基于BP神经网络的电力隧道断面辅助设计软件开发及应用.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 0 54-0 8Vol.41,No.8Journal of Municipal TechnologyAug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.054基于BP神经网络的电力隧道断面辅助设计软件开发及应用黄业胜1,郭彩霞2*,郭庆宇1,张小颖1,李继波,傅睿智3(1.北京电力经济技术研究院有限公司，北京10 0 12 0;2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京10 0 12 4；3.北京市政建设集团有限责任公司，北京10 0 0 48)摘要：隧道断面设计对电力隧道的安全性、经济性与可靠性等性能有着直接的影响，因此需要设计人员对隧道断面内力进行深入的研究分析，以保障电力隧道各项性能符合要求。为有效缓解人工计算的压力，解决不同施工工法下的电力隧道合理断面形式设计问题，并满足快速施工要求，该研究通过有限元软件对不同施工工法下的电力隧道断面设计进行了大量的参数分析与计算，构建出圆形、矩形与马蹄形隧道断面的内力计算数据库，再利用BP神经网络对数据集进行学习与预测，实现了通过隧道尺寸、地基刚度与荷载水平预测其最大弯矩与轴力的目的。并以MSE值作为模型的评价指标，验证了模型的有效性。最终以此为基础设计出一款新型的电力隧道断面辅助设计软件，以期为电力隧道设计和施工提供有益的参考与指导，并通过北京市的2个实际工程案例验证了该软件的有效性与实用性。关键词：电力隧道；断面设计；BP神经网络；有限元模拟中图分类号：U452.2Development and Application of AuxiliaryDesign SoftwareforPowerTunnel Section Basedon BPNeural NetworkHuang Yesheng,Guo Caixia?*,Guo Qingyu,Zhang Xiaoying,Li Jibo,Fu Ruizhi?(1.Beijing Electric Power Economic and Technological Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100120,China;2.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;Abstract:Tunnel section design has a direct impact on the safety,economy and reliability of the power tunnel per-formance.It is necessary for designers to carry out in-depth research and analysis of the internal force to ensure thatthe performance of the power tunnel meets the requirements.In order to effectively relieve the pressure of manualcalculation,solve the problem of reasonable section form design of power tunnel under different construction meth-ods,and meet the requirements of rapid construction,a large number of parameter analysis and calculation on thesection design of power tunnel under different construction methods was carried out by finite element software,builtthe internal force calculation database of circular,rectangular and horseshoe-shaped tunnel sections in this study.The data set was learned and predicted by BP neural network to predict the maximum bending moment and axialforce by tunnel size,foundation stiffness and load level.Being the evaluation index,the MSE value verified the valid-收稿日期：2 0 2 3-0 4-13基金项目：国家自然科学基金面上项目（52 2 7 8 38 5）；北京市教育委员会科技计划项目（KM202210005019)作者简介：黄业胜，男，工程师，硕士，主要从事输变电工程土建设计及智能建造研究工作。