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        基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)富水巖層圍巖變形量預(yù)測

        2019-04-27 07:41:42李老三辛軍餉
        重慶建筑 2019年4期
        關(guān)鍵詞:富水巖層神經(jīng)元

        李老三,辛軍餉

        (1中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都 610031;2中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)

        0 引言

        截止2016年底,我國在建城際和高速鐵路隧道3450km,設(shè)計(jì)和規(guī)劃城際和高速鐵路隧道4180km[1],我國已是名副其實(shí)的隧道大國。監(jiān)控量測是隧道施工的重要組成部分,通過圍巖變形量、變形速率等信息的變化進(jìn)行分析和判斷,并對隧道的塌方、變形進(jìn)行預(yù)警,確定相應(yīng)的施工方案,保障施工安全[2-3]。了解各施工階段地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,判斷圍巖的穩(wěn)定性,支護(hù)、襯砌的可靠性,彌補(bǔ)理論分析過程中存在的不足,并對施工中可能出現(xiàn)的事故和險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)報(bào),以優(yōu)化設(shè)計(jì),指導(dǎo)施工[4-5]。因此預(yù)測隧道圍巖變形量數(shù)據(jù)工作至關(guān)重要。

        目前,國內(nèi)外的專家學(xué)者針對隧道圍巖變形量預(yù)測做了大量的研究工作。師海等[6]為了研究巖溶隧道變形監(jiān)測對隧道穩(wěn)定性提出了一種基于IOWHA算子組合模型的預(yù)測方法。趙洪波[7]支持將向量機(jī)應(yīng)用于隧道圍巖變形的預(yù)測中,將圍巖變形看作一個(gè)非線性變形序列,然后采用時(shí)間序列分析技術(shù),以支持向量機(jī)建立非線性變形序列之間的映射關(guān)系,進(jìn)而對未來的變形進(jìn)行預(yù)測。李永林等[8]在對國內(nèi)外隧道及地下工程已發(fā)生的大量圍巖大變形進(jìn)行實(shí)例收集、分析的基礎(chǔ)上,討論了隧道圍巖大變形的類型,提出了圍巖大變形的預(yù)測預(yù)報(bào)體系,并已在鷓鴣山隧道工程中應(yīng)用。劉開云等[9]將高斯過程回歸(GPR)引入隧道施工圍巖變形預(yù)測,以克服現(xiàn)有模型預(yù)測精度低的問題。徐林生[10]根據(jù)通渝隧道圍巖拱頂下沉位移變形的特性,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來預(yù)測其變形量,結(jié)果表明該方法簡易、有效。Rajabi等[11]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),預(yù)測了不同地質(zhì)條件下洞室周圍的最大水平位移,并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),對洞室周圍最大水平位移影響最大的有效參數(shù)和影響最小有效參數(shù)分別為上覆巖層厚度和圍巖拉伸強(qiáng)度。Armaghani等[12]采用簡單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和獨(dú)立成分分析算法(ICA)的混合模型,預(yù)測了硬巖條件下隧道掘進(jìn)機(jī)滲透性能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于巖土工程的變形預(yù)測,但其在隧道富水巖層變形評價(jià)中的應(yīng)用研究較少。鑒于此,本文以新建鄭萬高鐵黃家溝隧道為例,通過現(xiàn)場監(jiān)控量測引入足夠的數(shù)據(jù)樣本,選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建最優(yōu)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測富水巖層段圍巖的變形量。

        1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

        BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種反饋式全連接多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),具有較強(qiáng)的聯(lián)想記憶和推廣能力。標(biāo)準(zhǔn)BP模型由三層神經(jīng)元組成(輸入層、隱層和輸出層)。如圖1所示,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隱層可為多層。對于BP模型的輸入神經(jīng)元,其輸入和輸出相同,即Oj=Xj。中間隱層和輸出層的神經(jīng)元滿足下列等式:

        其中:fj表示神經(jīng)元,j為對應(yīng)的激發(fā)函數(shù),但目前用得最多的是Sigmoid函數(shù)f(x)表示神經(jīng)元 j的閾值;Xi表示對神經(jīng)元 j的各個(gè)輸入;Wj表示對應(yīng)輸入和該神經(jīng)元j的連接權(quán)值。

