基于机器学习方法的浅埋暗挖隧道地表位移预测研究

浅埋暗挖隧道的地表位移受众多因素影响,如隧道几何参数、地质力学参数和施工参数等。因此,建立一种能够应对复杂条件的地表位移智能预测方法,是浅埋暗挖隧道关注的核心问题,也是实现隧道智慧化施工的重要基础。采用4种机器学习方法,分别为支持向量回归、随机森林、反向传播神经网络和极限学习机,并结合粒子群优化算法确定4种机器学习模型的最优超参数或随机数,从而建立一种针对浅埋暗挖隧道地表位移的混合智能预测方法。以北京地铁12号线安华桥站—安贞桥站区间段为工程背景,构建了包含73组浅埋暗挖隧道地表位移数据的数据库,并基于3种性能评价指标(决定系数R2、平均绝对百分比误差MAPE和均方根误差RMSE)对4种混合智能预测模型的预测性能进行了对比分析。此外,采用SHAP模型研究输入特征对输出值的贡献,讨论了各影响因素对地表位移的相对重要性。结果表明,支持向量回归混合智能预测模型在测试集中性能最佳,R2为0.86,MAPE为0.0079,RMSE为1.94 mm;土的压缩模量对地表沉降影响最大,其次为隧道的中心埋深和隧道横截面的宽度。

基于CNN-BiLSTM-Attention的三峡库区滑坡地表位移预测研究

地表位移预测在滑坡监测预警中具有重要意义,建立稳定可靠的滑坡位移预测模型是关键。本文基于卷积神经网络和注意力机制的滑坡位移预测方法,并以三峡库区黄泥巴蹬坎滑坡为例进行了验证。本文综合分析了该滑坡长达8年的降雨量、库水位和地表位移等监测数据,建立了结合卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、双向长短期记忆(bidirectional long short-term memory,BiLSTM)网络和注意力机制(attention)的CNN-BiLSTM-Attention深度学习组合预测模型,采用了适应性学习率和正则化技术进行模型训练,提高了模型的泛化能力同时避免过拟合,并与传统LSTM模型进行对比验证。结果表明:相较于传统的机器学习和神经网络方法,该模型在滑坡位移预测精度上取得了显著提升,预测模型拟合优度(R^(2))达0.989,平均绝对百分比误差(MAPE)仅为0.059。

严寒大温差地区大气降水对隧道洞口地表位移的影响

乌尉高速是G7北京~乌鲁木齐高速公路联络线G0711乌鲁木齐~尉犁~若羌高速公路主要组成部分,为连接天山南北的纵向大通道,全线具有严寒、大温差、四季常风、降水丰富等气候条件。通过对该线路前峡2#隧道在建隧道洞口地表位移方向、速度、累积量和天气情况进行中长期监测,探究降水与隧道洞口地表位移大小、方向之间的密切联系,并初步阐释其机理,以期为严寒大温差地区隧道的高精度监测及相关研究提供参考。

三管盾构隧道下穿铁路引起的地表位移及其控制技术

采用三维数值模拟方法,结合上海轨道交通9号线R413标段,进行三管并行盾构隧道近接下穿南新环铁路引起的地表位移及其控制技术研究。数值分析中,利用温度升降产生的膨胀和收缩效应模拟注浆压力和压力的消散,使得分析过程在力学效应上更接近盾构施工的工作状态。引入轨道高低偏差值来控制地表位移。研究结果表明:地层加固前,各隧道施工时地表的横向位移有明显的叠加效应,距离越近,效应越明显,且最大位移值已超过限值;当采用分块注浆加固地基并配合旋喷桩施工的地层位移控制技术后,地表位移得到有效的控制,现场沉降实测结果验证了控制技术的有效性,确保盾构隧道安全下穿铁路和列车的安全运营。

