基于EMD-WOA-TCN的隧道節(jié)理密集帶圍巖變形預(yù)測

摘要 ：為實(shí)現(xiàn)西嶺隧道節(jié)理密集帶段落圍巖變形的智能預(yù)測，確保后續(xù)的施工安全，提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）、鯨魚優(yōu)化算法（WOA）和時(shí)序卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN）相結(jié)合的EMD-WOA-TCN隧道節(jié)理密集帶圍巖變形預(yù)測方法。利用現(xiàn)場實(shí)測的變形數(shù)據(jù)，結(jié)合EMD和WOA對TCN模型進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）下，WOA-TCN模型相較于TCN模型在圍巖變形預(yù)測方面的精度更高，該模型不僅能夠?yàn)樗淼拦こ淘O(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)，還能夠推動(dòng)智能預(yù)測技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞 ：節(jié)理密集帶;變形預(yù)測;經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解;鯨魚算法;時(shí)序卷積網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393.1"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號：1004-0366（2025）01-0092-08

隧道工程作為交通建設(shè)的重要組成部分，確保其穩(wěn)定和安全至關(guān)重要。在隧道施工過程中，圍巖變形不可忽視，尤其是當(dāng)遇到節(jié)理密集帶時(shí)，圍巖的穩(wěn)定性會(huì)受到極大挑戰(zhàn)。因此，準(zhǔn)確預(yù)測和評估隧道圍巖的變形行為，對于確保安全施工具有重要意義。傳統(tǒng)的圍巖變形預(yù)測方法多依賴于經(jīng)驗(yàn)公式或者簡化的力學(xué)模型，這些方法在處理復(fù)雜地質(zhì)條件下的變形問題時(shí)往往存在局限性。隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的發(fā)展，基于實(shí)測數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)為圍巖變形預(yù)測提供了新的解決方案，國內(nèi)外學(xué)者為此展開了大量的研究。

在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD，empirical mode decomposition）的研究方面，潘興良等^［1］利用EMD去除了下穿鐵路工程中既有鐵道變形現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的干擾，獲得了下穿鐵路工程引起的既有軌道結(jié)構(gòu)真實(shí)變形；李勝天等^［2］通過改進(jìn)EMD抑制了端點(diǎn)效應(yīng)對EMD分解精度的影響，提高了滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確性；董泳等^［3］針對大壩變形信息中的高頻分量，提出了EMD-EEMD-LSTM模型預(yù)測大壩的變形趨勢；胡振東等^［4］利用EMD對高維變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，結(jié)合IWCA-BP模型提升了傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)在大壩變形預(yù)測中的精度和噪聲穩(wěn)健性。

在鯨魚優(yōu)化算法（WOA，whale optimization algorithm）的研究方面，周有榮等^［5］基于拉普拉斯交叉算子改進(jìn)鯨魚優(yōu)化算法，對指數(shù)冪乘積基坑變形預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化，提高了基坑變形的預(yù)測精度；劉欣航等^［6］利用WOA-BPNN模型，通過同時(shí)考慮大壩位移監(jiān)測數(shù)據(jù)及大壩應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)對拱壩壩體混凝土及基礎(chǔ)巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演分析；吳澤鑫等^［7］通過鯨魚算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確預(yù)測了地下礦山中斜坡道拱頂沉降的趨勢，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出高效且準(zhǔn)確預(yù)測斜坡道拱頂沉降的能力。

在時(shí)序卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN，temporal convolutional network）的研究方面，曾欣等^［8］采用最大信息系數(shù)方法優(yōu)化TCN，解決了混凝土重力壩的變形預(yù)測的高維非線性難題；江文金等^［9］利用TCN對八字門滑坡位移進(jìn)行預(yù)測，避免了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的梯度爆炸等問題，模型預(yù)測精度更高；陳奎等^［10］針對橋梁所承受的動(dòng)靜荷載特性差異問題，將垂直監(jiān)測位移通過小波分解重構(gòu)后進(jìn)行TCN預(yù)測，與已有模型相比，預(yù)測精度提高；王景環(huán)等^［11］利用TCN與SVM組合的短期沉降預(yù)測方法，對基坑周邊建筑物沉降時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，與單一SVM模型相比預(yù)測精度提高了10%～20%。

