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现代隧道技术 2025, Vol. 62 Issue (2) :98-109    DOI:
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基于GAPSO-LightGBM的TBM施工隧道围岩等级智能预测方法
(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;2. 成都理工大学环境与土木工程学院,成都 610059;3. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072)
GAPSO-LightGBM-based Intelligent Prediction Method of Surrounding Rock Grade in TBM Tunnelling
(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2. College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059;3. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072)
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摘要 隧道掘进机(TBM)掘进参数对地质条件变化敏感,实时、准确地识别隧道围岩的质量等级,对于隧道的高效掘进和地质灾害防治至关重要。鉴于此,对 TBM 掘进参数数据进行预处理,从而获得高质量数据库,以LightGBM为基础模型,引入GAPSO优化算法进行超参数寻优,构建基于GAPSO-LightGBM的围岩等级预测模型,并与PSO-LightGBM、GA-LightGBM、LightGBM、XGBoost及随机森林模型进行对比。研究结果表明,GAPSO-LightGBM围岩等级预测模型的预测性能优于其他传统模型,在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩预测中,F1值分别为0.849、0.871、0.893,准确率为87.5%。现场验证结果显示,该方法可以有效预测围岩质量等级的变化,可为实际工程提供参考。
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张 欢1
2 张世殊3 李天斌1
2 杨 罡1
2 李世森1
2 肖华波3 陈卫东3
关键词铁路隧道   围岩等级预测   机器学习   隧道掘进机   掘进参数   超参数优化   GAPSO-LightGBM     
Abstract: The tunnel boring machine (TBM) excavation parameters are sensitive to changes in geological condi? tions. Accurately and real-time identifying the quality grade of tunnel surrounding rocks is crucial for efficient tunnelling and geological hazard prevention. To address this, pre-processing is performed on TBM excavation parameter data to obtain a high-quality database. Selected the LightGBM as the basic model, a surrounding rock grade prediction model based on GAPSO-LightGBM is constructed by introducing the GAPSO optimization algorithm for hyperparameter tuning. The model's performance is compared with PSO-LightGBM, GA-LightGBM, LightGBM, XGBoost, and Random Forest models. The results show that the GAPSO-LightGBM-based surrounding rock grade prediction model outperforms the traditional models. For the prediction of grades Ⅱ, Ⅲ, and Ⅳ surrounding rocks, the F1 scores are 0.849, 0.871, and 0.893, with an accuracy of 87.5%. The field validation demonstrate that this method can effectively predict the changes in surrounding rock quality grades and provide reference for practical engineering.
KeywordsRailway tunnel,   Surrounding rock grade prediction,   Machine learning,   Tunnel boring machine,   Excava? tion parameters,   Hyperparameter optimization,   GAPSO-LightGBM     
基金资助:国家自然科学基金(U19A20111).
作者简介: 张 欢(2000?),男,硕士研究生,主要从事隧道及地下工程方面的研究工作,E-mail:zhanghuan1@stu.cdut.edu.cn. 通讯作者:李天斌(1964?),男,博士,教授,博士生导师,主要从事地质工程、地下工程等领域的教学与科研工作,E-mail:ltb@cdut.edu.cn.
引用本文:   
张 欢1, 2 张世殊3 李天斌1, 2 杨 罡1等 .基于GAPSO-LightGBM的TBM施工隧道围岩等级智能预测方法[J]  现代隧道技术, 2025,V62(2): 98-109
ZHANG Huan1, 2 ZHANG Shishu3 LI Tianbin1, 2 YANG Gang1 etc .GAPSO-LightGBM-based Intelligent Prediction Method of Surrounding Rock Grade in TBM Tunnelling[J]  MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY, 2025,V62(2): 98-109
链接本文:  
http://www.xdsdjs.com/CN/      或     http://www.xdsdjs.com/CN/Y2025/V62/I2/98
 
没有本文参考文献
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