盾構(gòu)隧道近距離下穿危大拱橋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究

劉廣勤

摘要：針對軌道交通盾構(gòu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)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(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型; 盾構(gòu);鄰接施工;危大拱橋

中圖分類號：G424 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)雜性和不確定性等特點，由于建設(shè)規(guī)模龐大、發(fā)展迅速，技術(shù)和管理力量難以充分保證，造成軌道交通工程施工安全風(fēng)險加大。近年來我國軌道交通工程相繼發(fā)生了很多安全事故，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1-2]。軌道交通事故的頻繁發(fā)生帶來了施工的風(fēng)險，這些風(fēng)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(jié)構(gòu)物進(jìn)行鄰接施工的工程大量涌現(xiàn)。在這種情況下，施工中對既有結(jié)構(gòu)物的影響以及自身近距離施工時的相互影響進(jìn)行施工監(jiān)控并及時預(yù)測預(yù)警則顯得尤為重要。本文擬采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，針對軌道交通盾構(gòu)隧道近距離下穿危大拱橋施工監(jiān)測進(jìn)行分析研究，獲得了較好的監(jiān)測效果。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

在各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用較為成功和廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它屬于一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不但有輸入層節(jié)點（單元）、輸出層節(jié)點， 而且還有一層或多層隱含層節(jié)點，層與層之間多采用全連接方式，但同一層之間的節(jié)點不存在互相連接[3-6]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有誤差反向傳播算法的學(xué)習(xí)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(jīng)元通過接受外界的輸入信息，并傳遞給中間層神經(jīng)元，中間層神經(jīng)元負(fù)責(zé)前后層之間的信息交換，按照信息變化能力的需求，進(jìn)而確定出中間層設(shè)計的隱含層的數(shù)量，最終將信息傳到輸出層，經(jīng)過進(jìn)一步的處理，完成一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的正向傳播處理過程，并由輸出層把信息處理結(jié)果輸出外界。

第二階段，反向傳播過程：若網(wǎng)絡(luò)的輸出和期望輸出不符時，網(wǎng)絡(luò)就會進(jìn)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(diào)整各層權(quán)值，并向隱含層、輸入層逐層反向傳播。

這兩個階段的重復(fù)進(jìn)行，使得各層權(quán)值不斷修正和優(yōu)化，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過程，該過程不斷進(jìn)行直到網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差最小，或達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測的步驟如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)信息的實際情況構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的訓(xùn)練樣本確定出輸入神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元的個數(shù)，并確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

（2）將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，產(chǎn)生新的輸入樣本與檢驗樣本;

（3）按照定義好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將樣本數(shù)據(jù)輸入，并對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí);

（4）將網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸出結(jié)果和檢驗樣本進(jìn)行比較，來驗證網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力;

（5）通過對網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值、閾值及隱含層的數(shù)目進(jìn)行調(diào)整，以便使網(wǎng)絡(luò)具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力，也即是使訓(xùn)練出來的結(jié)果滿足誤差要求。

（6）利用已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，對已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

2 工程概況

本文以合肥軌道交通三號線14標(biāo)工程施工為案例，針對軌道交通盾構(gòu)隧道近距離下穿危大拱橋施工監(jiān)測進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。工程標(biāo)段共包含兩站兩區(qū)間：新海大道站（明挖）、經(jīng)三路站（明挖）、新海大道站～經(jīng)三路站區(qū)間（左線，右線盾構(gòu)）、經(jīng)三路站～北二環(huán)站區(qū)間（盾構(gòu)，全長約1.7m。兩區(qū)間各設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道及泵房1座，采用盾構(gòu)法施工。

平面上，本區(qū)間左、右線各有兩段平曲線，曲線半徑均為800m，線間距14～17m?？v斷面上，經(jīng)三路站～北二環(huán)站區(qū)間線路縱坡呈“V”字坡，出經(jīng)三路站后區(qū)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(jìn)入北二環(huán)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(fēng)險源分析及評價

經(jīng)三路站～北二環(huán)站區(qū)間始于經(jīng)三路站西端頭井，沿包公大道自東向西敷設(shè)，下穿二十埠河及二十埠河橋，至北二環(huán)站東端頭井。區(qū)間沿線多為居民住宅樓及商鋪，距離區(qū)間隧道大于12 m，隧道推進(jìn)過程對周邊房屋的影響較小。區(qū)間推進(jìn)過程中的主要控制性構(gòu)筑物為：下穿二十埠河及二十埠河橋老橋（雙曲拱橋），側(cè)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(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》（GB50652-2011），其中二十埠河橋等級為一級，二十埠河風(fēng)險等級為二級[4]。