基于蚁群算法的软土盾构隧道长期不均匀沉降预测模型

摘要

我国沿海的一些特大城市，如上海、天津等都处在软土地区。在这些城市，修建包括地下铁道在内的城市轨道交通无疑对缓解日益拥挤的城市交通和扩大城市可利用空间具有十分重要的意义。但是越来越多的实践表明，软土地区的地铁盾构隧道运营一段时间后均会产生较大的差异沉降，这将会对地铁的正常运营及使用安全带来诸多不利影响，因此研究和正确预测地铁隧道长期不均匀沉降就显得非常重要了。正是基于这一想法，本文尝试采用具有较强鲁棒性、优良的分布式计算、易于与其他方法相结合等优点的蚁群算法，综合考虑各主要影响因素对沉降影响的整体效果，以包含规律性信息的数学表达式为基础建立起地铁盾构隧道长期不均匀沉降预测模型，主要的工作和结论如下：
　　 (1)根据实测数据反映的情况，提出了对盾构隧道长期不均匀沉降发展走势的个人看法，即在软土地区地铁区间盾构隧道不均匀沉降发展的过程中，既存在沉降控制点也存在沉降非控制点，沉降控制点是长期不均匀沉降发展的主控点，对其他位置的影响远大于周围沉降非控制点对其自身的影响，而且一定时期后沉降非控制点的沉降速率会逐渐依次地与沉降控制点趋向一致，这一过程与沉降控制点的数量、累计沉降量和与沉降控制点的间距有关。
　　 (2)在设计简化的不均匀沉降典型模式的基础上，通过数值仿真分析可验证不均匀沉降典型模式下沉降槽底部的差异沉降越大，其引发的脉冲(谐波)型轨面不平顺激扰模型也越严重，进而由此产生的轮轨响应传至盾构隧道地基中的动应力幅值也就越大。
　　 (3)在盾构隧道纵向不均匀沉降影响下，加剧的脉冲型激扰更容易增大传至建筑物内的低频振动能量，而加剧的谐波型激扰则更容易加剧建筑物内的中、高频振动能量；地铁振动在楼层传播过程中时而放大时而缩小，不过对于不同开间大小的房间来说，其振级波动的频率范围是明显差异的，对于大开间的房间来说，其振级波动的主要频率偏小，对于小开间的楼梯间来说，其振级波动的主要频率相对偏大。
　　 (4)通过总结并分析本文动三轴试验结果，可认为①和传统正余弦波形相比，采用与实测接近的动应力波形对分析软黏土累积塑性变形发展趋势不存在很大影响；②利用连续振动工况来探讨长期累积塑性变形发展规律同样可以反映出实际中非连续振动的情况，两者在长期变形问题上得出的结论不存在矛盾。
　　 (5)在总结动三轴试验结论的基础上，认为影响车载下饱和淤泥质黏土长期累积塑性变形发展趋势的主要因素是循环应力比的大小，而与动荷载波形、频率和排水与否等因素的关系不大；在现有试验设备和试样尺寸等条件的限制下，尝试性地提出车载下饱和淤泥质黏土的两大类长期累积塑性变形的发展模式，即对于长期运营而言，盾构隧道不同位置上因车载引起的长期沉降可分成两大类，一类是车载作用下的累计塑性变形趋于定值，另一类是车载作用下的累计塑性变形与运营时间呈线性增长关系。
　　 (6)本文构建的基于蚁群算法的盾构隧道长期不均匀沉降预测模型，可不考虑复杂的众多单因素对沉降的贡献，只需综合考虑各因素的整体效果，即可构建预测模型；另外，本预测模型的适用范围很广、参数少且简单、计算过程清晰，可通过简单地修改本研究模型中的几个主要参数，然后就可以根据已调整好的各参数对其他路段或者其他线路工程的长期不均匀沉降进行较为准确的预估；结合实例还初步探讨了模型中的部分参数对预测结果的影响规律，研究表明，信息挥发系数和蚂蚁总数的匹配对计算结果影响较大，而修正参数在无特殊情况出现时只起锦上添花的作用，并建议了预测模型应用过程中调试参数的合理顺序。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 盾构隧道沉降规律的研究现状

