基于相關(guān)性準(zhǔn)則和R-ELM模型的巖溶隧道涌水量預(yù)測研究

賀華剛

(重慶工商職業(yè)學(xué)院, 重慶 400052)

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程數(shù)量日益增加，受地質(zhì)環(huán)境條件的影響，隧道施工過程中的工程問題日益突出，例如隧道涌水災(zāi)害。隧道涌水災(zāi)害不僅延誤工期，還會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，尤其在巖溶地區(qū)，該類問題更加突出。因此，開展巖溶隧道涌水災(zāi)害研究具有重要意義。目前，國內(nèi)許多研究者已開展了隧道涌水預(yù)測方面的研究。楊卓等[1]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了巖溶隧道突涌水風(fēng)險評估模型，可為支護(hù)方案的選擇提供依據(jù)；王者鵬等[2]通過分析水文地質(zhì)特征，構(gòu)建了巖溶隧道的涌水預(yù)測模型，可合理判斷施工過程中的涌水區(qū)段；張雄文[3]利用儲量分類法分析了地下巖溶水的空間分布特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了降雨與地下水儲量之間的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)上述研究成果可知，巖溶區(qū)的隧道涌水災(zāi)害極易發(fā)生，但研究均未涉及隧道涌水影響因素的篩選。同時，根據(jù)黃雄軍[4]、許增光等[5]的研究成果可知，隧道涌水受多種因素的共同作用，并不是單一因素的作用結(jié)果，且不同因素的影響程度具有一定差異，因此有必要進(jìn)行篩選分析。本文以通海隧道為工程背景，在對隧道涌水影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)系數(shù)法和極限學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)建了隧道涌水預(yù)測模型，旨在實現(xiàn)隧道涌水的高精度預(yù)測，以期為現(xiàn)場災(zāi)害防治提供參考。

1 預(yù)測模型的基本原理

隧道涌水預(yù)測模型主要包括： 涌水影響因素的篩選和預(yù)測模型的構(gòu)建。在影響因素的篩選過程中，先結(jié)合文獻(xiàn)[6-7]的研究成果，構(gòu)建了隧道涌水影響因素體系； 以現(xiàn)場涌水統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)，利用相關(guān)系數(shù)法分析不同因素對隧道涌水的影響程度，進(jìn)而篩選出重要影響因素。在預(yù)測模型的構(gòu)建過程中，將已篩選出的重要影響因素作為輸入信息，且為保證預(yù)測精度，先利用試算法和經(jīng)驗公式優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機(jī)的模型參數(shù)，再利用M估計優(yōu)化誤差序列，進(jìn)而構(gòu)建出隧道涌水的優(yōu)化預(yù)測模型，以達(dá)到高精度預(yù)測的目的。

1.1 影響因素的篩選

在以往隧道涌水影響因素分析中，多從各方面構(gòu)建隧道涌水影響因素體系，但并未進(jìn)一步探討各因素對隧道涌水的影響程度。為實現(xiàn)不同影響因素與隧道涌水災(zāi)害間的相關(guān)性篩選，本文以相關(guān)系數(shù)法為理論基礎(chǔ)，通過相關(guān)系數(shù)評價各影響因素對隧道涌水的影響程度。相關(guān)系數(shù)法是一種統(tǒng)計理論方法，具有操作簡單、可信度高等優(yōu)點，適用于評價相關(guān)指標(biāo)間的緊密程度。在該方法的應(yīng)用過程中，若評價指標(biāo)為xi和yi，i=1,2,…,n，則兩者的相關(guān)系數(shù)

(1)

式中x′、y′為對應(yīng)評價對象的平均值。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)r的正負(fù)及其絕對值大小即可判斷評價指標(biāo)間的相關(guān)性程度。當(dāng)r<0時，說明兩評價指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，兩者的變化關(guān)系呈相反趨勢；反之，兩評價指標(biāo)呈正相關(guān)，兩者的變化關(guān)系具有一致性。另外，評價指標(biāo)間的相關(guān)性程度可由r值的絕對值大小來評價，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 相關(guān)性程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 預(yù)測模型的構(gòu)建

隧道涌水的影響因素較多，因此，隧道涌水預(yù)測具有較強(qiáng)的不確定性和復(fù)雜性。傳統(tǒng)預(yù)測模型(如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM模型等)難以實現(xiàn)隧道涌水的準(zhǔn)確預(yù)測，并且具有如下缺點：

