基于案例庫的鐵路隧道開挖方案智能設(shè)計(jì)方法

高玉祥 董曉峰 程建軍 韓峰

1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京100044；3.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子832003；4.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070

我國是世界上山地分布最廣的國家之一，山區(qū)面積約占到陸地面積的三分之二，而中西部的山地占比則更大［1］。隧道是山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。我國在長期的鐵路建設(shè)過程中解決了很多工程難題，積累了豐富的隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。由于隧道工程非常復(fù)雜，斷面開挖方法的選擇至關(guān)重要，科學(xué)合理的開挖方法能夠保證隧道施工安全和預(yù)期的工程進(jìn)度。顏杜民［2］根據(jù)隧道開挖不同階段的圍巖變形曲線特征，建立了基于S 型函數(shù)的隧道開挖全過程變形預(yù)測模型，提高了隧道工程安全施工的水平。黃維新等［3］通過研究隧道開挖順序分析軟弱圍巖不同時(shí)間段變形量，提出了先開挖深埋側(cè)的建議。劉詩音等［4］采用最小安全系數(shù)法對(duì)開挖過程中圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。趙智濤等［5］認(rèn)為隧道爬坡開挖與水平開挖的影響區(qū)域范圍具有差異性，但掌子面穩(wěn)定性則區(qū)別不大。馬玉春等［6］利用有限元數(shù)值模擬方法研究了高地應(yīng)力軟巖隧道的開挖方法及變形控制措施。目前，關(guān)于隧道開挖方案的研究多針對(duì)具體工程解決難點(diǎn)問題，而對(duì)于綜合同類型的既有實(shí)例及工程經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)新隧道施工方案的研究尚不多見，鐵路隧道建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)的價(jià)值沒有得到有效發(fā)揮。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的迅速發(fā)展，將人工智能理論及技術(shù)引入到隧道工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于提高隧道工程設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度具有實(shí)用意義。本文提出基于案例庫的隧道開挖方案智能設(shè)計(jì)方法，利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）強(qiáng)大的空間分析、數(shù)據(jù)管理能力對(duì)海量的隧道工程案例進(jìn)行存儲(chǔ)、管理，使用數(shù)據(jù)算法對(duì)既有案例設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行挖掘，構(gòu)造隧道開挖方案相似設(shè)計(jì)決策模型，借助既有設(shè)計(jì)案例及其經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)新建鐵路隧道開挖方案的設(shè)計(jì)決策。

1 鐵路隧道工程設(shè)計(jì)影響因素及案例表征

1.1 隧道開挖的影響因素分析

鐵路隧道作為管狀的地下構(gòu)造物，其施工是很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，修建時(shí)開挖方法的選擇會(huì)受到很多因素的制約。鐵路隧道施工方案應(yīng)該根據(jù)其所處的地形、地質(zhì)、氣候、水文等條件，結(jié)合隧道的幾何特性、工程施工條件等因素綜合確定，主要有礦山法、掘進(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法、明挖法等［7］。

單線鐵路與雙線鐵路的隧道斷面尺寸、結(jié)構(gòu)形式相差很大，單洞雙線隧道、單洞單線隧道的開挖方法不同。由于列車通過隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力波和微壓波現(xiàn)象，根據(jù)新建隧道設(shè)計(jì)時(shí)常用的軌面以上最小凈空橫斷面要求，列車設(shè)計(jì)行車速度的凈空橫斷面大小不同。長大隧道的埋深通常較大，山體內(nèi)部容易出現(xiàn)高地應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性，還會(huì)在施工過程中使隧道出現(xiàn)變形，對(duì)于埋深超過400 m 的隧道可能會(huì)出現(xiàn)高地溫現(xiàn)象，還需要進(jìn)行地溫監(jiān)測［8-9］。圍巖分級(jí)是指按照巖體完整程度、巖石強(qiáng)度對(duì)無限巖體序列的等級(jí)劃分，是決定隧道開挖方案的一個(gè)重要因素。圍巖等級(jí)越高，巖體的完整程度和強(qiáng)度指標(biāo)越好。圍巖質(zhì)量較好的隧道可以選擇更適合的隧道位置和襯砌類型，降低工程難度，從而減小工程量并節(jié)約投資。開挖隧道時(shí)，若滲水量較大就會(huì)出現(xiàn)掌子面無法施工的情況，故一定要處理好排水的問題。而高寒高海拔地區(qū)的隧道工程則會(huì)受到更多復(fù)雜因素的綜合作用，氣候惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱、通風(fēng)、凍害、襯砌裂損是最常見的施工難題，適用于平原低海拔地區(qū)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在該類地區(qū)并不適用。

