顺序双线隧道沉降的阶段条件化代理评估：数值工作流程验证与可迁移性限制

《Transportation Geotechnics》：Stage-conditioned surrogate assessment of sequential twin-tunnel settlement: numerical workflow verification and transferability limits

　　

摘要

顺序双隧道开挖会产生成对响应：第一次开挖后第一隧道轴线处的 S1 和第二次开挖后同一位置的 S2。本研究审计了基于使用硬土小应变模型的排水 PLAXIS 3D 分析得出的分阶段条件代理模型。将继承的有限元工作流程与八个横向和五个纵向西希尔德现场坐标进行了比较，R² 值分别为 0.890 和 0.968，均方根误差（RMSE）值分别为 13.9 和 9.0 mm；此评估是针对工作流程一致性，而非对代理模型的现场验证。溯源审计确定了 362 个分阶段场景、362 对 S1-S2 观测值和 724 个标量值。机器学习仅限于沿六条一维路径排列的 89 个完整伊斯法罕参考案例：五条严格的单因素变量（OAT）轨迹和一条深度条件路径，其中 H/D、掌子面压力和尾浆压力根据源规则协变。确认遗留的深度和间距列包含无量纲比率 H/D 和 s/D。使用十次重复的五折外层和四折内层嵌套验证评估了多元线性回归（MLR）、多层感知机和线性基线残差校正。仅在每个外层训练分区内选择模型家族和架构，包括完全嵌套阻断和留一轨迹外测试。在所学全局模型中，MLR 给出了最低的平均 S1 均方根误差（0.0533 cm），而残差校正给出了最低的 S2 均方根误差（0.0819 cm）。在相同的严格阻断分区下，基于轨迹的分段线性基线实现了 S1 均方根误差 0.0397 cm 和 S2 均方根误差 0.0238 cm，表明局部准确性主要归因于沿表示路径的平滑插值，而非模型复杂性。每个严格的轨迹留置 R² 均为负值。因此，这些模型仅支持沿采样的排水 HSsmall 路径进行插值；它们不支持遗漏的因素 - 响应关系、任意多变量组合、新地质或现场条件。

引言

地面沉降是城市隧道工程中核心的服役性能关注点，因为微小的移动可能会影响建筑物、公共设施、路面和运营交通资产[[1], [2], [3]]。在顺序双隧道施工中，第二次推进穿过已经经历卸载、支护安装和刚度重分布的地层；因此，当必须保留施工顺序和隧道 - 隧道相互作用时，需要进行分阶段三维分析[[4], [5]]。

具有小应变刚度的硬土模型（HSsmall）代表了应力依赖刚度和小应变下动员的高初始刚度[[6], [7]]。数据驱动代理模型可以降低重复数值筛选的成本[[8], [9], [10]]，但仅凭高随机折点准确性并不能确立可迁移性。对于仿真生成的档案，数据谱系、物理单位、折点构建、模型选择边界以及插值与结构外推之间的区别必须明确。

源路径结合了伊斯法罕地铁监测、分阶段 PLAXIS 建模和一个西希尔德基准案例[[11], [12]]。内部标签“Si-o-se-pol”表示伊斯法罕参考子集，并非标准的土壤分类。仅保留监测衍生的玻尔兹曼过渡；不使用高斯关系或基于高斯的分析。未比较完整的经典沉降公式，因为解析矩阵缺乏体积损失、槽宽、横向偏移和完整几何输入；减少的校准代理被认为是非等效的，并被移除。

该贡献是方法论而非本构的。它不引入新的沉降定律。它展示了行级溯源、规范变量定义、重复嵌套模型选择、邻域阻断验证、整轨迹留置和记录删除鲁棒性如何改变从顺序隧道代理档案中可以得出的结论。目标是：（i）量化继承的 PLAXIS 工作流程的一致性；（ii）区分 362 场景档案与 89 案例分析子集；（iii）解决遗留的 H 与 H/D 以及 s 与 s/D 的歧义；（iv）在没有模型选择泄露的情况下比较特定阶段的候选者；（v）在不声明因果开挖记忆的情况下量化阶段对比；以及（vi）定义可辩护的项目筛选限制。

章节摘要

西希尔德工作流程一致性评估

验证工作簿包含现场观测值、Zhao 等人 [12] 报告的数值剖面以及当前的 PLAXIS 剖面。数值曲线在现场坐标处进行了线性插值并进行了比较，没有重新拟合。仅有八个横向和五个纵向观测值可用；比较评估了继承的有限元工作流程的一致性，而非对当前代理模型的独立现场测试。