        BP網(wǎng)絡(luò)的存儲信息主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),即網(wǎng)絡(luò)輸入層、隱含層和輸出層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù);二是相鄰層節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)值。影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是隱含層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、學(xué)習(xí)率η和系統(tǒng)誤差∈。輸入層和輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由系統(tǒng)應(yīng)用決定,一般來說是確定的。而隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由用戶憑經(jīng)驗(yàn)決定,個(gè)數(shù)過少,將影響到網(wǎng)絡(luò)的有效性,過多會(huì)大幅度增加網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的時(shí)間。學(xué)習(xí)率通常在0.01~0.9之間,一般來說,學(xué)習(xí)率越小,訓(xùn)練次數(shù)越多。但學(xué)習(xí)率過大,會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。擬訂誤差∈通常需要根據(jù)輸出要求來定,∈越低,說明要求的精度越高。

        表1 隧道工程地質(zhì)及洞室變形情況

        BP算法的具體步驟可簡單歸納如下:

        (1)給定網(wǎng)絡(luò)的輸入向量X和目標(biāo)輸出向量T,并初始化網(wǎng)絡(luò)權(quán)值;

        (2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出;

        (3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出向量與所要求的目標(biāo)輸出值的誤差;

        (4)權(quán)值學(xué)習(xí),使誤差最?。?/p>

        對所有的學(xué)習(xí)樣本重復(fù)(1)到(4)步驟,使系統(tǒng)誤差達(dá)到最小。

        圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

        2 黃家溝隧道圍巖變形預(yù)測

        2.1 工程概況

        黃家溝隧道長7827.279m,地處荊山山脈,屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低山地貌區(qū),隧址區(qū)內(nèi)地勢總體上呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的態(tài)勢,地形復(fù)雜,溝壑交錯(cuò),山巒縱橫。主體山勢呈北西-南東向延展,連綿起伏,地形切割較深,峰谷相間。主要巖性為志留系下統(tǒng)羅惹坪組砂質(zhì)頁巖、新灘組砂頁巖。地下水主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。隧道現(xiàn)場開挖至D1K468+445里程時(shí),掌子面左側(cè)開始涌出股狀水。

        2.2 構(gòu)造BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本

        根據(jù)黃家溝隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)資料,選取里程樁號分別為 D1K468+430、D1K468+435、D1K468+440、D1K468+445、D1K468+450、D1K468+455、D1K468+460的隧道斷面, 來研究開挖洞室變形情況。

        具體的工程地質(zhì)及洞室形變情況見表1。隧道在周圍巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

        表2 頁巖的物理力學(xué)參數(shù)

        由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本必須具有代表性和均勻性,因此構(gòu)造了如表3所示的學(xué)習(xí)樣本集。另外本文在結(jié)合大量隧道工程實(shí)踐和參閱相關(guān)文獻(xiàn)[13-16]的基礎(chǔ)上,對不同洞段的工程參數(shù)和變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選取了7個(gè)影響因素。輸入層7個(gè)神經(jīng)元,分別對應(yīng)巖體的密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、摩擦角、涌水量、襯砌類型、封閉用時(shí)等圍巖變形量影響因子。輸出層選取3個(gè)神經(jīng)元,對應(yīng)拱頂下沉、水平收斂1和水平收斂2。并將襯砌類型量化,IVa2用1表示,IVb用2表示,Va用3表示,Vb用4表示,Vc用5表示。本文選取的學(xué)習(xí)樣本均來源于實(shí)際工程的典型斷面,可較好地反映富水巖層的地質(zhì)特征及其變形規(guī)律,在預(yù)測過程中具有較好的適應(yīng)性,可以減小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本的訓(xùn)練誤差,提高后續(xù)預(yù)測的精度。

        表3 富水巖層圍巖變形量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本

        2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入模型

        取得樣本集后,采用三層BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。將輸入、輸出原始數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為有效數(shù)值數(shù)據(jù),輸入向量X由密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、摩擦角、涌水量組成,輸出向量Y由拱頂下沉、水平收斂1、水平收斂2組成。如表4所示,設(shè)置一個(gè)隱含層,經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)n=15、學(xué)習(xí)精度為0.01時(shí)網(wǎng)絡(luò)收斂性比較好,可用于反演計(jì)算。由圖2可知,將各個(gè)樣本分別集輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí),隨著迭代次數(shù)的增加,輸出的均方誤差趨于穩(wěn)定,在第4908次迭代時(shí)達(dá)到目標(biāo)訓(xùn)練誤差。由圖3可知,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本集數(shù)據(jù)適應(yīng)性較好,樣本訓(xùn)練的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99914。