1.2 案例表征

鐵路隧道工程開挖方案的選定受很多因素的影響，在借助既有案例輔助新項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，案例表征是智能決策設(shè)計(jì)方法應(yīng)用的前提，只有進(jìn)行準(zhǔn)確的案例表征才能保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性。在案例表征時(shí)，如果考慮所有因素，案例表征將會(huì)復(fù)雜化，不利于案例的特征表達(dá)，故確定屬性單元時(shí)應(yīng)選擇影響隧道開挖設(shè)計(jì)的主要因素，舍棄部分次要因素，且這些信息在項(xiàng)目建設(shè)前期就方便獲取。根據(jù)主要影響因素的類型，通過劃分屬性單元來表征隧道案例，提取出的每個(gè)屬性單元都影響隧道開挖方法的選擇，同時(shí)也是相似案例檢索的重要依據(jù)。結(jié)合TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，從設(shè)計(jì)因素、地質(zhì)環(huán)境和地理環(huán)境3 方面選取13 個(gè)屬性單元來實(shí)現(xiàn)案例的表征，見圖1。

圖1 屬性單元及層次結(jié)構(gòu)

屬性單元的值是開挖方案設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，也是案例數(shù)字化、規(guī)則化表達(dá)的依據(jù)。圖1 中的屬性單元按屬性值可分為兩種表示形式。

1）數(shù)值型：隧道長度c1、線路設(shè)計(jì)速度c3、穿越斷層數(shù)目c5、最大滲水量c6、最高地溫c9、地震動(dòng)峰值加速度c10、最冷月平均氣溫c11、最大埋深c12、海拔高度c13。

2）等級(jí)型：隧道斷面類型c2、圍巖級(jí)別c4、節(jié)理發(fā)育程度c7、地應(yīng)力級(jí)別c8。

對(duì)于數(shù)值型單元而言，每個(gè)方案都有各自的屬性值，為了實(shí)現(xiàn)方案之間相似度計(jì)算的合理性、便捷性，將其進(jìn)行規(guī)范化的等級(jí)劃分處理，用數(shù)字1—5分別表示對(duì)應(yīng)的等級(jí)。劃分依據(jù)見表1。

表1 屬性單元值等級(jí)劃分

2 隧道開挖相似方案設(shè)計(jì)決策方法

2.1 相似決策模型

相似決策模型是案例匹配的依據(jù)。制約隧道方案設(shè)計(jì)的工程特性、地理屬性、地質(zhì)屬性等因素具有空間的多維度特征。根據(jù)空間多維度相似的基本理論，并結(jié)合表1的屬性單元等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，兩座鐵路隧道開挖方案的相似度函數(shù)可由Q來表征［10］，即

式中：K、L分別為隧道A、隧道B包含的屬性單元個(gè)數(shù)；Ng為兩座隧道設(shè)計(jì)方案均有屬性值的單元個(gè)數(shù)；ci為每一個(gè)單元的屬性值，i為屬性單元的序號(hào)。

由于獲取的隧道工程案例信息可能會(huì)存在部分單元屬性值缺失的情形，為規(guī)避在這種情況下相似度不能計(jì)算的問題，對(duì)兩個(gè)隧道A、B 開挖方案設(shè)定屬性單元的數(shù)量相似度ssl，計(jì)算公式為

式中：Nmax為隧道方案中屬性單元數(shù)目的最大值。

隧道方案單個(gè)屬性單元的相似度s（ci）計(jì)算公式為

式中：cAi、cBi分別為隧道A、B第i個(gè)單元對(duì)應(yīng)的屬性值。

由于不同屬性單元對(duì)隧道開挖設(shè)計(jì)方案的影響程度不同，具有不同的重要性，為體現(xiàn)單元間的差異化作用，對(duì)屬性單元c1，c2，…，cn設(shè)立權(quán)重w1，w2，…，wn，則由單元屬性值確定的隧道方案屬性相似度Ssx為

