(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111558867.5 (22)申请日 2021.12.20 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 叶肖伟　张小龙　李哲勋　陈延博　 (74)专利代理 机构 杭州天正专利事务所有限公 司 33201 代理人 王兵 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) G06Q 10/04(2012.01) G06Q 50/08(2012.01) (54)发明名称 一种基于神经网络的盾构隧道管片上浮预 测方法 (57)摘要 本发明提出的基于神经网络的盾构隧道管 片上浮预测方法利用现场的已有监测数据构建 数据库， 建BP神经网络， 将部分数据库样本当做 训练集， 余下的数据库样本当做测试集， 训练神 经网络， 再利用遗传算法优化BP神经网络的初始 权值和阈值， 建立高效的盾构施工管片上浮预测 模型， 获取待预测管片环的输入参数， 即可预测 管片最大上浮量。 本发明能够准确预测盾构动态 掘进过程中管片最大上浮量， 真正指导盾构隧道 现场施工， 预测结果可靠 。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114254562 A 2022.03.29 CN 114254562 A 1.基于神经网络的盾构隧道管片上浮预测方法， 包括如下步骤： A.构建管片上浮数据库； A1.在拟采用盾构掘进施工的隧道内， 安装以静力水准仪为代 表的管片上浮 监测设备； A2.采集土样， 测量 地质参数； 收集掘进参数与隧道几何参数； A3.在掘进过程中以及掘进后对隧道管片进行持续监测， 获取管片上浮数据， 从监测数 据中提取 管片的最大 上浮量； A4.对不同隧道中的数据进行收集整理， 形成包含地质参数、 掘进参数、 隧道几何参数 与其对应管片最大 上浮量的数据库； B.构建神经网络预测模型； B1.构建BP神经网络， 输入层变量个数为11个， 分别对应A2中的参数； 输出层个数为1 个， 对应A3的最大 上浮量； B2.训练神经网络， 随机抽取数据库中部分数据作为训练集， 在输入11个影响上浮的因 素后， 输出 预测的管片上浮 量， 并使用真实测量的管片上浮 量对BP神经网络进行优化； B3.将B2中未使用的数据作 为测试集， 用误差百分比和均方根误差MSE两个指标来评价 模型预测结果； C.遗传算法优化BP神经网络； C1.设置遗传算法参数， 以B2训练后的神经网络 权值与阈值 为初始个 体； C2.用B2相同的数据样本训练遗传算法， 得到最优个 体； C3.将最优个体赋给BP神经网络的权值与阈值， 用B3相同的数据测试优化后的神经网 络预测结果； D.预测管片上浮 量； D1.在新施工的盾构隧道内， 测量 地质参数， 收集掘进参数与隧道几何参数； D2.将D1数据输入 优化后的神经网络预测模型， 预测管片最大 上浮量。 2.如权利要求1所述的基于神经网络的盾构隧道管片上浮预测方法， 其特征在于： 步骤 A2所述的测量地质参数包括土层的粘聚力、 内摩擦角、 土体重度、 渗透系数； 收集掘进参数 包括刀盘扭矩、 推力、 掘进速度、 注浆压力、 注浆 量； 隧道几何参数包括管片直径、 埋深。 3.如权利要求1所述的基于神经网络的盾构隧道管片上浮预测方法， 其特征在于： 步骤 B2随机抽取 数据库中80％的数据作为训练集。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114254562 A 2一种基于神经 网络的盾构隧道管片上浮预测方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种基于神经网络的盾构隧道管片上浮预测方法。 背景技术 [0002]随着我国城 市地下空间开发进程不断加快， 截至2021年9月30日， 我国内地累计有 40个城市开通地铁线6737.73公里。 盾构法以其不影响地面交通， 不受季节天气干扰、 掘进 速度快等优势， 已经被广泛应用于地铁隧道建设中。 但盾构隧道施工过程中， 管片脱离盾尾 后经常出现局部或整体上浮， 并伴随着管片错台、 开裂、 破损以及轴线偏位、 管段渗漏等施 工病害， 这对后续盾构隧道结构的服役性能以及正常使用的耐久性都会产生巨大 的影响。 因此， 采取有效合理的计算方法来预测盾构隧道施工期管片上浮量， 已成为业内重点关注 的问题。 [0003]施工期盾构隧道管片上浮主要与隧道周围土体的地层特性、 盾构机的施工参数 (同步注浆压力、 注 浆量、 千斤顶推力、 掘进速度、 刀盘扭矩 等)以及隧道覆土埋深、 管片直径 等因素有关。 由于盾构机开挖直径大于管片的外径， 当管片脱 出盾尾时， 管片与周围土层间 存在间隙， 管片未 受到周围地层的约束， 从而给管片提供了上浮的空间。 管片与周围土层的 间隙采用同步注浆的形式填充， 但由于浆液 的凝固需要一定的时间， 而盾构机按一定掘进 速度不断推进， 从而始终存在一定长度的管片结构处于未凝固的浆液中。 未凝固浆液与地 下水包裹施加给管片的静态上浮力以及由注浆压力引起的动态上浮力大于管片环的重力， 从而使管片有 上浮的趋势。 而且施工中 向下偏斜的盾构机施加的千斤顶推力会给管片施加 向上的竖直分力， 管片下方的土体开挖后回弹的地基反力均会导致管片脱离盾尾后出现局 部或整体上浮。 [0004]目前对施工期盾构隧道管片上浮的研究方法主要有理论分析与数值模拟两种方 法。 [0005]现有理论分析方法主要采用隧道结构设计方法中的荷载结构法， 将地层对结构的 作用等效为作用在地下结构上的荷载(包括主动的地层压力和由于围岩约束 结构变形产生 的弹性反力)， 再采用结构力学方法计算管片在荷载作用下产生的内力和变形。 通过采用纵 向梁‑弹簧模型、 壳 ‑弹簧模型或等效连续化模型等将隧道管片简化为一纵向梁， 基于弹性 地基理论将上覆土的抗浮效应简化为地基弹簧， 在求得其 纵向等效抗弯刚度、 静态上浮力、 动态上浮力及上覆土地基弹簧 参数后， 计算管片在静、 动态上浮力作用下 管片上浮 量。 [0006]但是理论分析存在以下问题： 一、 简化的力学模型为某时刻的分析模型， 无法有效 地模拟隧道的动态施工过程。 二、 简化的上浮计算模型为横向或纵向的二 维平面模型， 无法 准确分析实际施工中三 维受力特性的管片上浮量。 三、 模型中管片 ‑螺栓的刚度假设与实际 刚度不符， 且忽略了周围土体渗透性对注浆压力、 浆液凝结时间的影响。 四、 模型中对周围 土层假设为均质土层与实际复杂的地质情况不符， 预测结果 准确性不高。 [0007]数值模拟方法通过全面考虑隧道施工和土层之间的相互作用、 周围地层特性、 注 浆压力的分布与扩散， 建立三维土体 ‑管片‑螺栓精细化数值模型。 通过在三维模型中模拟说　明　书 1/4 页 3 CN 114254562 A 3