通讯作者：郭彩霞，女，教授级高级工程师，博士，主要从事隧道工程及地下工程方向研究及教学工作。引文格式：黄业胜，郭彩霞，郭庆宇，等.基于BP神经网络的电力隧道断面辅助设计软件开发及应用.市政技术，2 0 2 3，41（8）：54-6 0，2 52.(HUANG Y S,GUO C X,GUO Q Y,et al.Development and application of auxiliary design software for power tunnel section based onBP neural networkJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):54-60,252.)文献标志码：A3.Beijing Municipal Construction Co.,Ltd.,Beijing 100048,China)第8 期ity of the model.Finally,a new type of auxiliary design software for power tunnel section was designed to provideuseful reference and guidance for the design and construction of power tunnel,whose effectiveness and practicabilitywere further verified by two practical engineering cases in Beijing.Key words:power tunnel;section design;BP neural network;finite element simulation黄业胜等：基于BP神经网络的电力隧道断面辅助设计软件开发及应用55新型绿色城市的高速发展在带动人口与经济快速增长的同时，也促使电缆建设地下化进程不断加快1。电力隧道赋予电缆建设改善城市景观、提高供电可靠性、节约用地成本、保障电力安全等性能，促进了城市地下空间的开发与利用。然而，城市交通网络的不断扩大也导致线路之间出现交叉或并行的问题，容易引发电力隧道在长期荷载作用下的损伤与一系列连锁反应2。同时,受工作面、洞内施工环境等因素的影响，电力隧道的施工速度往往决定了整个工程的工期3,而电力隧道断面设计由于其断面形式、受力分析的复杂性，对工程进度也有较大影响。因此，为保证电力隧道的安全性、经济性与可靠性，电力隧道建设初期的断面设计就显得至关重要，而如何实现对不同施工工法下的电力隧道断面设计就成为了业界较为关注的问题之一。针对隧道结构受力情况与断面设计的问题，许多学者如冯国辉等4、周成嵩等5、张涛等6、付钧福等7、周龙等8 对此做了大量的研究，但至今尚没有一个可以通过工程条件、隧道断面设计参数快速给出隧道结构受力情况的预测系统，为此，开发一个能够快速给出当前工程条件下电力隧道结构受力情况的系统显得较为迫切。通用有限元软件ABAQUS被广泛地应用于结构力学及相关领域，其关键在于以计算机为依托，通过强大的非线性分析功能实现了数值计算与图像显示的优势互补，并对实际工程问题给出了有效的参考9。故在现有的工程案例中,为确定隧道结构承载力是否满足设计要求与实际运行的需要，通常采用理论计算与数值模拟相结合的手段对此进行验证10 1,但受限于人工计算的局限性以及模型建立过程的繁琐性，导致其在实际工程应用中预测时间长、过程繁穴复杂，难以满足电力隧道建设飞速发展的需求。受益于人工智能飞速发展所带来的优势，机器学习所表现出的能够在动态、大容量和复杂环境中处理数据的能力为实现快速预测电力隧道结构内力提供了新的思路。在上述背景下，笔者采用荷载分析法对隧道结构内力进行计算，同时进行参数分析，利用通用有限元软件ABAQUS建立明开、暗挖、顶管、盾构4种工法所对应的隧道断面形状模型，对不同形状、尺寸、荷载和地层条件的隧道结构内力进行分析计算，得到弯矩与轴力的数据库，再以有限元软件ABAQUS模拟得到的数据库为基础训练BP神经网络模型，最终实现对电力隧道结构内力的快速预测,以期为电力隧道断面设计提供有益的参考与指导。