1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度較慢，造成訓(xùn)練時間較長，且易出現(xiàn)局部極值的問題；

2)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大樣本預(yù)測具有訓(xùn)練時間長及易出現(xiàn)局部極值的問題；

3)SVM模型對懲罰函數(shù)的要求較高，當(dāng)該值選擇不當(dāng)時，易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。

極限學(xué)習(xí)機(jī)是近些年新興起的一種新型智能預(yù)測算法，具有學(xué)習(xí)速度快、泛化能力強(qiáng)等優(yōu)點，可有效克服局部極值等問題。因此，本文將其作為隧道涌水預(yù)測模型的理論基礎(chǔ)。極限學(xué)習(xí)機(jī)(extreme learning machine,ELM)是一種單層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若樣本表示為(xi，ti，i=1,2,…,N)，N為樣本總數(shù)，則ELM模型的訓(xùn)練過程可表示為

(2)

式中：yj為預(yù)測值；L為隱層節(jié)點數(shù)；βi為隱層與輸出層間的連接權(quán)值；g(x)為激勵函數(shù)；wi為輸入層與隱層間的連接權(quán)值；xj為輸入值；bi為隱層神經(jīng)元閾值。

通過ELM模型的不斷訓(xùn)練，可實現(xiàn)誤差的零逼近，即

(3)

進(jìn)而可將ELM模型的訓(xùn)練過程表示為

(4)

將式(4)轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃囆问?，即?/p>

T=Hβ。

(5)

式中：T為輸出矩陣；H為隱層矩陣；β為權(quán)值矩陣。

值得指出的是，受各種誤差因素的綜合影響，任一模型均不可能完全刻畫預(yù)測對象，即式(5)在應(yīng)用過程中是不嚴(yán)格相等的，會存在一定誤差。誤差矩陣的表達(dá)形式為

V=T-Hβ。

(6)

式中V為誤差矩陣。

1.3 ELM模型相關(guān)問題優(yōu)化

根據(jù)相關(guān)系數(shù)法的影響因素篩選，可有效保證輸入層信息的有效性。但通過ELM模型原理分析可知，ELM模型在應(yīng)用過程中仍存在3個問題： 1)激勵函數(shù)的選擇問題； 2)隱層神經(jīng)元的個數(shù)問題； 3)誤差矩陣的弱化問題。

為取得隧道涌水的高精度預(yù)測，仍需進(jìn)一步優(yōu)化上述3個問題。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]的研究成果，上述3個問題的優(yōu)化方法如下。

1.3.1 激勵函數(shù)的優(yōu)化

ELM模型共有3種激勵函數(shù)，分別為Hardlim型、Sine型和Sigmiod型。各類激勵函數(shù)的適用性存在一定差異，難以直接判斷其在工程應(yīng)用中的有效性。因此，本文提出采用全試算的方法來確定最優(yōu)激勵函數(shù)，即對3種激勵函數(shù)的預(yù)測效果進(jìn)行試算，將預(yù)測效果最優(yōu)者作為最優(yōu)激勵函數(shù)。

1.3.2 隱層節(jié)點數(shù)的優(yōu)化

隱層節(jié)點數(shù)對ELM模型的預(yù)測精度具有較大影響，主要表現(xiàn)為： 節(jié)點數(shù)較少時難以保證預(yù)測精度，反之，又有可能出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。目前，并沒有隱層節(jié)點數(shù)的直接確定方法，多是根據(jù)一定的經(jīng)驗公式綜合確定。為解決隱層節(jié)點數(shù)的優(yōu)化問題，本文先利用經(jīng)驗公式確定隱層節(jié)點數(shù)的經(jīng)驗值，再對其進(jìn)行區(qū)間擴(kuò)展，驗算不同節(jié)點數(shù)的預(yù)測效果，進(jìn)而確定出最優(yōu)隱層節(jié)點數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究成果，隱層節(jié)點數(shù)的經(jīng)驗公式可由式(7)進(jìn)行求解，即

(7)

