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基于深度学习的空间变异土体中隧道水平收敛安全系数计算

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为提升随机有限元法用于计算空间变异土体中隧道水平收敛安全系数的效率,提出一种空间注意力-卷积神经网络作为随机有限元的代理模型.该代理模型以具有空间变异性的土体参数为输入,以隧道水平收敛安全系数为输出,从随机有限元生成的少量样本中学习土体参数随机场与隧道水平收敛安全系数间的关系,进而在更多样本上代替随机有限元方法进行安全系数的计算.以上海某地铁隧道水平收敛安全系数计算问题为例测试该代理模型,结果表明:代理模型与随机有限元计算的隧道水平收敛平均安全系数相对误差小于2%;代理模型与随机有限元计算的水平收敛安全系数MAPE、RMSE、MAE分别小于10%、0.12、0.10,R2大于0.8,可以满足工程准确度需求;同时,相比于随机有限元算法,代理模型的计算效率提升约880倍.
Calculation of Horizontal Convergence Safety Factor for Tunnels in Spatially Variable Soil Based on Deep Learning
To improve the efficiency of using the random finite element method(RFEM)for calculating the safety factor of tunnel horizontal convergence in spatially variable soil,a spatial attention-convolutional neural network(SA-CNN)is proposed as a surrogate model for RFEM.This surrogate model takes spatially variable soil parameters as input and the tunnel horizontal convergence safety factor as output,learning the relationship between soil parame-ter random fields and the tunnel safety factor from a limited number of RFEM samples.It then replaces the RFEM method for calculating safety factors on larger samples.Tested on a Shanghai metro tunnel,the model shows a rela-tive error of less than 2%compared to RFEM,with MAPE,RMSE,and MAE values below 10%,0.12,and 0.10 re-spectively,and R2 above 0.8,meeting engineering accuracy requirements.Additionally,the calculation efficiency of the surrogate model is approximately 880 times higher than RFEM.

Tunnel horizontal convergenceSoil spatial variabilitySafety factorRandom finite element methodSurrogate modelConvolutional neural network

李占甫、张雨、汪俊、吕艳云、芮易

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安徽省交控建设管理有限公司,合肥 230000

同济大学土木工程学院,上海 200092

土木信息技术教育部工程研究中心,上海 200092

岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092

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隧道水平收敛 土体空间变异性 安全系数 随机有限元法 代理模型 卷积神经网络

安徽省交通控股集团科技项目

JKKJ-2021-22

2024

现代隧道技术
中铁西南科学研究院有限公司 中国土木工程学会隧道及地下工程分会

现代隧道技术

CSTPCD北大核心
影响因子:1.493
ISSN:1009-6582
年,卷(期):2024.61(5)