双圆盾构施工扰动引起的地表位移特性分析

双圆、异形盾构工法是近年来软土地下工程兴起的一种新工法,对于双圆盾构施工扰动引起的土体位移计算方法及特征,人们还缺乏足够的认识和工程实践的积累。基于弹性力学Mindlin解、Sagaseta公式,建立考虑盾构掘进正面附加推力、侧摩阻力、地层损失的双圆盾构施工扰动土体位移计算方法。以上海轨道交通M6线双圆盾构区间隧道工程为背景,应用该方法分析双圆盾构施工扰动引起的土体纵向、横向沉降特征。结果表明,计算值与实测值吻合较好,该方法可用于分析双圆、异形盾构施工引起的地表位移特征,双圆盾构施工引起的地表沉降基本符合正态分布,盾构对土体有明显的背土、挤土效应。所得结论对于异形盾构工法在我国的进一步开发应用提供有益借鉴。

隧道施工对框架结构及地表位移影响的数值分析

研究目的:隧道施工对邻近建筑物影响的现有研究方法通常首先计算地表位移,然后将地表位移施加于建筑物模型上,忽略了建筑物自重和刚度的影响。建立隧道从框架结构正下方穿越的三维有限元模型,分析地表在隧道开挖和既有框架结构共同作用下的位移变化规律,分析隧道施工对梁、柱和桩体位移及受力的影响,为隧道下穿既有框架建筑物的设计和施工提供参考意见。研究结论:框架结构的自重会显著增大地表沉降值及其范围,其刚度会显著限制地表侧向位移;隧道施工对框架结构的竖向位移影响较大,对其侧向变形影响较小;中梁弯矩变化较小,边梁的的最大负弯矩有较大幅度的增加。中柱的轴向压力降低,边柱的轴向压力增加。在实际工程中,应加强对边梁弯矩和边柱轴力的监控。

液化土层对地表位移谱的影响

通过现场地震记录分析和理论计算，研究了液化土层对地表位移谱的影响规律，提出了液化位移增量谱和液化修正位移谱。对比了美国Superstition Hills地震和日本阪神地震中液化场地加速度时程和位移时程，分析了液化和非液化场地位移谱区别。采用改进的一维有效应力分析方法，计算了在不同强度和波型地震波输入下厚度和埋深不同的液化砂层对地表位移谱的影响。结果表明：液化对地表位移和位移谱有显著放大作用，位移谱在1s左右开始增大，加震最显著频段为1—5s，谱位移增加0．1～0．7m，烈度8度时平均加震增幅0．1～0．25m，9度时平均增幅0．4～0．7m。

基于物理模拟试验的岩质滑坡地表位移分析

三段式岩质滑坡是一种典型的斜坡变形破坏模式,运用二维地质力学加载系统对其变形破坏全过程进行物理模拟试验研究,采用激光位移计对坡顶和坡脚位置进行位移监测。结果表明:位移监测曲线总体上表现为锁固段经历长时间的能量积累与应力调整后的突发脆性破坏;由于软弱夹层具有蠕滑特性,前缘蠕滑阶段呈现出与土质滑坡相似的初始变形→等速变形→加速变形特征;后缘拉裂阶段作为最短暂的变形阶段,其位移监测曲线表现为"减-增-减-增"的"W"型变化趋势;锁固段是三段式岩质边坡维持稳定的关键所在,其受剪变形的顺序为先上后下,损伤变形由端部向中部递进,最终锁固段剪断形成突发脆性破坏,滑坡高速启动。

盾构偏航引起的地表位移预测

对于盾构隧道的设计和施工,解析方法预测地表沉降,具有使用简便、物理意义明确的特点。在 Sagaseta 提出的基于由地层损失引起的地表沉降理论基础上,结合工程实际情况,提出了模拟盾构推进过程的三维地层损失模式,并推导了相应的地表位移计算解析公式,对实际工程具有参考价值。