式中：m、n分別為輸入層和輸出層的節(jié)點數(shù)；a為調(diào)節(jié)常數(shù)，一般取10。

上述激勵函數(shù)和隱層節(jié)點數(shù)的優(yōu)化均屬于ELM模型的參數(shù)優(yōu)化。結(jié)合兩者的優(yōu)化方法及預(yù)測過程，將兩者的優(yōu)化順序設(shè)計為： 先利用經(jīng)驗公式確定隱層節(jié)點數(shù)的經(jīng)驗值，然后以經(jīng)驗值作為初步隱層節(jié)點數(shù)，并對3類激勵函數(shù)進(jìn)行預(yù)測試算，以確定最優(yōu)激勵函數(shù)，最后再對最優(yōu)隱層節(jié)點數(shù)進(jìn)行篩選求解。為便于后期描述，將該階段優(yōu)化后的模型命名為參數(shù)優(yōu)化ELM模型。

1.3.3 誤差值的弱化

預(yù)測結(jié)果的誤差值是不可避免的，但可對其進(jìn)行一定程度的弱化，以提高預(yù)測精度。為實現(xiàn)該目的，本文利用M估計弱化誤差值，其準(zhǔn)則為

(8)

通過求導(dǎo)及最小二乘估計可實現(xiàn)式(8)的轉(zhuǎn)換，即將誤差值的弱化問題轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)值矩陣β的求解問題，進(jìn)而得到M估計條件下ELM模型的權(quán)值矩陣

β=(HTPH)-1HTPT。

(9)

式中P為權(quán)函數(shù)矩陣。

在式(9)的求解過程中，M估計是通過迭代計算實現(xiàn)的。其過程為： 根據(jù)誤差值的大小，對不同觀測值賦予不同的權(quán)重，再通過反復(fù)迭代計算弱化觀測值的權(quán)重，進(jìn)而達(dá)到弱化誤差的目的。

M估計的優(yōu)化過程主要是對預(yù)測誤差進(jìn)行弱化。因此，該優(yōu)化過程是位于激勵函數(shù)和隱層節(jié)點數(shù)優(yōu)化之后，且為便于后期描述，將該階段的優(yōu)化模型命名為R-ELM優(yōu)化模型。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

通海隧道為玉蒙線的重點工程，起始里程DK27+060，出口里程DK37+362，長度為10.302 km，最大埋深約467 m，屬于特長深埋鐵路隧道。該隧道位于高原構(gòu)造剝蝕溶蝕低中山地貌，多為北東向山脈，高程為1 560～2 203 m，高差一般為100～643 m，相對起伏較大；同時，斜坡地帶植被以松林為主，局部為灌木，總體植被較為發(fā)育，而溝谷平緩地帶則多為旱地，局部為水田。根據(jù)野外調(diào)查及鉆孔勘探可知，隧址區(qū)地層巖性較為復(fù)雜，其中，第四系覆土以粉質(zhì)黏土、塊石土和泥炭質(zhì)土為主，共分為8類土層，但各類土層對隧道涌水災(zāi)害的影響較小。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔成果，隧址區(qū)基巖以D3zg、Zbd、C1、C2+3灰?guī)r和白云巖為主，且各類可溶性巖石隧道長度占隧道全長的90%，多呈灰色、灰白色，厚層—中厚層狀，質(zhì)堅性脆，完整性較差。受場區(qū)內(nèi)大構(gòu)造背景影響，區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，共計有4處褶皺和4條斷裂帶，造成巖體松動，且地下水補(bǔ)給徑流條件較好，使得隧道發(fā)生涌水災(zāi)害的可能性較大。因此，開展該隧道的涌水災(zāi)害研究具有較強(qiáng)的必要性[11-12]。

2.2 隧道涌水災(zāi)害影響因素分析

通海隧道所處地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道涌水災(zāi)害受多種因素綜合作用影響。由工程實際及文獻(xiàn)[6-7]可知，隧道涌水發(fā)生需要巖性條件、構(gòu)造條件及地下水循環(huán)條件等共同作用。因此，可將隧道涌水影響因素細(xì)分為巖石可溶性影響因素、地表匯水影響因素、地質(zhì)構(gòu)造影響因素、地下水循環(huán)影響因素和隧道空間位置影響因素等。為實現(xiàn)隧道涌水的高精度預(yù)測，結(jié)合通海隧道的工程實際，將上述5類因素的選取標(biāo)準(zhǔn)和量化標(biāo)準(zhǔn)分述如下。