1数据源与参数分析1.1模型建立以明开、暗挖、顶管、盾构4种工法的常用断面形状一一圆形、矩形和马蹄形为研究对象,并以此建立模型。建立模型时首先结合实际做出部分简化：假定地层与结构处于平面应变状态；假定结构为连续体模型；假定地层与结构材料为各向同性弹性体；采用梁-弹簧模型计算地层与结构之间的相互作用力。其次设置隧道衬砌材料属性，具体数值见表1。在为隧道设置将点接地的弹簧阻尼器时，通过设置局部坐标系来保证弹簧方向垂直于隧道断面。以马蹄形隧道断面为例,其断面形状与弹簧设置如图1所示。表1衬砌材料属性Tab.1 Lining material properties密度/(kg/m)25000a)马蹄形隧道断面图1马蹄形隧道断面建模情况Fig.1 Horseshoe-shaped tunnel section modeling弹性模量/MPa34.500b)马蹄形隧道断面弹簧设置泊松比0.2市放技术56Journal of Municipal Technology1.2内力计算对建立好的模型进行内力计算与分析，以判断隧道断面设计是否合理。首先对模型施加重力，再通过计算得出隧道结构受到的垂直荷载与水平荷载，以线载荷的方式施加到隧道衬砌结构上，通过函数的方式保证水平荷载随深度变化而变化，地面超载同样以线荷载的方式施加到隧道衬砌的上部。以马蹄形隧道断面为例，其荷载施加情况如图2 所示。荷载施加完成后，提交结果，利用有限元软件ABAQUS进行计算，最终得到隧道的轴力图、弯矩图以及vonMises图，以判断隧道结构应力是否超限。最终电力隧道圆形断面、矩形断面与马蹄形断面的内力计算结果如图3 5所示。SF,SF1(Avg:75%)44.247e+01.817e+0i.941e+0.051e+02.108e+02第41卷图2 马蹄形隧道断面荷载施加设置Fig.2 Load setting at horseshoe-shaped tunnel sectionSM,SM1(Avg:75%)+5:106e+00+4.+3163e+00Oe+00+0001493e+0036e+00378e+00321e+00263e+0056.206e+00S,Mises(Avg:75%)Bottom,(fraction=-1.0)1.320e+03218e+03+7+80301970e993947e+029242e+01a)轴力图(kN)b)弯矩图(kNm)图3圆形隧道断面的内力图Fig.3 Internal force diagram of circular tunnel sectionc)von Mises图(kPa)SF,SF1(Avg:75%)-4.850e-01.060e+00SM,SM1(Avg:75%)+1:208e+01+9.658e+0041e+000S,MisesBottom,(fraction:(Avg:75%)+2:47.4e+03F2.289e+03+2.103e+03918e=-1.0)-O1+01+6+447e+2.492e+0202a)轴力图(kN)1.3数据建立为实现对不同参数下的隧道断面进行快速建模并分析计算，针对明开（矩形断面和圆形断面）、暗挖(马蹄形断面）顶管（圆形断面）、盾构（圆形断面)常见的参数范围,分别编写for循环代码,并在b)弯矩图(kNm)图4矩形隧道断面的内力图Fig.4 Internal force diagram of rectangular tunnel section结尾添加生成单元弯矩和轴力的Excel文件语句，最终利用有限元软件ABAQUS进行大量参数分析，实现数据库的建立。最终生成的数据集特征参数及取值范围见表2。以暗挖马蹄形隧道为例，由通用有限元软件ABAQUS构建的数据集的部分数据见表3。c)von Mises 图(kPa)第8 期SF,SF1(Avg:75%)5.992e+016483e+01973e464e954e445188e+02黄业胜等：基于BP神经网络的电力隧道断面辅助设计软件开发及应用SM,SM1(Avg:75%)+4.330e+00694e+00512e+00.489e+0057(Avg:75%)S,MisesBottom,(fraction.039e+03.64+8+5+581e+1.435oe+02=-1.0)a)轴力图(kN)表2 数据集特征参数及取值范围Tab.2 The feature parameters and value range of the data