1 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 盾构姿态失准问题及其后果
伴随中国经济的快速发展，城市人口大幅增加，城镇化率持续提升，但也导致城市空间拥挤、交通堵塞的问题愈发严重，大力发展地铁等大运力交通成为各大城市共同的选择。目前，我国共有约 3295km 的地铁线路运营使用，按照规划到 2020年，我国地铁运营里程将超过六千公里左右，地铁隧道在我国的建设规模将处于持续增长的阶段[1]。现今修建地铁隧道的方法主要有盾构法、明挖法和盖挖法等多种工法。由于盾构法具有适应性好、安全性高、施工快以及对地面环境影响低等优点，是修建地铁隧道的主要工法。盾构法的基本施工流程为：首先在隧道的一端建造工作井，在井内完成盾构机的吊装，然后从工作竖井的一侧开孔出发，在地层中沿着隧道设计轴线向另一工作井掘进直至出洞。盾构机掘进过程中受到的土层摩擦力由其液压推进系统传导至尾部的管片衬砌结构上，盾构机每开始一个掘进周期，便在盾构尾部的支护下完成当前环的管片拼装。拼装完成后，及时在管片环外表面与围岩间隙注入浆液，起到防止隧道和地面沉降以及加固隧道衬砌结构的作用，然后进行下一环掘进[2]。
盾构法施工存在失稳、失效和失准三大难题[3, 4]。盾构失稳主要表现为盾构机开挖面失稳，指在盾构掘进期间，由于开挖面支护控制不当而产生的地表过大沉降甚至地表坍塌事故，容易导致施工安全问题。盾构失效则是指盾构机核心装备失去固有功效，例如常见的有盾构刀盘、刀具失效，直接对施工进度产生重大影响。而盾构失准指的是盾构掘进姿态偏离隧道设计轴线，从而影响管片拼装以及隧道贯通，
易诱发隧道施工质量风险。在实际盾构隧道项目管理中，若出现重大安全和进度问题，会严重影响工程管理方追责和利益，故项目管理中往往重视安全、进度。然而，由于质量问题具有一定的隐蔽性和“发生滞后性”，相对于进度与安全，项目管理方容易对质量把控不足。在盾构施工领域研究中，相应的盾构失稳、失效问题得到了学界广泛的关注和讨论[5-8]，而盾构失准问题尚未引起足够重视[9]。
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1.2 目的与意义
由上述分析可知，盾构失准是隧道质量管理中的一个重大风险因素。当前，针对盾构失准的研究较少，存在对其机理认识不深和管控手段不足的问题。为此，本文以盾构失准为研究对象，其目的是研究盾构失准机理，实现对盾构失准的有效管控。故本研究具有以下理论和实践意义：
1、首先从既有文献和工程实践出发，归纳盾构姿态的影响因素，建立盾构运动力学模型，并根据模型对盾构失准机理进行分析，为盾构失准管控提供理论和科学依据。
2、基于盾构失准机理，进而分析当前实际工程中的盾构姿态控制技术存在的不足，从盾构掘进姿态控制和管片拼装排布优化两个方面出发，提出一种新的基于事前控制的盾构姿态调整策略。
3、对于盾构机掘进姿态控制，通过分析盾构机运行数据的特点，采用基于深度学习的混合模型，实现盾构机掘进过程中后续姿态变化的智能预测。根据姿态预测数据，辅助盾构司机预先调整控制参数，从而有效避免盾构失准问题的发生。
4、在基于预测模型的盾构姿态控制方法下仍然可能出现的小偏差盾构失准问题，根据管片拼装原理，编写一套盾构管片拼装排布优化算法。通过算法自动求解管片最佳拼装点位，在实现盾构姿态的纠偏的同时，也可有效提升管片拼装效率和质量。
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2 盾构姿态失准机理分析
2.1 盾构姿态影响因素
对盾构姿态影响因素进行归纳总结，是揭示地铁盾构失准机理的前提。按照不同的作用主体，盾构机姿态的影响因素可以分为地质水文条件、隧道设计轴线几何要素、盾构机操作和盾构机自身因素四类，这些因素复杂耦合共同作用于盾构机，
决定了盾构姿态的变化[57]。
2.1.1 地质水文条件
地质水文条件指的是摩擦力参数、土压力系数和地面反应系数等地质参数，在某些土层中可能受到水的作用。盾构机工作环境位于地下空间，隧道可能穿越多种地层，每一种土层的土质特性和物理参数指标都不尽相同。盾构在地层中受到土体不同形式的外力，而这些外力与土体特性以及盾构埋深密切相关，因此不同土层的地质参数必然会影响盾构姿态的变化。更明确的说，盾构掘进断面内围岩软硬程度并非一致，盾构所需油缸推力和刀盘扭矩处于变化状态，因此，盾体通常会偏移到土质较软的一侧[58]。另外，尽管盾构施工前可以通过地质勘探掌握开挖面前方的土层分布情况以及相应的土体参数，然而受制于取样的精度，地质勘察报告仅仅是粗略、宏观的介绍地质情况，无法起到精确、微观的指导作用。最后，盾构掘进中可能遇到的空洞、孤石、坍塌等问题更是无法预见，这都会严重影响盾构姿态。
2.1.2 隧道设计轴线