铁路岩溶路基注浆引起地表位移与注浆效果评价方法

为揭示岩溶路基注浆引起的地层变形规律和明确岩溶路基注浆效果评价方法,基于现场注浆试验,测试了岩溶注浆孔周围不同距离的地表竖向位移,探究了岩溶路基注浆量分布特征法和注浆压力-流速-时间(P-Q-t)曲线法对注浆效果评价的适用性.结果表明:注浆量空间分布受岩溶裂隙影响呈现不均匀性,注浆量随注浆顺序递减,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ序孔平均注浆量占总注浆量的比例范围分别为40%～60%,25%～35%,15%～25%; P-Q-t曲线按曲线形态可分为5种类型,它们可反映不同溶洞形态下的注浆过程;注浆压力在0. 1～0. 3 MPa之间时,注浆引起的地表竖向位移最大值不超过1. 5 mm,注浆影响范围介于10～15 m.采用分序注浆时注浆量时间分布特征与P-Q-t曲线类型的统计变化规律可对注浆量效果进行评价.

间歇复活型库岸老滑坡地表位移预测

库岸老滑坡的间歇性复活给决策管理者判断滑坡处于何种变形阶段,以及未来将会出现何种发展趋势带来了极大的困难。将周期性库水位变动及季节性降雨入渗统一到滑坡体的地下水位变动,基于刚体极限平衡原理与Mohr-Coulomb强度准则,推导了描述库岸老滑坡间歇性复活过程的复活速率与地表位移预测模型。以三峡库区三舟溪滑坡为例,首先通过数值模拟获得2009年1月1日至2009年12月31日的滑坡体地下水位序列,然后利用所建模型计算得出该时间段内滑坡复活速率序列,根据初始位移得出地表位移预测序列。与实测位移的比较结果显示预测效果良好,表明所建模型是合理的。此外,影响该模型预测精度的关键因素在于获得精确的实时地下水位与符合滑坡实际情况的模型参数。

双孔盾构隧道地表位移离心机模型试验研究

采用室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工,通过定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模拟盾构隧道的地层损失。研究了横断面地表沉降的量值、分布规律以及随盾构推进距离的变化规律,并提出相应防护措施。结果表明:水囊注放水方法可以有效模拟盾构隧道地层损失;盾构推进距离和隧道相对位置关系对地表沉降的量值和分布规律有显著影响。

北京大兴国际机场线直径9.0 m级盾构施工引起的地表位移和建筑物变形特征分析

以北京市大兴国际机场线工程为研究背景,对直径9.0 m级的土压平衡盾构与一般地铁常规盾构(直径6.2 m左右),从设备基本参数以及施工工作特性等方面进行对比分析,利用现场实测数据(30组地表沉降监测数据以及10组建筑物沉降监测数据),对直径9.0 m级的盾构暗挖施工引起的地表及建筑物沉降变形规律进行分析研究,并对其地层损失率、沉降槽宽度系数等沉降特征参数进行反演分析研究。以上工作可以为获得可靠的地表变形预测提供方法参数基础,同时可以为9.0 m级土压平衡盾构隧道的设计、施工及其优化提供可靠技术支撑。

拉线式滑坡地表位移实时监测系统应用实例

拉线式滑坡地表位移实时监测系统是测量地表相对位移的监测仪器,在很多滑坡中已得到实际应用。该系统的特点是将传统的拉线式测量原理与现代通讯技术有机结合,由数据采集系统,数据处理中心和客户端这三大部分组成。当测点发生位移时,所连接的钢丝线将随之移动发生变化,这一信息由角位移传感器记录并转化为相应的电信号,数据采集系统将电信号转换成数字信号,并利用现有的移动通信网络将信号传输到数据处理中心。最后利用编制的软件进行数据分析,给出被测点的位移随时间变化的规律。同时,数据处理中心可以根据现场情况,对现场的数据采集频率进行更改。通过对凉水井滑坡实时监测数据的分析和对比,对该滑坡的危险性等级进行了评估和险情预警,证明该系统不受地理环境、气候等因素的限制,并说明了此种监测方法运用于滑坡实时监测具有很高的实用价值。但是该系统还需要作进一步改进,以克服自身存在的一些缺陷。

