基於數據挖掘的盾構施工鄰近建築物安全實時預警與管控 9787577202013 吳賢國 李昕懿 陳虹宇

編輯推薦
本書對軌道交通施工安全生產管理有著積極的意義，有利於加強在岩溶地質下軌道交通盾構施工鄰近建築物安全風險的實時評判分析和動態預警防護，為更深層次地了解岩溶地區盾構施工引發建築物安全風險的災害機理提供了方法依據，進而一定程度上推動了軌道交通建設安全和防災減災管理領域的發展，具有現實指導作用，有利於提高我國地鐵盾構施工風險管理的水平。

內容簡介
本書構建了一套岩溶地區盾構施工鄰近建築物安全評價指標體系，通過改進雲-貝葉斯網路推理方法並結合盾構施工參數對鄰近建築物安全進行動態安全評價，同時，基於智能演算法以地表沉降和盾構運行狀態為目標進行預測，對盾構施工參數進行多目標優化，*終實現盾構施工鄰近建築物安全實時預警控制。本書主要內容包括溶洞對盾構施工影響的數值模擬及規律分析、溶洞對盾構施工影響的數值模擬及規律分析、基於改進雲-貝葉斯的岩溶地區盾構施工鄰近建築物安全風險動態評價和管控、基於數據驅動混合智能方法的岩溶盾構施工多目標預測和優化、基於數據驅動智能演算法（Bayesian-LGBM）的盾構姿態預測與管控等。

作者簡介
吳賢國，女，1964年2月生，工學博士，教授，博士生導師。中國建築學會全國高校建築施工學科研究會委員，全國工程安全管理協會委員，全國註冊監理工程師，湖北省土木建築工程委員，湖北省、武漢市諮詢評估專家，武漢市建設科學技術委員會委員等。主要從事城市韌性、智能建造、智慧運營、BIM與綠色建築、高品質混凝土材料和節能減排可持續發展等方向的研究。獲湖北省科技進步一等獎2項、省部級二等獎3項，主持科研項目30多項。其中，主持國家自然科學基金面上項目3項，參与重點研發項目1項，發表學術論文300餘篇，其中SCI論文100餘篇，授權專利20餘項，擔任20餘本國內外知名期刊審稿專家，其中包括《Automation in Construction》《Safety Science》《Tunneling and Underground Space Technology》《Building and Environment》《Journal of Construction Engineering and Management》《土木工程學報》等期刊。主編土木工程施工、工程項目管理、工程項目監理、工程估價、BIM工程與應用、地鐵盾構施工安全預警控制等相關著作多部，主編建築施工實用技術叢書1套。指導研究生和本科生畢業設計獲湖北省一等獎、二等獎、優秀獎多次。獲「黃鶴英才」、華中科技大學 「十佳教師」、「三育人獎」和「我*喜愛的導師」等多項榮譽稱號。

目錄

目錄
1緒論(001)
1 1研究背景(001)
1 2國內外研究現狀(003)
2溶洞對盾構施工影響的數值模擬及規律分析(017)
2 1溶洞對盾構施工影響的數值模擬(017)
2 2溶洞對盾構施工影響的規律分析(021)
3基於可拓雲的岩溶地區盾構施工鄰近建築物安全風險
預評價和管控(053)
3 1可拓雲安全風險評價理論(054)
3 2盾構施工鄰近建築物安全風險評估框架(055)
3 3盾構施工鄰近建築物安全風險評估建模(059)
3 4案例研究(064)
3 5改進可拓雲風險評價結果對比分析(075)
3 6施工風險控制及效果(077)
4基於改進的雲—貝葉斯網路的岩溶地區盾構施工鄰近建築物
安全風險動態評價和管控(087)
4 1貝葉斯網路理論(088)
4 2基於雲貝葉斯網路的岩溶地區盾構施工鄰近建築物安全
風險評價模型建立(089)
4 3案例研究(096)
4 4評價結果對比分析(108)
4 5盾構施工控制措施及效果(112)
5基於數據驅動混合智能演算法的岩溶地區盾構施工多目標
預測和優化(116)
5 1基於智能演算法的岩溶地區盾構施工多目標預測優化框架(116)
5 2基於數據驅動智能演算法（BayesianRF）優化目標預測(117)
5 3基於數據驅動混合智能演算法（BayesianRFNSGAⅢ）的
多目標優化(121)
5 4案例研究(124)
6基於數據驅動智能演算法（BayesianLGBM）的盾構姿態
預測與控制(143)
6 1盾構姿態及其影響因素(143)
6 2基於智能演算法的盾構姿態預測與控制流程框架(147)
6 3案例研究(153)
6 4不同智能演算法預測結果比較分析(164)
6 5基於BayesianLGBM的盾構姿態控制(167)
參考文獻(174)

