(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221081858 8.6 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 广州大学 地址 510006 广东省广州市大 学城外环西 路230号 申请人 中国建筑第四工程局有限公司 (72)发明人 刘超　幸厚冰　刘海　郑爽　 王泽盼　马力行　 (74)专利代理 机构 北京睿智保诚专利代理事务 所(普通合伙) 11732 专利代理师 杜娟 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06N 3/00(2006.01)G06Q 50/08(2012.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于机器学习和有限元的盾构施工地 表沉降预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于机器学习和有限元 的盾构施工地表沉降预测方法， 用于地表沉降预 测， 包括： 建立实际/土层三维有限元模型； 获取 基于实际土层参数和预设注浆参数的参数组合， 计算实际地表沉降值， 并建立参数反演数据库； 利用随机森 林算法构建有限元计算代理模型； 基 于人工鱼群算法与有 限元计算代理模型构建土 层参数反演模型获得土层参数反演值； 将n组参 数组合进行处理， 输入均质土层三维有限元模 型， 建立地表沉降预测数据库； 利用随机森林算 法建立地表 沉降预测模型； 将 土层参数反演值按 照实际土层厚度分布进行加权平均， 获得目标结 果并输入地表 沉降预测模型， 得到地表沉降预测 值。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115099111 A 2022.09.23 CN 115099111 A 1.一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 采集现场土层分布及隧道实 际埋深， 建立实 际土层三维有限元模型； 采集现场实 际隧 道尺寸与所述隧道实际埋深， 建立均质土层三维有限元模型； 获取基于实际土层参数和预设注浆参数的参数组合， 输入所述实际土层三维有限元模 型计算实际地表沉降值， 并建立 参数反演数据库； 利用随机森林算法和所述 参数反演数据库构建有限元计算代理模型； 基于人工鱼群算法与有限元计算代 理模型构建土层参数反演模型， 并将待预测沉降点 前一个测点的地表沉降监测值输入所述土层参数反演模型中， 获得土层参数反演值； 将n组所述参数组合进行数据处理， 输入所述均质土层三维有限元模型进行计算， 并建 立地表沉降预测数据库； 训练所述 地表沉降预测数据库中数据， 并利用随机森林算法建立 地表沉降预测模型； 将所述土层参数反演值按照实际土层厚度分布进行加权平均， 获得目标土层厚度与实 际埋深比， 并输入所述 地表沉降预测模型， 得到地表沉降预测值。 2.根据权利要求1所述的一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 建立所述实际土层三维有限元模型和所述均质土层三 维有限元模型包括以下 步骤： 基于实际工程确定所述实际土层三维有限元模型尺寸； 基于实际地勘报告确定隧道上 下方土层厚度， 并按照目标要求设置所述隧道上 下方土层厚度、 环宽； 隧道纵深尺寸； 设置所述实 际土层三维有限元模型模型的边界条件， 约束模型水平、 前后以及底部的 位移； 采用摩尔库伦弹塑性本构构建土体的本构方程， 获取所述本构方程所需的所述实际土 层参数； 依据地勘报告设置 土体分层； 设置模型开挖步， 利用 “单元生死法 ”， 先“杀死”待开挖土体， 然后在相应位置激活盾构 机壳， 注浆层、 衬砌等部件的网格， 实现模拟盾构机掘进， 完成所述实际土层的三维有限元 模型的建立； 按照上述建模方式， 将土层改成均质土层， 隧道埋深按照实际工程设置， 选取h个不同 的埋深分别建立h个所述均质土层有限元模型。 3.根据权利要求1所述的一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 建立所述 参数反演数据库， 包括以下步骤： 依次将n组所述 参数组合输入有限元计算软件中进行 数值计算； 当所述实际土层三维有限元模型盾尾模拟掘进到与n组所述参数组合对应的测点下方 时， 根据现场测点布置状况， 对称选取对应监测断面中三个测点的地表沉降值； 基于n组所述参数组合与其对应的地表沉降值， 建立参数反演数据库所述土层参数包 括： 粘聚力、 内摩擦角、 重力密度、 压缩 模量、 泊松比。 4.根据权利要求1所述的一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 将n组所述参数组合进 行数据处理， 输入所述均质土层三 维有限元模型进行计 算， 并建立 地表沉降预测数据库， 包括以下步骤：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115099111 A 2将n组参数组合中的土层参数按照实际土层厚度加权平均进行合并， 得到n组均质土层 的土体参数， 并将其输入所述均质土层三维有限元模型进行计算， 提取模型隧道轴线中点 处的地表沉降值， 建立 地表沉降预测数据库。 5.根据权利要求1所述的一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 将所述土层参数反演值按照 实际土层厚度分布进行加权平均， 获得目标土层 厚度与实际埋深比， 并输入所述 地表沉降预测模型， 得到地表沉降预测值， 包括以下步骤： 将更新后的土层参数按实际土层厚度进行加权平均， 将多土层参数合并得到一组土层 参数； 将更新并合并后的土层参数与反演的注浆参数、 待预测位置的实际隧道的埋深比一同 输入地表沉降预测模型中， 得到预测的地表沉降值； 其中， 所述更新后的土层参数和反演的注浆 参数， 为所述土层参数反演值。 6.根据权利要求1所述的一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 所述 地表沉降预测模型的表达式为： 其中ntree是随机森林中的决策树棵数， y是所有决策树输出的平均值， yi(x)是每一个决 策树独立的输出。 7.根据权利要求1所述的一种基于机器学习和有限元的盾构施工地表沉降预测方法， 其特征在于， 所述土层参数反演值按照实际土层厚度分布进行加权平均， 其加权表达式为： 其中， x为土层参数、 fi为对应土层厚度与实际埋深比。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115099111 A 3