基于主成分分析和长短期记忆网络的滑坡地表位移监测数据缺失插补算法

在滑坡地表位移监测过程中,由于设备工作异常或恶劣气候的干扰,原始数据会随机出现长时间序列的缺失,这类数据对滑坡的预警和预测有很大的影响。针对上述问题,提出了一种基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和长短期记忆网络(long-short term memory,LSTM)的数据插补方法。首先利用PCA实现滑坡监测数据的降维和特征提取,消除数据间的相关性,然后建立基于LSTM的地表位移监测数据插补模型,对缺失数据进行插补。实验结果表明:该模型与BP(back propagation)神经网络等其他几种机器学习插补模型相比,平均绝对误差、均方根误差和平均绝对百分比误差分别为0.523、1.233和0.009,均优于其他几种模型;该模型能够较好地解决地表位移长时间序列数据缺失的问题。

基于超弱光纤光栅阵列的地表位移监测方法

为了满足采煤沉陷区地表位移精准监测的需要,提出1种基于超弱光纤光栅(uwFBG)阵列的浅层土体位移监测方法。设计1种标距为4 m的uwFBG应变光缆并对其进行适用性分析,该光缆应变灵敏度为1.14 pm/με,迟滞性实验误差小于0.1%。结合自主开发的uwFBG解调装置,构建uwFBG的位移自动化监测系统,并应用于重庆市北碚区天府镇某采煤沉陷区的监测。研究结果表明:浅层土体经过自然沉降和温差补偿后,关键区域在2个月内的累计位移变化约为2 mm,与监测点GNSS(全球导航卫星系统)测量结果吻合,验证了超弱光栅阵列地表位移监测方法的可行性。

数值模型显示的隐伏弯曲断层同震地表位移特征

余震精定位资料显示,芦山7.0级地震破裂面可能为弯曲程度较高的三维弯曲断层。相关研究显示,这种弯曲断层的位错方式和破裂面同震应力加卸载模式与普通平直断层有明显不同。文中采用无限半空间位错模型模拟显示,隐伏弯曲断层和平直逆断层引起的地表位移特征相似,但是弯曲断层引起的地表水平位移更接近区域整体的地壳缩短方向,缩短方向水平位移的量明显高于同等规模的平直逆断层,因此能更好地传递断层上盘大范围物质的水平运动。相对于平直断层,弯曲断层下盘水平位移随距离衰减十分明显。同等规模的弯曲断层导致的同震地表抬升小于平直逆断层或左旋逆断层引起的同震抬升,但能造成更明显的地表下降。由于地震规模较小,GPS等低密度空间分布的形变观测可能无法有效分辨芦山地震震源结构是否为弯曲断层。对震源结构的细节研究,还有待于利用高空间密度和高分辨率的形变观测资料。

采矿工程与地表位移的关系

在用ＦＬＡＣ软件计算分析了有软弱层存在情况下露天矿边坡岩体变形的基础上，以抚顺西露天煤矿为例，分析了不同开发顺序引起的地表位移，并据此分析了该矿北帮地表产生大位移的主要原因．最后，给出了露天采矿工程和地下采矿工程引起的地表变形的一般规律．

矿山开采地表位移场的大变形分析

将非线性连续介质力学的有限变形几何学应用到矿山开采地表位移场的变形分析中，从理论上阐明了有限变形几何学能精确地描述地表变形的实际情况。

SH波入射时多个浅埋圆形衬砌结构附近半圆形沉积层的地表位移

本文利用复变函数和多极坐标的方法,给出了多个浅埋圆形衬砌结构附近半圆形沉积层的地表位移对SH波散射问题的解答.在求解过程中,将整个求解区域分割成两个区域,一个区域为半圆形沉积层,另一区域为多个浅埋圆形衬砌结构附近带半圆形凹陷的半无限弹性空间.在这两个区域和浅埋圆形衬砌结构内部分别构造满足水平界面上应力为零的位移解,并在半无限弹性空间和半圆形沉积层及浅埋圆形结构的公共边界上分别实施位移和应力连续条件,建立求解问题的无穷代数方程组.通过算例的数值分析表明,浅埋圆形衬砌结构的存在对沉积层附近位移有明显的放大作用,且这种作用随着浅埋衬砌圆形结构之间距离的增大而减小.