1.2.2 车载下软黏土累积塑性变形发展规律的研究现状

1.2.3 盾构隧道下卧层动应力响应的研究现状

1.2.4 沉降预测方法的研究现状

1.3 本文研究的主要内容和创新点

1.3.1 本文研究内容

1.3.2 本文主要创新点

第2章 已有沉降预测方法和蚁群算法的适用性分析

2.1 已有沉降预测方法的研究现状及其存在的问题

2.1.1 经验法

2.1.2 理论解析法

2.1.3 数值分析法

2.1.4 数学模型法

2.1.5 灰色理论预测法

2.1.6 神经网络法

2.2 蚁群算法的介绍及其适用性分析

2.2.1 蚁群算法的基本原理

2.2.2 基本蚁群算法

2.2.3 蚁群算法的适用性分析

2.3 本章小结

第3章 软土地铁盾构隧道纵向不均匀沉降实测规律分析

3.1 上海地铁1号线盾构隧道纵向不均匀沉降规律的分析

3.1.1 上海地铁1号线基本情况的简单介绍

3.1.2 地下线沉降显著位置的沉降规律分析

3.1.3 盾构隧道区域内沉降非显著位置的沉降规律分析

3.2 软土地区地铁区间盾构隧道纵向不均匀沉降原因的分析

3.2.1 土质条件

3.2.2 盾构隧道的施工扰动

3.2.3 车振荷载

3.2.5 隧道渗漏水、地表水系水位的变化、临近施工活动及地面超载

3.2.6 城市地面沉降的综合影响

3.3 本章小结

第4章 不均匀沉降对隧道下卧土内动应力及对周边建筑物振动的影响规律

4.1 盾构隧道纵向不均匀沉降与轨道不平顺关系的探讨

4.1.1 盾构隧道纵向不均匀沉降实测数据的局限性

4.1.2 盾构隧道纵向不均匀沉降与谐波(脉冲)型激励模型的关系

4.2 盾构隧道纵向不均匀沉降对地基土内动应力的影响规律

4.2.1 不均匀沉降的典型模式及其有限元计算模型

4.2.2 不均匀沉降典型模式下脉冲激扰对隧道下卧土内动应力影响

4.2.3 不均匀沉降典型模式下谐波激扰对隧道下卧土内动应力影响

4.2.4 盾构隧道下卧土层内动应力的衰减规律

4.3 不均匀沉降对周边建筑物振动的影响规律

4.3.1 振动评价办法

4.3.2 不均匀沉降对周边环境振动的影响规律

4.3.3 同一激扰模型下不同基础类型建筑物的振动响应规律

4.3.4 同一激扰模型且同一基础类型建筑物不同层高的振动响应规律

4.4 本章小结

第5章 车载下饱和淤泥质黏土长期累积塑性变形发展模式研究

5.1 饱和淤泥质黏土短期累积塑性变形的试验研究

5.1.1 基本设计原则

5.1.2 动三轴试验过程

5.1.3 主要结论

5.2 车载下饱和淤泥质黏土长期累积塑性变形发展模式的探讨

5.2.1 车载下饱和淤泥质黏土短期累计塑性变形发展的一般性规律

5.2.2 车载下饱和淤泥质黏土长期累计塑性变形发展模式的探讨

5.3 本章总结

第6章 盾构隧道长期纵向不均匀沉降的预测模型

6.1 预测模型设计的基本原则和基本思路

6.1.1 预测模型设计的基本原则

6.1.2 预测模型设计的基本思路

6.2 预测模型中相关函数或参数的设计

6.2.1 主导信息(或先验信息)与辅助信息

6.2.2 盾构隧道长期纵向不均匀沉降预测模型

6.2.3 算例

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文的主要研究结论

7.2 可进一步研究的工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果