2.2.1 巖石可溶性因素

巖石可溶性是巖溶發(fā)育的必要條件之一，其決定了后期溶穴的儲水能力。結(jié)合以往的研究成果可知，可溶性影響因素主要包含2個方面： 1)可溶鹽的礦物成分因素，一般條件下，碳酸巖的不溶物含量不應(yīng)超過10%，因此可利用可溶鹽(CaCO3)的含量來評價巖溶的發(fā)育程度，即CaCO3的含量越高，巖溶的發(fā)育程度越高，富水性也越強(qiáng)。2)巖石結(jié)構(gòu)因素，該影響因素可控制地下水的徑流條件，且結(jié)合工程實際，可進(jìn)一步將該因素細(xì)分為微觀結(jié)構(gòu)因素和宏觀結(jié)構(gòu)因素，其中，微觀結(jié)構(gòu)因素可由巖石結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行劃分，而宏觀結(jié)構(gòu)因素可由隧道圍巖級別進(jìn)行劃分。

為便于后續(xù)預(yù)測分析，有必要將上述各因素進(jìn)行量化處理。結(jié)合工程實際，將巖石可溶性因素的量化標(biāo)準(zhǔn)劃分，如表2所示。

表2巖石可溶性因素的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Quantitative classification criteria for rock solubility factors

CaCO3含量/%巖石結(jié)構(gòu)圍巖級別量化評分 <5粗晶結(jié)構(gòu)Ⅰ0～525～5亮晶結(jié)構(gòu)Ⅱ5～1050～25粒屑結(jié)構(gòu)Ⅲ10～1575～50泥晶結(jié)構(gòu)Ⅳ15～20 >75生物碎屑結(jié)構(gòu)Ⅴ20～25

2.2.2 地表匯水影響因素

地表水的匯集是隧道涌水災(zāi)害發(fā)生的補(bǔ)給條件，即地表水的匯水條件越好，隧址區(qū)地下水的補(bǔ)給條件相對也越好，進(jìn)而發(fā)生涌水災(zāi)害的可能性也越大。因此，隧道涌水災(zāi)害的發(fā)生與地表匯水影響因素具有較大的聯(lián)系。結(jié)合工程實際，將地表匯水影響因素劃分為3類，即降雨量、地形地貌及滲透系數(shù)。其中，降雨量是地下水的直接來源；地形地貌則決定了地表水的匯聚能力，即地形坡度越陡，降雨越易形成地表徑流，地下水的補(bǔ)給條件相對越差，反之，地下水的補(bǔ)給條件相對越好；滲透系數(shù)直接關(guān)系地表水的下滲能力。類比巖石可溶性因素的量化過程，將地表匯水影響因素也進(jìn)行量化處理，其中，降雨量因素可直接由降雨量進(jìn)行歸一化處理得到量化值，滲透系數(shù)以可用類比的統(tǒng)計方法進(jìn)行量化處理。地形地貌因素的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3地形地貌因素的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 3 Quantitative classification criteria for topographic and geomorphic factors

地形坡度/(°)量化評分>450～430～454～820～308～1210～2012～16<1016～20

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造因素

地質(zhì)構(gòu)造直接控制著地下水的水力聯(lián)系，進(jìn)而影響涌水災(zāi)害發(fā)生時的水量補(bǔ)給。因此，地質(zhì)構(gòu)造是涌水災(zāi)害發(fā)生的另一重要影響因素。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造可知，隧址區(qū)主要位于單斜構(gòu)造中，其巖層組合關(guān)系、巖層厚度和巖層傾角會對涌水災(zāi)害產(chǎn)生直接影響。因此，將上述3個指標(biāo)作為地質(zhì)構(gòu)造因素的二級指標(biāo)。在實際量化過程中，3個指標(biāo)均是通過統(tǒng)計位置掌子面的具體參數(shù)進(jìn)行量化。地質(zhì)構(gòu)造因素的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4地質(zhì)構(gòu)造因素的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 4 Quantitative classification criteria for geological structural factors

地質(zhì)構(gòu)造因素分類量化評分巖層組合關(guān)系孔隙-裂隙巖溶含水組0～4夾層裂隙含水組4～10厚層脈狀-裂隙含水組10～16厚層裂隙-巖溶含水組16～20巖層厚度薄層狀 0～2中厚層狀2～6厚層狀6～10巨厚層狀10～12巖層傾角>60°0～660°～45°6～1045°～30°10～14<30°14～20