现场坐标比较量化了

响应与预测因子

S1 是第一次开挖后第一隧道轴线处的沉降。S2 是第二次开挖后同一响应位置处的沉降。预测因子为 E50ref、H/D、C、γ、s/D 和 cos(φ)。数据包括五条严格的单因素变量（OAT）轨迹、一条耦合的 H/D-压力轨迹和一条共享基线，而非填充的六维设计。H/D-压力路径是一个采样的施工场景，而非孤立的深度实验。因此适用性

重复嵌套比较

主要的重复嵌套分析评估插值，同时防止预处理和架构选择访问外层测试观测值。报告 R²、均方根误差和平均绝对误差的均值及重复间标准差允许比较准确性和折点到折点的稳定性。十次重复的结果见表 8。

对于 S1，MLR 产生了最低的平均均方根误差（0.0533 cm），而残差校正在尺度上具有统计相似性（0.0542 cm），且折点选择的

阶段条件解释

S1 在档案中相对规律：MLR 具有最低的平均随机折点误差，并在大多数 S1 折点中被选中。S2 包括第二次推进的累积效应和更强的与间距相关的对比；残差校正在大多数 S2 折点中被选中。该结果是特定于阶段和协议的，并不确立神经校正的普遍优势。

项目筛选示例

假设业主阈值 3.00 cm 仅用于演示决策工作流程。该预测

讨论

修订后的分析解决了评审期间提出的方法论问题。首先，档案包含五条严格的单因素变量轨迹和一条耦合的 H/D-压力路径；后者无法隔离深度效应，因为掌子面和尾浆压力随 H/D 变化。其次，架构和家族选择局部于每个外层训练分区。因此，完全嵌套阻断和留一轨迹外（LOSO）测试测量的是无全局选择泄露的邻域和结构迁移。第三，十次重复

计算可重复性与效率

accompanying 补充证据包提供了规范的 89 案例行级矩阵、执行的数据准备脚本和日志、84 行质量筛选分析表、13 条直接 PLAXIS 锚定记录、严格和宽松的基于轨迹的线性和 PCHIP 阻断预测、数值路径距离域规则、评审人变更图和可执行评审人分析代码。恢复的 BHG-ET 和简化经验验证工作簿保留在单独的

适用性限制

使用限制为：（i）伊斯法罕参考分析子集；（ii）排水 HSsmall 响应；（iii）D = 7 米参数几何；（iv）报告的固定施工顺序和源规定的掌子面和注浆压力规则；（v）五个采样的严格单因素变量路径 E50ref = 15–52.5 MPa，C = 5–55 kPa，γ = 17–20 kN/m³，s/D = 1.25–5 和 cos(φ) = 0.76–0.98；（vi）H/D = 2–5 范围的耦合 H/D-压力路径加上孤立的 H/D = 1.2 基线；以及（vii）被分类为域内的输入

结论

• 1.
  证据包括 362 个分阶段 PLAXIS 场景、362 对 S1–S2 观测值和 724 个标量沉降值；操作分析仅限于 89 个完整的伊斯法罕参考案例。
• 2.
  89 案例矩阵包含五条严格的单因素变量轨迹、一条耦合的 H/D-压力施工路径和一条共享基线。H/D 响应包括规定的掌子面和注浆压力变化，并非孤立的深度效应。
• 3.
  在严格阻断验证下，基于轨迹的分段线性

生成式 AI 披露

在修订期间使用 OpenAI ChatGPT 进行语言重构和初步代码脚手架。所有数据转换、折点定义、模型配置、数值计算、表格和结论均独立执行并对照归档文件审查。修订手稿中的所有科学图形均使用审查过的脚本从归档数据中程序化渲染；未使用生成式图像模型。原始图形摘要被撤回且

CRediT 作者贡献声明

Amirhossein Rostami: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。 Kurosh Shahriar: 监督，软件。 Satar Mahdevari: 软件，资源。 Mohammadreza Esmaeilidehkordi: 写作 – 审查与编辑，软件。

资助

本研究未收到外部资金。机构设施由伊朗德黑兰阿米尔卡比尔理工大学（德黑兰理工大学）采矿工程系提供。

作者确认

所有作者已审查并批准修订手稿，并同意上述提供的声明。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢阿米尔卡比尔理工大学采矿工程系提供的科学和技术支持，以及本研究中使用的数值建模资源。

Amirhossein Rostami|Kurosh Shahriar|Satar Mahdevari|Mohammadreza Esmaeilidehkordi

阿米尔卡比尔理工大学（德黑兰理工大学）采矿工程系，伊朗德黑兰 15916-34311