set工法类型断面形状矩形地基弹簧刚度/(kPa/m)隧道上部荷载/(kN/m）隧道侧方荷载/(kN/m）明开隧道半径/m隧道衬砌厚度/m圆形地基弹簧刚度/(kPa/m)隧道上部荷载/(kN/m）隧道侧方荷载/(kN/m)隧道宽度/m隧道衬砌厚度/m暗挖马蹄形地基弹簧刚度/(kPa/m)隧道上部荷载/（kN/m）隧道侧方荷载/(kN/m）隧道半径/m隧道衬砌厚度/m顶管圆形地基弹簧刚度/(kPa/m)隧道上部荷载/(kN/m）隧道侧方荷载/(kN/m）隧道半径/m隧道衬砌厚度/m盾构圆形地基弹簧刚度/(kPa/m)隧道上部荷载/(kN/m）隧道侧方荷载/(kN/m）2BP神经网络预测2.1BP神经网络人工神经网络是以动物的神经元组成为依托，以处理信息为出发点，构建出神经元之间相互连接b)弯矩图(kNm)图5马蹄形隧道断面的内力图Fig.5 Internal force diagram of horseshoe-shaped tunnel sectionTab.3 Some data of the excavation of the horseshoe-shaped特征参数取值范围隧道宽度、高度/m1.56.0隧道衬砌厚度/m0.20.61000090.0001002501090130.20.61000090.00010025010901.55.00.20.510.00090.0001002501090120.100.251000090.00010025010901.53.00.20.610.00090.0001002501090c)von Mises图(kPa)表3暗挖马蹄形隧道的部分数据tunnel隧道隧道衬隧道上地基弹隧道侧最大最大编号宽度/砌厚度/部荷载/簧刚度/方荷载/弯矩轴力/mm(kN/m)(kPa/m)(kN/m)(kNm)12.422.432.442.452.462.4的模型，不同的连接方式代表不同的神经网络模型。神经网络在以数学建模与智能预测为主的研究方面具有十分重要的作用和影响，BP神经网络作为人工神经网络的一个主要研究方向，其关键在于可以通过误差反向传播的算法来训练多层前馈神经网络，而误差反向传播的关键则是通过梯度下降法将预测值与真实值之间的误差进行重新分配，最终通过反复训练与学习得到一个最优模型。该研究所训练的BP神经网络模型选用的损失函数为均方差损失函数（MSELoss），学习率均取为0.0 0 5，激活函数为ReLU。其余具体模型参数见表4。表4模型参数Tab.4 Model parameters断面Batch_num_epoch形状马蹄形15000矩形15000圆形20000kN0.381400.381400.381400.381400.381800.38180sizeinputsoutputshiddens1hiddens220052005200580 00080.00080 00080.00080 00080 000num_2222039.2181253.5735026.009 3255.3917017.194 4256.6039012.927 7257.8162052.3251321.1705039.013 0322.988num_num301040123010582.2结果预测与分析数据集按照8:2 的比例分为训练集与测试集，对每个数据集分别训练BP神经网络模型，以达到利用训练好的BP神经网络模型根据隧道尺寸、地基刚度和荷载水平等条件预测隧道结构的最大弯矩和轴力的目的。利用各自训练好的BP神经网络模型对4种工法对应的隧道断面进行预测与拟合，以criterion=nn.MSELoss（)作为模型训练的评价指标，最终结果表明，明开法施工的MSE值为0.0 0 0 46,暗挖法施工的MSE值为0.0 0 0 37,顶管法施工的MSE值为0.0 0 0 38，盾构法施工的MSE值为0.0 0 0 42。以暗挖法马蹄形断面和明开法矩形断面为例，最终模型所预测的最大轴力值和有限元软件所计算的最大轴力值对比情况如图6 所示。1.00.80.60.40.20.2Journal of Municipal Technology0.40.6有限元软件计算最大轴力/10 3kNa)暗挖法马蹄形断面第41卷以此构建数据库,同时结合BP神经网络对数据集特征之间的关系进行学习与预测，实现对电力隧道结构最大弯矩与轴力快速预测的目的，以供建设与设计人员参考。之后将训练好的BP神经网络模型封装，用以开发软件一一电力隧道施工工法智能预测系统。软件界面如图7 所示，其中预测施工工法特征值选择界面为文献12 所描述的根据现场地质条件、水文条件等因素快速预测适合当前状况的电力隧道施工工法,其中包括了进行内力预测的特征值-断面尺寸，因此在内力计算特征值界面不再输人断面尺寸。除此之外，在内力计算特征值界面增添混凝土应力限值用以比较算法的预测结果。在确定内力计算特征值时，混凝土应力限值以混凝土的设计强度为准，竖向荷载与侧向荷载由荷载计算理论或经验公式确定，地基弹簧刚度则由地质勘探报告确定，之后程序可通过所给的特征值进行计算并预测隧道结构的最不利内力，给出应力超限情况提示，供建设与设计人员参考，结果如图8 所示。