2.2.4 地下水循環(huán)影響因素

地下水的循環(huán)運動是巖溶發(fā)育的必要條件之一，其循環(huán)過程具有多種運動特征。地下水循環(huán)程度一般可由Ca+含量來決定，即利用該離子在水中的飽和指數(shù)SIC來確定，SIC值越小，說明地下水的溶蝕能力越強(qiáng)，反之，溶蝕能力越弱。同時，涌水段的長度也可反映地下水的循環(huán)強(qiáng)度，涌水段長度越大，地下水循環(huán)條件相對越好。在量化過程中，涌水段長度指標(biāo)可由現(xiàn)場施工直接測得，因此，以其現(xiàn)場監(jiān)測值作為統(tǒng)計指標(biāo)；飽和指數(shù)則是基于現(xiàn)場取樣后的室內(nèi)試驗求得，且在工程實際應(yīng)用過程中，若未取得研究斷面的水樣，可將距離其最近的飽和指數(shù)SIC試驗結(jié)果作為指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測研究。飽和指數(shù)SIC的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

2.2.5 隧道空間位置影響因素

由于隧道洞身位置的埋深不一致，因此，其所處位置的垂直向分帶也具有一定差異，且由于不同垂向分帶對巖溶發(fā)育具有較大的影響，因此，以隧道所處的循環(huán)帶類型來評價隧道空間位置對涌水災(zāi)害的影響。隧道所處循環(huán)帶指標(biāo)的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。在具體量化過程中，以隧道勘察成果為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計斷面的里程進(jìn)行位置確定，再以現(xiàn)場涌水條件作為校核依據(jù)，以確定隧道所處循環(huán)帶的量化評分。

表5飽和指數(shù)SIC的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 5 Quantitative classification criteria for saturation index SIC

飽和指數(shù)SIC量化評分 >1.20～41.2～0.84～80.8～0.48～120.4～0 12～16<016～20

表6隧道所處循環(huán)帶指標(biāo)的量化劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 6 Quantitative classification criteria for cyclic zones index in tunnels

隧道所處循環(huán)帶量化評分水平徑流帶18～14深部徑流帶12～8交替帶12～6垂直滲流帶6～0

通過上述總結(jié)分析，將通海隧道的涌水影響因素共分為5大類12小類，具體如表7所示。

表7通海隧道涌水影響因素統(tǒng)計

Table 7 Statistics of influencing factors of water inflow in Tonghai Tunnel

前述各評價指標(biāo)的量化評分有一定差異，不利于后續(xù)預(yù)測模型的構(gòu)建，因而有必要利用式(10)進(jìn)行無量綱處理，以提高數(shù)據(jù)的均衡性。

(10)

本文以DK29+203斷面為例，詳述各影響因素的量化過程。圍巖CaCO3含量為30%，根據(jù)表2得其評分為11分；圍巖為粒屑結(jié)構(gòu)，評分為12分；圍巖級別為Ⅳ級，評分為20分；對應(yīng)地形坡度為30°～45°，評分為7分；巖層組合關(guān)系為厚層脈狀-裂隙含水組地下水，評分為15分；巖層厚度為中厚層狀，評分為5分；巖層傾角為35°，評分為12分；Ca+的飽和指數(shù)SIC為0.6，評分為10分；隧道所處循環(huán)帶為深部徑流帶，評分為10分。根據(jù)上述評分量化，再利用式(10)進(jìn)行歸一化處理，得到隧道涌水災(zāi)害樣本量化評分如表8所示。

通海隧道在施工過程中發(fā)生了多起涌水災(zāi)害事故，為更好地指導(dǎo)類似工程，基于前述影響因素分析，統(tǒng)計了17處現(xiàn)場涌水災(zāi)害樣本，如表8所示。

2.3 隧道涌水影響因素的篩選

隧道涌水影響因素較多，共有5個一級影響因素和12個二級影響因素，不同影響因素對隧道涌水災(zāi)害的作用程度存在一定差異。為保證后續(xù)預(yù)測模型輸入層的可靠性，有必要對影響因素進(jìn)行篩選處理。本文利用相關(guān)系數(shù)法篩選各影響因素對隧道涌水災(zāi)害的影響程度，篩選結(jié)果如表9所示。各影響因素與涌水量間的相關(guān)系數(shù)存在不同，因此，各影響因素對隧道涌水災(zāi)害的影響程度也有差異。根據(jù)篩選結(jié)果統(tǒng)計，呈負(fù)相關(guān)的影響因素共計有4個，所占比例為33.33%，說明各影響因素多以正相關(guān)為主；地形地貌因素、巖層傾角因素和涌水段長度的相關(guān)程度相對較低，所占比例為25%；Ⅱ級影響因素共有7個，所占比例為58.33%，而Ⅲ級影響因素僅2個，所占比例為16.66%，說明影響因素的相關(guān)性等級以Ⅱ級為主。