精彩書摘
1緒論
1 1研究背景
當前我國城市軌道交通建設事業正處於建設高峰期，目前北京、上海、廣州、武漢等40多個城市已經擁有軌道交通運營服務，還有更多城市正在開工建設或規劃發展軌道交通工程。與此同時，隨著我國西部地區的逐步開發，西部地區的基礎設施建設力度也越來越大，然而西部地區由於其獨特的岩溶地質，岩溶發育範圍十分廣泛，因此岩溶地區的軌道交通盾構施工是當前隧道工程建設所面臨的巨大挑戰。
岩溶地區在我國分佈十分廣泛，可溶岩層分佈面積達到346萬km2，約佔我國國土總面積的1/3，其中西南省份如雲南、貴州、廣西、四川等岩溶發育*強烈。軌道交通作為衡量城市交通運輸能力的重要標誌，在我國西部區域得到大力發展。但是由於軌道交通工程建設的特殊性，如工程量巨大、涉及工程專業多、質量和安全要求高、岩溶地區的地質環境複雜、地下和露天作業多、工程與周邊環境關係密切等，軌道交通工程建設一旦發生安全事故，其後果往往是不可估量的。近年來，地下工程在建設施工過程中，造成其周圍的建築物、地下管線、交通設施等頻發重大事故。據不完全統計，截至目前，我國軌道交通施工發生重大安全事故約30起。2017年7月，上海軌道交通4號線董家渡軌道交通站區間隧道發生流沙事件，造成盾構隧道周邊的土體流失，致使盾構隧道上部地表產生較大沉陷，進而引發施工線路周邊的商務大樓等建築物產生不同程度的沉降傾斜等病害；2019年6月，青島軌道交通1號線勝利橋站施工區域圍擋處發生塌陷事故，塌陷部分直徑約十幾米；2019年11月，廣州軌道交通11號線沙河站盾構施工區域產生較大程度的地面塌陷，4名現場施工人員被困其中。結合以上的事故案例可以發現，軌道交通盾構施工等地下工程的開展會對路面交通網路、鄰近建築物及地下管道線路等產生較大的安全風險。在建設過程中倘若未能及時識別與排除出現的相關險情，一旦發生事故，其所導致的人員傷亡與財產損失將會是重大的，對社會經濟生活所帶來的影響也會是深遠的。因此，對軌道交通工程建設進行防災減災的預警和控制是目前軌道交通工程安全管理的重中之重。
岩溶地區軌道交通盾構施工過程中，所有的環節、工序都影響著建築物安全，盾構機掘進時，工程所用施工技術、圍岩介質情況、隧道本體設計、施工參數、人員現場管理水平和管控意識、沿線建築物與隧道和溶洞之間的位置關係、建築物自身結構形式和完好情況等眾多因素構成了一個龐大的複雜系統。然而，這個複雜系統中的致險因素在實際計算分析時往往具有一定的不確定性，即屬性概念的模糊不確定性和概率發生的隨機不確定性，這就導致在決策軌道交通盾構施工鄰近建築物安全相關問題時需要考慮眾多因素。系統複雜且包含大量不確定性，這對於獲取相關決策數據進行安全評價分析是不利的。傳統的理論分析方法（如模擬分析和可靠性分析）由於上述致險因素的模糊不確定性和隨機不確定性，無法根據工程實際數據準確預測施工風險，且無法根據時間和空間的變化對鄰近建築物進行動態評估和診斷。同時，對盾構施工工程的控制主要藉助于施工管理者對各種施工數據的人工監控，不利於人們認知風險實時狀態和及時作出決策。限制了軌道交通盾構施工鄰近建築物安全得到實時的預警和管控，進而妨礙決策措施的實時跟進。如今，信息化和智能化技術不斷發展，越來越多的人工智慧決策技術被人們運用於事物現象背後的演化過程機理研究領域，這就給複雜背景下多層次問題的分析判斷提供了重要的技術支持，便於決策者更好地進行類似問題決策，是目前決策分析領域研究的熱點和重點之一。基於此，為了減少和杜絕此類施工安全事故的發生，本書藉助數據挖掘和不確定性推理的智能演算法模型的優勢，對軌道交通在岩溶地區盾構施工影響鄰近建築物安全的預警和防護展開深入研究。
1 2國內外研究現狀
1 2 1基於數值模擬的岩溶地區對盾構隧道影響分析
關於岩溶對盾構隧道的影響，目前國內外學者主要針對以下幾個方面進行研究：?在隧道受岩溶影響範圍內探測查明岩溶的情況；?岩溶對隧道造成的災害及災害相應的處理措施，岩溶隧道施工方法；?溶洞因素對隧道穩定性的影響。溶洞因素包括溶洞的形狀、規模、位置等。隧道穩定性影響表現在隧道位移、應力及支護結構內力變化、隧道施工動態等。研究的幾個方面相互間存在聯繫。做好盾構隧道設計施工的前提是探測查明溶洞的情況，確定岩溶對隧道造成的災害及相應的處理措施，確定不同溶洞對隧道穩定性的影響程度。