縱觀既有研究成果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段鮮有學(xué)者將EMD、WOA與TCN相結(jié)合并應(yīng)用于隧道變形預(yù)測研究。因此，本文提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）、鯨魚優(yōu)化算法（WOA）和時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN）相結(jié)合的隧道節(jié)理密集帶圍巖變形預(yù)測方法。通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，并基于TCN和WOA-TCN模型對其進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測，驗(yàn)證了WOA-TCN模型在隧道節(jié)理密集帶圍巖變形預(yù)測中的有效性和優(yōu)越性。

1 工程概況

研究依托于西十高鐵西嶺隧道項(xiàng)目，西嶺隧道位于陜西省商洛市商州區(qū)，地貌屬秦嶺低中山區(qū)。隧道地處北秦嶺加里東期褶皺帶內(nèi)，斷裂構(gòu)造以北西西向?yàn)橹?，隧道洞身走向與構(gòu)造近平行或小角度相交，隧道通過區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，隧道洞身通過的較大的斷裂主要為f13及F4斷層破碎帶，根據(jù)鉆探揭示局部巖體破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

基于隧道穿越節(jié)理密集帶的現(xiàn)狀，現(xiàn)場針對該段落的Ⅲ級圍巖展開現(xiàn)場變形監(jiān)測研究，根據(jù)變形監(jiān)測方案，Ⅲ級圍巖共確定94個(gè)變形監(jiān)測斷面。Ⅲ級圍巖94個(gè)監(jiān)測斷面的拱頂沉降及水平收斂的監(jiān)測信息如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，試驗(yàn)段Ⅲ級圍巖段落由于接近勘測到的節(jié)理密集帶區(qū)域，Ⅲ級圍巖的巖性有所削弱，進(jìn)而導(dǎo)致隧道開挖后的穩(wěn)定時(shí)間延長，從監(jiān)測數(shù)據(jù)上來看，由于77+400～77+807段接近斷層破碎帶，監(jiān)測變形的穩(wěn)定時(shí)間接近60 d，不易穩(wěn)定;由于后續(xù)斷面遠(yuǎn)離斷層破碎帶，圍巖的完整性較提高，變形基本在30 d左右達(dá)到穩(wěn)定。反觀圍巖變形的程度，從整體上看，隧道水平收斂的變形要大于拱頂沉降，且二者受斷層破碎帶的影響，變形穩(wěn)定值的波動(dòng)較大。其中，拱頂沉降主要集中在1.3～3.9 mm范圍內(nèi);水平收斂則主要集中在2.5～12.5 mm范圍內(nèi)。受水平應(yīng)力及斷裂構(gòu)造的影響，水平收斂的波動(dòng)范圍更大。

2 研究方法

2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法由黃鍔于1998年創(chuàng)造并提出^［12］，該方法將復(fù)雜的信號分解為有限個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（IMF，intrinsic mode function）和1個(gè)殘差信號^［12］，公式表示為

s（t）=∑ni=1 imf i（t）+rn（t）， （1）

其中： imf i（t）為本征模態(tài)函數(shù);rn（t）為殘差信號。分解出來的各個(gè) IMF 分量包含了原信號的不同時(shí)間尺度的局部特征信息。

分解得到的每個(gè)IMF應(yīng)滿足如下條件^［12］：

（1） 函數(shù)在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，局部極值點(diǎn)和過零點(diǎn)的數(shù)目必須相等或最多相差一個(gè);

（2） 在任意時(shí)刻點(diǎn)，局部最大值的上包絡(luò)線和局部最小值的下包絡(luò)線均值必須為0。

通過如下方式獲取西嶺隧道變形數(shù)據(jù)的IMF：

（1） 尋找西嶺隧道變形數(shù)據(jù)所有的極大值和極小值，提取變形數(shù)據(jù)的特征;

（2） 利用變形數(shù)據(jù)所有的極大值和極小值，采用三次樣條函數(shù)擬合出變形數(shù)據(jù)的極大值和極小值包絡(luò)線;

