素進(jìn)行描述，從而導(dǎo)致計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差別.隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型基于實(shí)測數(shù)據(jù)，具有快捷、計(jì)算簡單等優(yōu)點(diǎn)，但在建模過程中只能建立沉降量與單個(gè)或者多個(gè)因素之間的函數(shù)關(guān)系，不能充分考慮各類影響因素相互之間的關(guān)系，難以適應(yīng)復(fù)雜條件下的沉降預(yù)測，而且基本為單點(diǎn)式模型和分布式模型，在分析時(shí)存在較大的局限性，不能很好地反映隧道縱向大跨度變化趨勢.對于人工智能模型，雖然較為適合隧道結(jié)構(gòu)沉降非線性系統(tǒng)的預(yù)測，但該方面研究目前仍處于初步階段，而且只能以單一的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為預(yù)測樣本，沒有融合必要的影響因素信息，從而預(yù)測模型不能較好切合沉降實(shí)際狀況，預(yù)測效率和預(yù)測精度也有待進(jìn)一步的提高.

d.現(xiàn)階段運(yùn)營期地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定性評判主要根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和規(guī)范規(guī)定限值來進(jìn)行，由于缺乏必要的隧道結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件參數(shù)，評判結(jié)果不能較好地切合地鐵隧道變形實(shí)際，可靠性不足，在實(shí)際評判時(shí)，仍需經(jīng)過較長時(shí)間監(jiān)測、觀察才能得出較為合適的結(jié)論，對于隧道結(jié)構(gòu)的正常維護(hù)和安全運(yùn)營較為不利.

e.運(yùn)營期地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)警主要以規(guī)范或者設(shè)計(jì)的固定限值為依據(jù)進(jìn)行判斷，這種固定限值一般由地區(qū)普遍工況、經(jīng)驗(yàn)估計(jì)和設(shè)計(jì)預(yù)估3種方式得到，雖然能夠在一定程度上起到預(yù)警作用，但常常會(huì)因?qū)嶋H工況與設(shè)想工況有較大偏差而導(dǎo)致預(yù)警失效.

4 今后發(fā)展方向

a.地鐵隧道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設(shè)備段及隧道所處環(huán)境，具有復(fù)雜系統(tǒng)的特性，需要構(gòu)建一套集沉降機(jī)理分析、監(jiān)測信息獲取、沉降趨勢預(yù)測、沉降穩(wěn)定性評判及預(yù)警于一體的綜合監(jiān)控體系，進(jìn)而從根本上保證地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營與抗災(zāi)能力.

b.漫灘軟土地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降成因復(fù)雜，影響因素繁多，并且影響因素之間相關(guān)性較高，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，因而難以較好地應(yīng)用確定性理論進(jìn)行機(jī)理分析，需要研究確定軟土地鐵隧道沉降變形的影響因素以及各因素對沉降變形的影響程度，并對影響因素進(jìn)行分類.

c.運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和方法，結(jié)合機(jī)理研究，運(yùn)用確定性和不確定性建模方法構(gòu)建基于多因素的長周期和短周期軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降預(yù)測模型，以實(shí)現(xiàn)高效高精度預(yù)測目的.

d.隨著影響因素的變化，地鐵隧道結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出不同的沉降響應(yīng)，而處于不同健康狀態(tài)和外界條件下的隧道結(jié)構(gòu)對沉降的承受力也不同.因此，需要研究建立多因素影響下動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評判模型，即根據(jù)隧道當(dāng)前健康狀況，以區(qū)間隧道整體為對象，以沉降趨勢預(yù)測為基礎(chǔ)，構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定性評判指標(biāo)體系，研究分析在影響因素變化條件下，隧道結(jié)構(gòu)的沉降穩(wěn)定性態(tài)，同時(shí)進(jìn)行沉降穩(wěn)定性的定量分級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)測、動(dòng)態(tài)評判.

e.根據(jù)漫灘軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降機(jī)理，結(jié)合沉降預(yù)測與穩(wěn)定性分析研究，針對運(yùn)營期地鐵隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)警體制與方法，基于影響因素實(shí)際變化狀況構(gòu)建合理的預(yù)警指標(biāo)體系，建立基于多因素的隧道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)警、動(dòng)態(tài)預(yù)警.

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