根據(jù)以上確定的單元的數(shù)量相似度和屬性相似度的計(jì)算內(nèi)容，綜合后得到兩座鐵路隧道開挖方案的總相似度S（A，B）為

2.2 案例相似度計(jì)算

相似度計(jì)算實(shí)現(xiàn)了案例間相似程度的量化，隧道開挖方案設(shè)計(jì)受多因素共同影響，屬性單元的作用程度和機(jī)理差異明顯，應(yīng)分別計(jì)算其重要性系數(shù)。層次賦權(quán)法能夠充分利用定性、定量相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)圖1 的屬性單元層次結(jié)構(gòu)，利用層次賦權(quán)法可有效地計(jì)算出各單元的重要性系數(shù)。模型共分3層，第一層為設(shè)計(jì)鐵路隧道開挖方案，第二層為工程設(shè)計(jì)b1、地質(zhì)環(huán)境b2、地理環(huán)境b3，第三層是具體的屬性單元ci，i=1，2，…，n，按照?qǐng)D1所示的順序排列。

先計(jì)算準(zhǔn)則層（工程設(shè)計(jì)、地質(zhì)環(huán)境、地理環(huán)境）對(duì)于開挖方案的權(quán)重系數(shù)，然后分別計(jì)算各單元對(duì)于準(zhǔn)則層的重要性。在通過指標(biāo)的一致性檢驗(yàn)后，即可得到各屬性單元的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各屬性單元權(quán)重

隧道案例T1和T2由屬性單元ci（i= 1，2，…，n）可分別表征如下。

T1：1 223 m、單洞雙線、160 km/h、［Ⅳ，Ⅴ）、穿越斷層0 條、0.364 m3/（d·m）、弱發(fā)育、低地應(yīng)力、22.4 ℃、0.15g、4.3 ℃、205 m、1 391 m；

T2：1 065 m、單洞雙線、160 km/h、［Ⅳ，Ⅴ）、穿越斷層1 條、0.235 m3/（d·m）、發(fā)育、高地應(yīng)力、18.7 ℃、0.20g、3.5 ℃、182 m、1 624 m。

根據(jù)表1 對(duì)T1、T2的單元特征值進(jìn)行等級(jí)劃分，并由式（5）計(jì)算T1和T2的相似度，公式為

相似度是判斷兩個(gè)案例相似程度的量化指標(biāo)，相似度較高的案例會(huì)有更多的共性。為減小計(jì)算量，并提升案例庫的檢索效率，在進(jìn)行相似案例匹配時(shí)，可根據(jù)對(duì)隧道開挖方案查找的相似度設(shè)定一個(gè)閾值，這樣就會(huì)只得到與新建項(xiàng)目相似度較高的案例。由于單洞雙線隧道與單洞單線隧道設(shè)計(jì)具有較大差異，構(gòu)建的算法中進(jìn)行相似度匹配時(shí)，先對(duì)這一條件進(jìn)行判斷，通過后再計(jì)算2個(gè)隧道方案的整體相似度。

在既有設(shè)計(jì)案例的經(jīng)驗(yàn)重用時(shí)，若兩個(gè)方案之間的相似度過小，則表明隧道工程所處的工程環(huán)境差異過大，不能用庫中案例來解決實(shí)際工程問題。根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方案的統(tǒng)計(jì)分析，并參考已有研究成果，當(dāng)案例間的相似度大于0.8 時(shí)［11］，將庫中案例作為新項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)其進(jìn)行修正后可實(shí)現(xiàn)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，能達(dá)到較為滿意的開挖方案設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，將整體相似度臨界值設(shè)定為0.8，作為既有案例及其經(jīng)驗(yàn)重用的依據(jù)。

3 基于GIS的隧道工程案例庫

3.1 案例庫設(shè)計(jì)與案例存儲(chǔ)

由于相似案例匹配的成功與否很大程度上取決于案例庫的性能和質(zhì)量，一個(gè)存儲(chǔ)海量案例的案例庫是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)決策的前提條件。GIS 數(shù)據(jù)庫可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)）的雙重管理，且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)還可以帶有地理空間位置屬性，方便隧道工程的分類管理和查詢。組件式GIS 是指通過.NET 組件對(duì)象平臺(tái)，利用C#、Java 等計(jì)算機(jī)語言，根據(jù)實(shí)際功能需求對(duì)GIS軟件進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建適用于某特定功能的分析系統(tǒng)，有較好的擴(kuò)展性和開放性，還具有二次開發(fā)便捷、高效的優(yōu)勢(shì)［12］。