配电力随道施工工法帽时预测系统电力隧道施工工法智能预测系统0.81.0X地质条件：黄土地区地区不良土质：水文条件：断面尺寸（m）：4潜水0.350.300.250.20一0.150.100.05图6 模型预测值与有限元软件计算值对比图Fig.6 Comparison of model predicted values and finite elementcalculatedvalues3软件开发周有无构筑物：无隧道所在地层：填土a)预测施工工法特征值选择电力能遮施工工法贺能预测系统0.100.15有限元软件计算最大轴力/10 3kNb)明开法矩形断面线路半径（m）：300开始预测0.200.250.300.35电力隧道施工工法智能预测系统选择方案输入条件工法：酒构方案造价（元/m）:36 8 2 5.0方案二工法：造价（元/m）：37934.0工法：方案三造价（元/m）：工法：方案四造价（元/m）：O明开混凝土应力限值（MPa)：壁厚（m);竖向荷载（kN/m）：地基弹黄刚度（kPa/m）侧向荷载（kN/m）：120.351566500040返回以明开、暗挖、顶管、盾构4种常见的电力隧道施工工法为依托，采用通用有限元软件ABAQUS对电力隧道不同形状、尺寸、荷载与地层条件进行内力分析计算，掌握电力隧道最不利内力的变化规律，并开始计算b)内力计算特征值图7 软件界面Fig.7Softwareinterface第8 期电力随造施工工法智能技测系统电力隧道施工工法智能预测系统设计方案明开：最大套矩（kNm）:1153提示X妇形载进应力不超限应力(MPa):6.6OK最大弯矩(kNm）：最大轴力(kN）：返回图8 软件预测结果Fig.8 Software prediction result4案例说明本节将通过北京市的2 个具体工程案例对“电力隧道施工工法智能预测系统”中的断面设计部分进行进一步的说明,同时证明该软件的实用性与有效性。4.1北京CBD500kV输变电工程为了给北京东部重点发展地区提供可靠的电力保障，北京CBD500kV输变电工程自电缆终端站新建双回50 0 kV电缆线路至CBD站。电缆线路长度约为12.5km，新建电缆全部敷设在新建隧道和综合管廊内。其中0+0 0 0 一2+2 6 4段为新建盾构隧道，3+021一10+110 段为综合管廊,其余段为新建暗挖隧道，综合管廊电力舱部分采用暗挖法和盾构法施工。根据现场地质勘察结果以及工程材料的相关特性，确定不同施工工法下的内力计算特征值，以混凝土的设计强度作为混凝土应力限值；对于隧道的竖向荷载与侧向荷载则根据相关规范，对永久荷载、可变荷载与偶然荷载进行分项组合并确定相关组合系数；地基弹簧刚度则根据地质勘察报告确定。最终确定的北京CBD500kV输变电工程的电力隧道内力计算相关特征预估值见表5；暗挖法、盾构法电力隧道的内力预测结果如图9 所示，应力均不超限。表5北京CBD500kV输变电工程电力隧道内力计算相关特征预估值Tab.5 The characteristic value of internal force calculationfor power tunnel of 500 kV power transmission andtransformation project in Beijing CBD混凝土应隧道隧道衬隧道上地基弹隧道侧施工力限值/宽度/砌厚度/部荷载/簧刚度/方荷载/工法MPa暗挖19.1盾构19.1黄业胜等：基于BP神经网络的电力隧道断面辅助设计软件开发及应用设计方案暗挖：高宽（(m）：4.0半径(m)：应力(MPa):mm2.90.45.40.559电力隧道施工工法智能预测系统最大奇矩(kNm)：53.0最大轴力(kN)：387.3拱顶半径(m）：1.4应力(MPa):3.0返回a)暗挖法电力隧道施工工法智能预测系统设计方案盾构：最大湾矩(kNm)最大轴力(kN：半径(m）;应力(MPal:返回b)盾构法图9 北京CBD500kV输变电工程电力隧道内力预测结果Fig.9 Internal force prediction results of power tunnel for 500 kVpower transmission and transformation project in Beijing CBD4.2北京顺义胡各庄110 kV输变电工程胡各庄110 kV变电站位于北京市顺义区,新建电力隧道按电源方向分为2 段，其中L1线长度约为640m,L2线长度约为2 38 0 m。L1线全线为2.0 mx2.3m单孔暗挖隧道;L2线0+0 0 0 2+36 5段为2.0 m2.3m单孔暗挖隧道,2+36 52+38 0 段为2.0 mx2.1m单孔明开隧道。