Pesendorfer等研究現場監測結果，總結了岩溶地區深埋隧道的瞬態水壓力變化規律。劉超群等利用線性回歸原理，研究了岩牆安全厚度的主要影響因素，並推導總結了3種定量計算安全距離的方法。理論計算方面，李利平等認為發生裂隙突水的岩溶隧道岩牆，根據厚度可以劃分為鬆弛區、安全區和裂隙區，推導了3個分區的半解析式。郭佳奇等針對高壓富水溶腔在隧道側方的工況，建立了中間岩柱的安全距離力學預測模型，研究分析了安全厚度在不同影響因素下的規律。Yang基於隧道形狀、跨度和深度，對原有的橢圓板模型和固支梁模型進行了修正，修正後的模型適用於不同的情況；基於突變理論，建立了岩體相應的勢函數和尖點突變模型，給出了臨界安全厚度的表達式。在極限分析原理方面，Mollon等推導了隧道掌子面崩落壓力的上限解，並改進了掌子面破壞模式。Yang等提出了適用於隧道結構穩定性問題非線性破壞準則的切線法。楊子漢等構建了相應的岩牆破壞模式，推導出富水溶腔在掌子面前方的岩牆*小安全厚度解析解。Bilotta等對隧道施工引起的歷史建築位移進行了研究，運用數值分析方法來預測尚未開發地區的地面運動；為分析那不勒斯在建隧道，對綠地3D有限元模型進行了初步校準；對現存的紀念性建築進行了交互分析，測量值和預測結果之間具有較高的吻合度。DeJong等研究了隧道工程對地基較淺的磚石建築的影響，基於倫敦Crossrail項目的監視數據對建築的現有損害及建築性能進行評估，對淺層基礎上的承重砌體建築展開研究，結果展現了建築剛度對土壤表層沉降的影響。Yiu等通過有限元建模評估隧道引起的砌體建築物破壞，考慮單、雙隧道方案，構建模型量化分析淺埋隧道對基於條形基礎的磚石建築的影響。Giardina等比較了當前預測隧道引起的土—結構相互作用的分析方法，研究建築剛度計算中的控制因素及其對結構破壞評估的影響，考慮三種相對剛度法計算公式，對建築物的高度、開口率、偏心率，隧道深度，砌體和土壤剛度及槽寬參數進行敏感性研究。
綜上所述，目前關於岩溶對隧道開挖過程影響的研究大多是針對暗挖隧道，而關於盾構隧道的研究尚不多，並且只是對一些規律作初步的分析，還沒有提出能夠滿足實際工程需要的技術或理論，因此有必要開展岩溶對盾構隧道開挖過程影響規律的深入研究。
1 2 2盾構施工誘發建築物風險因素
隨著地下空間的開發利用，軌道交通隧道施工對周圍環境變形安全的影響和保護研究成為國內外學者關注的課題。Peck於1969年提出地表橫向沉降槽符合正態分佈，之後Schmidt和Attewell等學者分別通過自己的研究支持了Peck公式，並在其基礎上完善和補充了其他相關公式。Mroueh運用三維有限元方法分析了城市隧道施工對鄰近樁基的影響。Vieira和Miliziano等學者認為隧道下穿鄰近建築物是一個典型的隧道—土—結構共同作用問題，提出數值分析方法在分析建模方面具有較大優勢。Potts等深入分析了建築物的結構剛度對隧道施工引起變形的影響，在數值分析的基礎上提出了「相對剛度法」。Zhang構建了不同土層性質的邊界元素模型，並藉助此模型提出了隧道開挖土體移動對既有管線變形影響預測的位移控制的兩階段方法。Kivi為控制地表沉降、保護鄰近管線的安全，提出了新型中央樑柱結構體系，並通過三維有限元分析驗證了其控制地表沉降的作用。
與國外相比，我國城市軌道交通工程雖起步較晚，但眾多學者已深入研究了軌道交通隧道施工對鄰近建築物的風險分類及影響。龔珍基於城市盾構淺埋隧道，採用WBSRBS耦合矩陣方法對鄰近建築物進行風險識別，結合改進蒙特卡羅法，建立了軌道交通盾構施工對鄰近建築物的綜合風險後果評估模型，並應用於鄭州軌道交通某區間隧道；秦學波分析了盾構推進對上方土體擾動造成地表沉降的機理和變化規律，以鄭州地區某盾構區間下穿條形基礎建築物為例，對下穿期間盾構推進參數、建築物變形情況及沉降過大后採取的技術控制措施進行了研究。喻凱等以盾構隧道施工過程中的建築