案例庫是工程方案設(shè)計(jì)決策的載體，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型比較豐富，主要為矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、Excel數(shù)據(jù)、文本等類型，實(shí)現(xiàn)對(duì)案例及其相關(guān)內(nèi)容的存儲(chǔ)。針對(duì)多源異構(gòu)特征的各種數(shù)據(jù)，并根據(jù)方案設(shè)計(jì)實(shí)際需求，建立基于GIS 隧道案例庫的系統(tǒng)模型框架，見圖2。

圖2 基于GIS鐵路隧道案例庫系統(tǒng)模型

基于屬性單元的案例表征是案例存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，須通過統(tǒng)一的規(guī)則用符號(hào)化、規(guī)范化的語言進(jìn)行表示。框架知識(shí)表示法由于具有較好的兼容性、推理機(jī)制和層次性，可以對(duì)多種信息、知識(shí)在不同的框架內(nèi)自由組合，是當(dāng)前最有效的知識(shí)表示形式之一。根據(jù)收集的既有案例資料［13-16］、影響因素作用機(jī)理和已劃分屬性單元的特征，采用框架知識(shí)表示法作為案例表征的方法，結(jié)合屬性單元的特性，對(duì)于不同單元設(shè)定對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)規(guī)則，部分內(nèi)容見表3。

表3 部分案例存儲(chǔ)內(nèi)容

3.2 案例庫開發(fā)

在進(jìn)行基于GIS 的隧道案例庫二次開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，首先利用 Visual Studio 2012 和.NET 平臺(tái)，在Windows主窗體下選擇一些ArcGIS Engine 中的可視化控件，根據(jù)實(shí)際的功能需求添加到主窗體中；然后分別添加 LicenseControl、MapControl、TOCCControl 和 Toolbar Control 控件。對(duì) TOCCControl 和 ToolbarControl 實(shí)現(xiàn)地圖綁定的程序代碼為

隧道工程案例庫由很多模塊構(gòu)成，主要包括案例分析、案例管理、空間分析等主要模塊及其子菜單。根據(jù)各模塊的功能需求進(jìn)行相應(yīng)的控件設(shè)置和代碼編寫。既有工程案例的部分信息須用文字形式進(jìn)行呈現(xiàn)，查看相關(guān)信息時(shí)通過點(diǎn)擊按鈕即可實(shí)現(xiàn)。對(duì)保存在案例庫中的既有工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)txt 文檔中的項(xiàng)目信息查看，實(shí)現(xiàn)其功能的部分關(guān)鍵代碼為

既有相似案例經(jīng)驗(yàn)是案例設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，也是設(shè)計(jì)者對(duì)工程方案設(shè)計(jì)智慧的體現(xiàn)，應(yīng)以文本形式存儲(chǔ)，案例匹配完成后可以通過相關(guān)按鈕查看。用txt存儲(chǔ)的案例設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)文本信息查看結(jié)果見圖3。

圖3 案例設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)查看示例

3.3 案例庫應(yīng)用與相似案例查找

案例庫是進(jìn)行新項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)的載體，其應(yīng)用過程見圖4，主要包括案例匹配、案例修正、案例學(xué)習(xí)和案例庫入庫，其中最關(guān)鍵的是科學(xué)使用既有案例及其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。相似案例匹配是在案例庫中查找到滿足要求的既有案例，并根據(jù)項(xiàng)目的工程資料和屬性單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)將屬性值標(biāo)準(zhǔn)化，為案例匹配提供參數(shù)支撐。對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，兩個(gè)案例之間都會(huì)存在不同程度的細(xì)節(jié)差異，完全相同的兩個(gè)案例幾乎沒有，故檢索到相似案例后，其設(shè)計(jì)結(jié)果并不能直接使用，應(yīng)根據(jù)案例之間的差異和實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，進(jìn)而將其作為新建隧道工程的開挖方案。

