汪忠新 譚光輝

（1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330000 ；2.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司項(xiàng)目建設(shè)管理公司，江西 南昌 330025）

一、引言

隧道技術(shù)是城市地下空間開發(fā)利用的重要方式。由隧道周圍石塊形變?cè)斐傻膽?yīng)力分布變化不可避免，且可能持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年。因此，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)隧道未來可能承受的應(yīng)力對(duì)于維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的隧道負(fù)載預(yù)測(cè)模型大多基于均勻彈性理論，這導(dǎo)致邊界條件難以確定。為此，本文基于深度學(xué)習(xí)方法，提出聯(lián)合時(shí)序應(yīng)力和環(huán)境因素的隧道負(fù)載預(yù)測(cè)模型，利用多個(gè)維度的數(shù)據(jù)，對(duì)隧道未來的負(fù)載情況進(jìn)行預(yù)測(cè)?；诮K南京長(zhǎng)江隧道數(shù)據(jù)的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的可靠性和優(yōu)越性。

提出融合環(huán)境因素對(duì)隧道未來的負(fù)載情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用8種組合進(jìn)行試驗(yàn)，表明溫度、水壓對(duì)隧道負(fù)載的顯著影響。

基于包括LR、SVR、MLP、GRU、LSTM在內(nèi)的經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使用8種組合，在南京長(zhǎng)江隧道數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基于GRU算法的“時(shí)序應(yīng)力數(shù)據(jù)+最低溫度+最高溫度+水壓數(shù)據(jù)”的組合模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最高。

提出了聯(lián)合時(shí)序應(yīng)力和環(huán)境因素的隧道負(fù)載預(yù)測(cè)模型，并且在南京長(zhǎng)江隧道數(shù)據(jù)集上驗(yàn)證了該模型的優(yōu)越性，為未來隧道負(fù)載預(yù)測(cè)研究工作提供了新思路。

二、研究方法

（一）問題形式化定義

環(huán)境因素對(duì)隧道負(fù)載變化有重要影響，因此考慮環(huán)境因素，有利于提升模型的預(yù)測(cè)效果。為方便讀者理解，本文使用的主要符號(hào)及釋義如表1所示。

給定傳感器i 和當(dāng)前時(shí)刻t，使用最近p 天的隧道負(fù)載數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)q 天后傳感器i 監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力。記，表示前p天的隧道負(fù)載序列，q天后的環(huán)境因素記為，表示傳感器i上的隧道負(fù)載預(yù)測(cè)函數(shù)，表示q天后傳感器i上的隧道負(fù)載預(yù)測(cè)值，則隧道負(fù)載預(yù)測(cè)問題定義為：

（二）經(jīng)典的時(shí)序預(yù)測(cè)模型

（三）環(huán)境因素和歷史負(fù)載數(shù)據(jù)的融合

圖1 CHE4TLP模型結(jié)構(gòu)圖

三、實(shí)驗(yàn)

本文基于南京長(zhǎng)江隧道的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。連接長(zhǎng)江兩岸的南京長(zhǎng)江隧道于2016年建成，隧道斷面穿越粉細(xì)砂、黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、風(fēng)化粉砂巖和卵石等多個(gè)地質(zhì)層，隧道長(zhǎng)7014m，外徑14.5m，所受最高水壓約720KPa。每段隧道預(yù)埋20個(gè)壓力傳感器、4個(gè)水壓傳感器和兩個(gè)溫度傳感器。本文基于南京長(zhǎng)江隧道的壓力傳感器、水壓傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察窗口大小取為14，預(yù)測(cè)7天后的隧道負(fù)載情況。

（一）評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文使用標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE和皮爾遜相關(guān)系數(shù)PCC作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，衡量模型的預(yù)測(cè)效果。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

本文取溫度傳感器記錄的每日最低溫度、每日最高溫度，并將水壓傳感器在每天同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為環(huán)境因素，q天后的環(huán)境因素如式（19）所示。

圖2 不同模型在南京長(zhǎng)江隧道數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)效果

其中，Lt+q是最低溫度，Ht+q是最高溫度，Wt+q是水壓數(shù)值。

為了考察不同環(huán)境因素及其組合對(duì)CHE4TLP模型預(yù)測(cè)效果的影響，疊加隧道負(fù)載序列，將其分為10組：T,T+A,T+L,T+H,T+W,T+L+H,T+L+W,T+H+W,T+L+H+W，T+L+H+W+A，在CHE4TLP模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，其中，T表示隧道負(fù)載序列，A表示歷史平均負(fù)載。

如圖2 所示溫度因素對(duì)模型的預(yù)測(cè)效果有較大影響。歷史負(fù)載序列和水壓的組合有時(shí)會(huì)降低CHE4TLP模型的預(yù)測(cè)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的CHE4TLP(T+L+H+W+A)組合在絕大部分模型上都取得了最好的效果，表明溫度因素和水壓因素對(duì)隧道負(fù)載預(yù)測(cè)有重要影響，適當(dāng)結(jié)合歷史負(fù)載數(shù)據(jù)以及環(huán)境因素，有利于提升模型對(duì)隧道應(yīng)力的刻畫能力。

四、結(jié)語

本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提出了聯(lián)合時(shí)序應(yīng)力和環(huán)境因素的隧道負(fù)載預(yù)測(cè)模型。基于南京長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了CHE4TLP模型的有效性。研究結(jié)果表明，CHE4TLP模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來隧道的負(fù)載情況，對(duì)于維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。