        圖3 訓(xùn)練誤差曲線

        2.4 富水巖層圍巖變形量預(yù)測

        由于預(yù)測斷面還沒有開挖,襯砌類型選擇設(shè)計(jì)參數(shù),封閉時(shí)間取學(xué)習(xí)樣本的平均值進(jìn)行預(yù)測。調(diào)用上文建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,將有效的輸入?yún)?shù)(表5)輸入人工神經(jīng)網(wǎng)BP絡(luò)模型,獲取黃家溝隧道D1K468+465~D1K468+475斷面拱頂下沉、水平收斂1、水平收斂2的數(shù)據(jù)(表6)。

        2.5 圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測

        表4 最優(yōu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型信息

        表5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入模型

        表6 黃家溝隧道D1K468+465-D1K468+475斷面圍巖變形預(yù)測結(jié)果

        本次試驗(yàn)地點(diǎn)為黃家溝隧道,在D1K468+465~D1K468+475里程布設(shè)了5個(gè)測點(diǎn),包括1個(gè)拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn),4個(gè)水平收斂監(jiān)測點(diǎn)。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表7所示。

        表7 黃家溝隧道D1K468+465-D1K468+475斷面圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

        2.6 誤差分析

        評定預(yù)測好壞的方式較多,主要有:絕對平均偏差(MAD)、均方誤差(MSE)、絕對平均百分比(MAPE)以及平均百分比誤差(MPE)等。 若以表示預(yù)測值,yi表示實(shí)際值,則各誤差測定值計(jì)算公式分別為:

        具體分析數(shù)據(jù)見表8—表10。

        表8 拱頂下沉的性能指標(biāo)

        表9 水平收斂1的性能指標(biāo)

        表10 水平收斂2的性能指標(biāo)

        BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在富水巖層中預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量值之間有很好的線性關(guān)系。從表8—表10可以看出,絕對平均偏差和均方誤差都略大,考慮到實(shí)際工程條件的復(fù)雜性和不可控性,預(yù)測結(jié)果還是較準(zhǔn)確的。

        3 結(jié)論與討論

        3.1 結(jié)論

        (1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著良好的非線性信息存儲能力和自適應(yīng)性,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測富水巖層中圍巖變形量,在實(shí)際應(yīng)用中是完全可行的,可以為工程所需的計(jì)算提供參考,對隧道工程信息化設(shè)計(jì)具用實(shí)際意義。

        (2)富水巖層中圍巖變形量的影響因素包括巖體的密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、摩擦角、涌水量、襯砌類型、封閉時(shí)間。預(yù)測富水巖層中圍巖變形量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括7個(gè)輸入神經(jīng)元、一層隱含層、15個(gè)隱含層神經(jīng)元和3個(gè)輸出神經(jīng)元。

        (3)本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型計(jì)算得到了新建鄭州至萬州鐵路湖北黃家溝隧道,在D1K468+465處拱頂沉降量為18.2mm,水平收斂1變形量為13.9mm,水平收斂2變形量為9.8mm;在D1K468+470處拱頂沉降量為23.1mm,水平收斂1變形量為18.3mm,水平收斂2變形量為10.7mm;在D1K468+475處拱頂沉降量為25.4mm,水平收斂1變形量為19.2mm,水平收斂2變形量為11.3mm。

        3.2 討論

        BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對訓(xùn)練樣本的多元化有嚴(yán)重依賴,訓(xùn)練樣本多元化,訓(xùn)練精度也就越高。本文的訓(xùn)練樣本并不全面,今后可通過資源共享、大數(shù)據(jù)處理以及多學(xué)科的合作,精選出更多全面、可靠的富水巖層圍巖變形量水巖層圍巖變形量,建立數(shù)據(jù)庫,構(gòu)筑起一個(gè)實(shí)用范圍廣泛的富水巖層圍巖變形量預(yù)測模型,為后來研究者提供一種實(shí)用、便捷、批量處理的新方式。

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