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地铁隧道施工对地表沉降影响的优化控制
孟祥国
（青岛市西海岸轨道交通有限公司,山东 青岛 266555）
摘 要：在城市地铁隧道施工过程中,会对地表沉降产生一定程度的影响.所以,需要根据一定的地表沉降控制基准,建立相关的模型,对此影响进行动态控制,并对控制过程进行优化,将不良影响控制在最低水平.本文就地铁隧道对地表沉降影响的优化控制进行分析.
关键词：地铁隧道施工 地表沉降 影响 优化控制
中图分类号：TU745 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）07-0236-01
在城市地铁建设过程中,不可避免的会对隧道施工,而隧道施工则会影响到地表的沉降.所以,在实际的施工过程中,需要采取相关的措施对其进行优化控制,使城市地铁隧道施工能够顺利的进行,还能对地表环境进行有效的保护.
一、地铁隧道施工中地表沉降影响系统控制状态模型
通过对极小化系统总位能进行全面的分析,可获得地铁隧道施工地表沉降影响系统的状态方程,即：
其中,X(k)表示当施工处于k工序时,系统的状态；G（k）∈G,表示当工程处于k工序时,系统对方案作出的响应,其实质上代表的是单位作用下的变形,可客观的反映出系统的能控性；G表示你系统的响应空间,其可取范围是由系统环境e的形态决定的,如围岩的形态、地层的加固情况等.△F（k）∈F,表示在工程处于k工序时,系统的输入作用变化.如果地下结构需要实现相同的功能,则可能会有多种施工方案可供选择,将施工方案的个数即为 l ,则这 l 个方案就会对应 l 个方案响应.当对具体的地铁隧道工程进行分析时,可采用计算机仿真手段进行.在对不同的施工阶段的方案响应情况进行分析时,则可采用数值模拟的方法进行,这样就可以建立相应的响应矩阵.
通常情况下,在一开始的时候基本不可能获得一组最优的方案响应矩阵G*（i,k） ,只能初步获取一个响应方案,记为G0i,k） .当地铁隧道施工的工序进行到k的时候,可以根据工程的实际情况,对初步得到的方案进行适当的修改.也就是说,可以将k-1时刻的系统利用起来,将W（k-1）的反馈信息输出出来,对初步响应方案G0（i,k）进行修正,使其能够与预定的环境目标相符,这样就可以达到最优化(G(i,k))的目的,实现（G*(i,k)).所以,在这个时候就需要将控制作用引进来.通过输入作用的相关式可以得到相应的关系式,用于表示输入作用在各个阶段的系统状态.
在实际的地铁隧道施工中,需要对施工现场进行全面的测量.对系统输出而言,无论施工处于哪个时刻,都不可能获取有关系统的所有状态,能够获得系统的部分输出信息.将前面的方程综合起来,就可以获得地铁隧道施工对地表沉降影响的状态模型.
二、地铁隧道施工中地表沉降影响控制模型
如果将Wmax作为地表沉降的最终控制目标,则可以用以下方程表示系统的二次型目标函数：
将W(0)作为地表最初始的位移状态,则可以得到已知地表观测点的实现方程,即：
令目标函数最小,可得：
这些方程都是对地铁隧道施工对地表沉降影响控制模型的表述,同时还满足相应的约束条件.
三、动态最优控制策略的制定
地铁隧道工程的开挖过程,本身就是一个多阶段决策的问题,在解决此类优化控制问题时,可采用动态规划原理.可以将工程最初步的方案设计出来,再利用此原理,结合工程的实际情况,对初步施工方案进行优化,从而实现地铁隧道施工对地表沉降影响的最优化控制.
1.方案设计阶段
首先,最后一步,可将最终能接受的环境目标限定值设为ε N ,通常情况下其值可为0.1,经过多次修改方案可以使环境目标最小.通过对各方程式的代换,可以得到：
其中,△W * （N） 表示优化后施工步所引起的地表最大沉降值增量.然后,可以得到第N步施工的时候,依赖于W（N-1）的最优控制策略,即：μ N * （W(N-1） ） ,这样能够保证环境目标W min 的顺利实现.其次,第K步,在施工工序k经过多次修改方案后,可使环境目标最小.
优化后的目标函数为：
最后得到第k步施工时的策略集.
2.施工阶段
在实际的地铁隧道施工中,地表沉降实际值与预测值之间可能存在差距,所以以上优化方案可能与实际的环境要求不符.因此,在实际的施工过程中,要根据施工现场的情况,对方案进行适当的调整,以实现动态优化控制.如果已知第k阶段的施工完成后,在现场测量所得的地表最大沉降值为W′(k),可以采用动态规划原理,对施工方案的第k+1步到最后一步进行调整.在实际的优化过程中,所采用的方法与设计阶段所采用的方法是相同的.不同的是,原来的第k+1步为新方案的最后一步.在对第i步进行现场测量时,其得到的值与预测值之间存在区别,所以这个时候的第k+1步到最后的一步的状态会出现变化,递推关系式也会发生改变.在第一种方案中,当超前支护不同,或者辅助施工措施不同时,所得到的响应矩阵也会不同.根据以上最优策略,在实际的施工过程中,要从最后一步开始,再利用有限元仿真计算,可以对工程措施效果进行搜索,从而实现地铁隧道施工对地表沉降影响的优化控制.
综上所述,随着我国城市化建设进度的不断加快,地铁发挥的交通作用越来越大.因此,根据城市的发展需求,在对地铁隧道进行现场施工时,需要对地表沉降影响问题进行合理的优化控制,即首先建立地铁隧道施工中地表沉降影响系统控制状态模型、控制模型,再制定动态化的最优控制策略,以实现地铁隧道施工对地表沉降影响的动态优化控制.
隧道施工论文范文结:
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