值得指出的是，在分析結(jié)果中，降雨量、涌水段長度與涌水量間存在負(fù)相關(guān)，這與工程實際存在一定差異。

降雨量與涌水量呈負(fù)相關(guān)原因： 1)降雨入滲至隧道所處位置需要一定的時間，造成降雨入滲的效果存在一定差異； 2)降雨不僅影響地下水系統(tǒng)，還與地表水系統(tǒng)相關(guān)，且兩系統(tǒng)間也存在著復(fù)雜的水力聯(lián)系，因此其影響規(guī)律存在一定差異。

表8 隧道涌水災(zāi)害影響因素歸一化處理后的樣本統(tǒng)計

表9隧道涌水影響因素篩選統(tǒng)計

Table 9 Screening statistics of influencing factors of tunnel water inflow

序號影響因素相關(guān)系數(shù)相關(guān)性相關(guān)程度相關(guān)等級1巖性化學(xué)成分-0.258負(fù)相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ2巖石結(jié)構(gòu)0.326正相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ3圍巖級別0.363正相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ4降雨量-0.345負(fù)相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ5地形地貌0.132正相關(guān)低度相關(guān)Ⅰ6滲透系數(shù)0.533正相關(guān)高度相關(guān)Ⅲ7巖層組合類型0.275正相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ8巖層厚度-0.239負(fù)相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ9巖層傾角0.124正相關(guān)低度相關(guān)Ⅰ10涌水段長度-0.096負(fù)相關(guān)低度相關(guān)Ⅰ11方解石0.360正相關(guān)中度相關(guān)Ⅱ12隧道所處循環(huán)帶0.461正相關(guān)高度相關(guān)Ⅲ

涌水段長度與涌水量呈負(fù)相關(guān)原因： 從某種程度上講涌水段越長，對應(yīng)的涌水量應(yīng)越高，但這忽略了每延米上是平均涌水速率的影響，即涌水可能存在于短距離上的集中涌水，也可能存在于長距離上的少量滲水等；同時，該因素與涌水量間的相關(guān)性也較弱，不僅說明了該因素對隧道涌水的影響程度有限，也驗證了該文影響因素篩選的必要性。

雖然上述兩影響因素與工程實際存在一定差異，但本文僅是以影響因素相關(guān)性程度來確定預(yù)測模型的輸入層信息，因此，影響因素的相關(guān)性對預(yù)測模型的影響有限，其相關(guān)性程度才是預(yù)測模型輸入層信息構(gòu)建的決定因素。

根據(jù)上述影響因素的篩選結(jié)果，本文以相關(guān)等級為Ⅱ級和Ⅲ級的影響因素作為后續(xù)預(yù)測模型的輸入層，即輸入層共計有9個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

2.4 隧道涌水的預(yù)測分析

根據(jù)前述預(yù)測模型的構(gòu)建過程，以1—12號樣本作為訓(xùn)練樣本，13—17號樣本作為驗證樣本，并將參數(shù)優(yōu)化過程和誤差值弱化過程分述如下。

2.4.1 參數(shù)優(yōu)化過程

根據(jù)前述影響因素篩選，得出涌水預(yù)測模型的輸入層共計有9個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而輸出層為涌水量，具有1個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，進(jìn)而確定初步隱層節(jié)點數(shù)為13，并以該隱層節(jié)點數(shù)進(jìn)行初步設(shè)置，試算得到各激勵函數(shù)的預(yù)測效果如表10所示。在訓(xùn)練時間方面，Hardlim型激勵函數(shù)的訓(xùn)練時間相對最長，其次是Sine型激勵函數(shù)和Sigmiod型激勵函數(shù)；而在預(yù)測精度方面，Sigmiod型激勵函數(shù)的平均相對誤差最小，預(yù)測精度最優(yōu)，其次是Hardlim型激勵函數(shù)和Sine型激勵函數(shù)。因此，不同激勵函數(shù)在該文實例中的適用性具有明顯差異，在對比訓(xùn)練時間和預(yù)測精度的基礎(chǔ)上，確定Sigmiod型激勵函數(shù)的預(yù)測效果相對最優(yōu)。