根据现场地质勘察结果以及工程材料的相关特性,确定北京顺义胡各庄110 kV输变电工程的电力隧道内力计算相关特征预估值见表6;暗挖法、明开法电力隧道的内力预测结果如图10 所示，应力均不超限。5结论与建议该研究以有限元模拟为基础，对不同施工工法下的电力隧道断面设计进行大量的参数分析与计算，构建出圆形、矩形与马蹄形隧道断面的内力计(kN/m)(kPa/m)(kN/m)1754159618049330电力不想用219.5831.2276.9算数据库，再结合BP神经网络对数据集进行训练与50测试,设计出一种新型电力隧道断面辅助设计软件，50最终得到以下结论：X皮力不超萨市放技术60Journal of Municipal Technology表6 北京顺义胡各庄110 kV输变电工程电力隧道内力计算相关特征预估值Tab.6 The characteristic value of internal force calculationforpowertunnel of 110kVpower transmission andtransformation project in Hugezhuang,Shunyi,Beijing混凝土应隧道隧道衬隧道上地基弹隧道侧施工力限值/宽度/砌厚度/部荷载/簧刚度/方荷载/工法MPa暗挖19.1明开19.1电力动工暗挖：电力电力隧道施工工法智能预测系统0圆形防减立力不照限明开：图10 北京顺义胡各庄110 kV输变电工程电力隧道内力Fig.10 Internal force prediction results of power tunnel for110 kV power transmission and transformation project in1)相较于传统的隧道断面设计，该研究结合深度学习所设计的新型软件能够快速实现根据隧道尺寸、地基刚度和荷载水平预测隧道结构最大弯矩与轴力并同时判断隧道断面设计的合理性，极大地缓解了人工计算的压力，有效提高了施工效率，有助于实现快速施工。2)利用测试集对训练好的BP神经网络模型进行测试，以MSE作为评价指标，明开法施工的MSE第41卷值为0.0 0 0 46，暗挖法施工的MSE值为0.0 0 0 37，顶管法施工的MSE值为0.0 0 0 38，盾构法施工的MSE值为0.0 0 0 42,验证了该模型的有效性。3)软件的实用性与有效性通过北京市的2 个工程案例得到进一步的验证,且能够有效缩短工期、提高隧道断面利用率与经济效益，具有十分深远的现mm2.30.502.10.25电力隧道施工工法智能预测系统设计方案最大弯矩(kNm):34.4最大轴力（kN）：305.3拱顶半径(m）1.1应力(MPa):1.4返回a)暗挖法设计方案最大奇矩(kN-m):9.9最大轴力(kN)：79.2最大密矩(kNm):10.7最大轴力(kN)：167.5返回b)明开法预测结果Hugezhuang,Shunyi,Beijing(kN/m)(kPa/m)(kN/m)160522208066455应力不装高（m）：21成力(MPa):1.3半径(m)）:11应力(MPal);1.3实意义。504)本次研究的难点在于软件开发中所用到的特50征为断面设计中的标志性特征，而实际工程所处的环境是相当复杂的，仅通过标志性特征无法将其完全描述清楚，未来可以考虑增加更多的特征参数，以达到进一步完善软件的目的。MET参考文献【1】中国公路学报编辑部.中国交通隧道工程学术研究综述2022J.中国公路学报，2 0 2 2,35（4）：1-40.（EditorialBoardofthe China Journal of Highway and Transport.Review of academicresearch on traffic tunnel engineering in China 2022J.Chinajournal of highway and transport,2022,35(4):1-40.)2张成平，王梦恕，张顶立，等。城市隧道施工诱发地面塌陷的预测模型J.中国铁道科学,2 0 12,33（4）：31-37.（ZHANGCP,WANG M S,ZHANG D L,et al.Prediction model of groundcollapse induced by urban tunnellingJ.China railway science,2012,33(4):31-37.)【3吴金刚，陈建芹，马杰，等。富水断层破碎带大断面隧道设计与快速施工J.隧道建设（中英文）,2 0 2 2,42(Sup1)：353-359.(WU J G,CHEN J Q,MA J,et al.Design and fast 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