圖4 案例庫應(yīng)用流程

案例庫中案例的豐富性和完善性是解決工程問題的關(guān)鍵。應(yīng)不斷地將新案例補(bǔ)充到已構(gòu)建的案例庫中，增加案例的種類、數(shù)量和覆蓋面，通過增量式學(xué)習(xí)的方式使設(shè)計(jì)系統(tǒng)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，從而提高方案設(shè)計(jì)的水平和科學(xué)性。

利用案例庫進(jìn)行開挖方案設(shè)計(jì)時(shí)，案例匹配與修正是最關(guān)鍵的步驟。利用SQL 語言進(jìn)行查詢，關(guān)鍵詞可為多個(gè)詞語或一條語句，保證了檢索的自由度和信息的查全率。若存在滿足條件的相似案例，則會(huì)有一個(gè)符合條件的案例集，通過構(gòu)建的相似度模型及其算法得到方案間的相似度值。例如，若要查找出蘭新（蘭州—烏魯木齊）高速鐵路中長度9 000 m 左右、海拔超過3 000 m 的高地應(yīng)力隧道，針對(duì)隧道的項(xiàng)目特性構(gòu)造邏輯表達(dá)式，編寫其模糊查詢表達(dá)式，見圖5。

圖5 查詢表達(dá)式編寫

在查詢表達(dá)式構(gòu)造完成后，對(duì)語句進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。通過后即可查找出滿足查詢條件的案例，最相似案例的匹配結(jié)果見圖6。

圖6 查詢結(jié)果

4 工程應(yīng)用

某山區(qū)鐵路隧道為長度約615 m 的單洞雙線隧道。根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，最大埋深116.6 m，主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主，洞身段位于兩級(jí)圍巖的交界處，拱頂側(cè)壁易坍塌，主要的工程問題為圍巖軟弱破碎、地下水問題突出，經(jīng)常性突泥，遇水容易變形的坍塌地質(zhì)。隧道的地質(zhì)地理特性見表4。

表4 擬建隧道的屬性

根據(jù)新隧道的工程特性和地質(zhì)地理環(huán)境屬性，利用單元值在案例庫中查找與擬建項(xiàng)目相似度最高的案例，結(jié)果為成昆鐵路沈家壩2#隧道，且相似度為0.815，大于案例重用的臨界值，可將該隧道開挖方案作為新項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)方案。沈家壩2#隧道的開挖方法有超前支護(hù)弱爆開挖法、臺(tái)階法。

根據(jù)最相似案例的地質(zhì)地理特性及工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合該隧道實(shí)際的情況，確定開挖方案如下：

1）由于隧道進(jìn)出口位于淺埋地段，以土層為主，工程地質(zhì)條件差，容易導(dǎo)致拱頂坍塌，故在進(jìn)口采用超前支護(hù)弱爆開挖法進(jìn)行施工作業(yè)，并在施工時(shí)加強(qiáng)圍巖變形的監(jiān)控量測。

2）在Ⅴ級(jí)圍巖地段，巖性主要為較破碎的千枚巖、板巖，將開挖方法定為三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法，采用曲墻帶仰拱的復(fù)合襯式襯砌結(jié)構(gòu)形式，復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防水隔離層與二次襯砌組成。

3）在Ⅳ級(jí)圍巖地段，掌子面干燥無水、圍巖整體完整性較好，為保證施工進(jìn)度，采用兩臺(tái)階法開挖。

4）針對(duì)本隧道的情況，在隧道開挖過程中嚴(yán)格執(zhí)行“短進(jìn)尺、弱擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量”的原則，保證隧道施工安全科學(xué)地進(jìn)行。

5 結(jié)語

根據(jù)鐵路隧道工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從工程設(shè)計(jì)、地質(zhì)環(huán)境和地理環(huán)境3 方面選取了13 個(gè)屬性單元表征隧道工程案例，借助相似理論建立了隧道開挖方案相似決策模型及相似度量化計(jì)算方法。基于組件式GIS技術(shù)和. NET 平臺(tái)，利用C#語言建立了基于GIS 的鐵路隧道工程案例庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有隧道工程案例的存儲(chǔ)管理和相似案例的匹配，并根據(jù)系統(tǒng)的功能對(duì)工程的地質(zhì)、地形等因素進(jìn)行空間分析。以工程資料為依據(jù)進(jìn)行了鐵路隧道開挖方案智能設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，可供今后隧道工程方案智能化設(shè)計(jì)參考。