表10不同激勵函數(shù)的預(yù)測效果

Table 10 Statistics of predicted effects of different excitation functions

激勵函數(shù)類型訓(xùn)練時間/ms平均相對誤差/%Hardlim8.723.51Sine4.174.22Sigmiod3.462.65

在最優(yōu)激勵函數(shù)的基礎(chǔ)上，再對隱層節(jié)點數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選，篩選區(qū)間為9—17，結(jié)果如表11所示。根據(jù)隱層節(jié)點數(shù)的優(yōu)化篩選可知，隨隱層節(jié)點數(shù)的增加，訓(xùn)練時間也會有一定程度的增加，說明隱層節(jié)點數(shù)并非越多越好； 同時，隨隱層節(jié)點數(shù)的增加，樣本的平均累計誤差和平均相對誤差均呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，且當(dāng)隱層節(jié)點數(shù)為14時，平均相對誤差僅為2.28%，預(yù)測結(jié)果相對最優(yōu)。

根據(jù)上述參數(shù)優(yōu)化，綜合確定ELM模型的最優(yōu)激勵函數(shù)為Sigmiod型，隱層節(jié)點數(shù)為14。

2.4.2 誤差值弱化

在參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，再利用M估計進(jìn)一步弱化預(yù)測誤差。為驗證本文預(yù)測模型及M估計的有效性，同步利用傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，并將參數(shù)優(yōu)化和M估計優(yōu)化后的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表12所示。

表11不同隱層節(jié)點數(shù)的預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計

Table 11 Statistics of predicted results for number of nodes in different hidden layers

隱層節(jié)點數(shù)訓(xùn)練時間/ms平均累計誤差/(m3/d)平均相對誤差/%91.21326.953.95102.43281.543.73112.81261.293.53123.02248.133.12133.46202.152.65143.83174.162.28154.92199.122.55167.66247.782.821710.24255.453.04

對比不同預(yù)測模型在相應(yīng)驗證樣本處的預(yù)測結(jié)果可知，ELM模型的預(yù)測精度均不同程度地高于傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，驗證了ELM模型作為新型智能算法的優(yōu)越性。同時，對比M估計優(yōu)化前后的預(yù)測結(jié)果可知，通過M估計的誤差弱化，各驗證樣本的相對誤差均出現(xiàn)不同程度減小，說明M估計能達(dá)到弱化預(yù)測誤差的目的。R-ELM模型的相對誤差均值為1.12%，說明該模型具較高的預(yù)測精度，適用于隧道涌水預(yù)測。

表12 不同預(yù)測模型的隧道涌水預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計

綜上所述，R-ELM模型具有較快的運算速度和精度，對隧道涌水預(yù)測的適用性較好，值得在類似工程項目中的推廣應(yīng)用研究。

3 結(jié)論與討論

通過相關(guān)系數(shù)法和R-ELM模型在通海隧道涌水預(yù)測中的綜合應(yīng)用研究，主要獲得了如下結(jié)論。

1)巖溶隧道的涌水影響因素較多，共有5個一級影響因素和12個二級影響因素，且不同影響因素與涌水量之間的相關(guān)性多以中度相關(guān)為主。

2)在預(yù)測模型的構(gòu)建過程中，激勵函數(shù)類型和隱層節(jié)點數(shù)對預(yù)測效果具有較大的影響，利用試算法可有效實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化，對保證預(yù)測精度具有重要意義；同時，M估計可有效弱化誤差值，可進(jìn)一步提高預(yù)測精度。

3)本文構(gòu)建的R-ELM模型具有較高的預(yù)測精度，且其泛化能力較強(qiáng)，適用于隧道涌水預(yù)測。本文的隧道涌水量預(yù)測思路也可應(yīng)用于類似工程的涌水災(zāi)害防治。

4)由于隧道所處環(huán)境具有明顯的區(qū)域性特征，隧道涌水災(zāi)害的影響因素也存在一定差異，因此，在R-ELM模型的推廣應(yīng)用中，應(yīng)充分結(jié)合工程實際，構(gòu)建合適的隧道涌水影響因素評價體系，以保證預(yù)測模型輸入層信息的準(zhǔn)確性。