隧道设计轴线是设计人员根据区域内的水文、地质条件确定的一条最佳线路，盾构机沿此作为参考轨迹向前掘进。隧道设计轴线是有若干条不同类型的曲线段收尾连接而成，主要包括直线段、圆曲线和缓和曲线三种线型。由于盾构机运动灵活性较差，当掘进到直线段时，盾构姿态调整量和频率较小，易于控制。但当盾构行进至曲线段时，尤其是转弯半径较小处，则需要频繁、精准地调整掘进姿态，而这往往需要经验丰富、技巧高超的盾构司机方能胜任。因此，隧道设计轴线的几何要素也会对盾构姿态失准造成影响。通常来说，考虑到盾构转向，施工前要依据设计轴线选择适合的盾构几何尺寸。
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2.2 盾构姿态失准机理
盾构姿态失准研究以盾构机作为分析的具体对象（见图 2-1）。盾构法简单来说就是通过盾构机机头刀盘对掌子面的土壤、岩体进行切削，破碎土渣进入开挖仓，然后通过排土工具将渣土传输到后备台车中。目前，隧道工程中常用的盾构机分为土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机（或混合式），两者的区别主要在于盾构刀盘、刀具的布置形式、开挖面稳定介质机制以及排土运输设备的不同，对应适用于不同的土质工况。
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3 盾构姿态智能预测模型 ....................... (23)
3.1 盾构运行数据分析 .................................. (23)
3.2 智能预测混合模型 ............................ (25)
4 姿态失准下的盾构管片排布优化 ......................... (38)
4.1 姿态失准下的管片排布优化 ............................... (38)
4.2 隧道设计轴线与管片姿态解算 ................................ (45)
5 工程案例 ...................................... (58)
5.1 工程概况 ................................ (58)
5.2 盾构姿态智能预测 .................................. (59)
5 工程案例
5.1 工程概况
为了验证提出的智能预测模型和管片排布算法的有效性，本文选择了位于某隧道作为案例研究。该越江隧道是国内第一条横贯长江具有公铁两用隧道，上下两层分别供汽车和地铁行驶。隧道分为左右两条线，单条隧道长 2.56 km，直径 15.2 m。隧道最大倾斜角度为2.8%，最小转弯半径达到1.2 km，隧道顶部覆土厚度范围 12-39.5 m。图 5-1 展示了某隧道的位置和地质剖面图。某隧道采用两台特别定制的超大型海瑞克混合盾构机，刀盘直径为 15.76 m，采用盾构法施工。由于该越江隧道属于超大型盾构隧道，长江底部地质多样复杂，水、泥、沙较多，且受长江一年四季高承压水作用，给隧道的建设带来巨大挑战。因此，无论对于盾构机的姿态控制，还是管片排布都提出了更高的施工要求。对于超大型工程而言，有必要引入更多新技术来提高施工质量。同时，此隧道施工也给盾构姿态预测和管片排布优化带来了更大的 挑战。
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6 结论与展望
6.1 研究总结
盾构姿态失准是盾构隧道施工中常见问题之一，也是影响隧道施工质量的重要因素。盾构掘进姿态控制和管片拼装排布，是决定隧道成环质量的两大关键环节。传统基于事后控制的施工方式，主要依赖人工经验，缺乏定量分析和控制的手段。对于盾构姿态控制，由于盾体重量分布不均、地质情况多样和操作滞后等原因导致盾构姿态难以控制，蛇行现象时常发生。而管片拼装排布，也以人工计算为主，管片拟合的准确度和数字化水平有待提升。为此，本文对盾构姿态失准的机理进行了分析，提出了基于事前控制的盾构姿态调整策略方法，分别对盾构姿态智能预测和管片自动排布进行了研究，具体工作如下：
1、首先介绍了盾构失准问题的定义和后果，简要分析了盾构失准发生的原因，从盾构姿态研究、盾构施工领域的预测研究、深度学习在时间序列预测的应用以及管片拼装选型四方面对盾构失准相关领域成果进行综述，从而明确了盾构失准问题的难点以及可预防性；
2、通过明确研究对象，对影响盾构姿态的相关因素，即水文地质条件、隧道设计轴线、盾构机操作和盾构机自身进行归纳总结。然后，建立盾构荷载与姿态参数间的运动力学模型，论述了盾构失准机理，进一步得到盾构操作参数与其姿态变化间的联系，从而提出了基于事前控制的盾构姿态调整策略，从盾构姿态预测和管片排布优化两方面预防盾构失准问题的发生；
3、从盾构姿态预测着手，通过分析盾构运行数据得到其具有规模大、动态序列和含噪声的特点。结合深度学习理论，针对性地提出整合了 WT、CNN 和 LSTM 的盾构姿态智能预测模型。通过输入盾构机运行参数的历史数据，混合模型实现对盾构未来一段时间内姿态预测；
参考文献（略）