（3） 利用得到的極大值和極小值包絡(luò)線，通過求均值的方式得到變形數(shù)據(jù)的均值包絡(luò)線；

（4） 利用原始數(shù)據(jù)減去均值包絡(luò)線獲得中間信號。

在得到變形數(shù)據(jù)的中間信號后，判斷其是否滿足IMF的2個(gè)條件，如不滿足，以該信號為基礎(chǔ)，重新進(jìn)行（1）～（4）的分析，直至得到原始數(shù)據(jù)的第一個(gè)IMF分量 I1（t）。從原始數(shù)據(jù)中減去I1（t）得到剩余分量r1（t），對r1（t）重復(fù)得到I1（t） 的過程，得到第二個(gè)IMF分量 I2（t），再將r1（t）減去I2（t）后獲得剩余分量r2（t）。如此分解下去，直到最后一個(gè)殘余信號rn（t） 無法繼續(xù)分解為止，完成西嶺隧道變形數(shù)據(jù)的EMD，并剔除包含噪聲的IMF分量后進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，得到最終的西嶺隧道EMD降噪數(shù)據(jù)。

EMD由于其自適應(yīng)性強(qiáng)、適用于非線性和非平穩(wěn)信號的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)據(jù)降噪領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，但其存在模態(tài)混疊現(xiàn)象和計(jì)算復(fù)雜度較高的缺點(diǎn)，可能導(dǎo)致分解結(jié)果不穩(wěn)定。

2.2 時(shí)序卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN）

2018年，BAI等^［13］創(chuàng)造時(shí)序卷積網(wǎng)絡(luò)處理時(shí)間序列的數(shù)據(jù)。TCN模型采用一維卷積、因果卷積、空洞卷積、殘差連接的方法實(shí)現(xiàn)了對大樣本時(shí)間序列數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的迅速提取，有效地減少了梯度消失和模型退化等問題。

（1） 一維卷積

TCN網(wǎng)絡(luò)中引入一維全卷積網(wǎng)絡(luò)（FCN）架構(gòu)^［14］構(gòu)建數(shù)據(jù)的長期記憶。一維全卷積結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（2） 因果卷積

為確保當(dāng)前的輸出結(jié)果僅與當(dāng)前時(shí)刻之前的數(shù)據(jù)有關(guān)，TCN網(wǎng)絡(luò)引入因果卷積^［15］。因果卷積結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（3） 擴(kuò)張卷積

擴(kuò)張卷積通過擴(kuò)張因子和卷積核的大小來增加感受野，避免大深度的卷積網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)易出現(xiàn)梯度消失的問題。擴(kuò)張因果卷積結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對于一維輸入數(shù)據(jù)x和卷積核f，擴(kuò)張卷積F（s）的計(jì)算式為

F（s）=∑k-1i=0f（i）·xs-d·i， （2）

其中：d為擴(kuò)張系數(shù);k為卷積核大小。

（4） 殘差連接

殘差連接的加入可提高TCN結(jié)構(gòu)的泛化能力。標(biāo)準(zhǔn)殘差模塊^［16］如圖6所示。

殘差模塊的輸出結(jié)果F為

F= Activation （x+F（x））， （3）

其中：Activation為ReLU激活函數(shù)。

對于西嶺隧道的變形數(shù)據(jù)，利用EMD進(jìn)行分解后，以8∶2的比例劃分TCN的訓(xùn)練集和測試集，根據(jù)本次訓(xùn)練的數(shù)據(jù)規(guī)模，設(shè)置TCN網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元數(shù)量為32，卷積核大小為2，擴(kuò)張因子為4。對80%的隧道變形數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，余下20%的數(shù)據(jù)用于變形數(shù)據(jù)的測試。TCN網(wǎng)絡(luò)通過對訓(xùn)練集變形數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，完成對西嶺隧道變形的預(yù)測。

TCN由于其出色的時(shí)序信息捕捉能力和較強(qiáng)的并行計(jì)算能力，在時(shí)序數(shù)據(jù)的預(yù)測方面得到了廣泛的應(yīng)用，但其仍存在計(jì)算資源消耗大和對超參數(shù)敏感的缺點(diǎn)，不恰當(dāng)?shù)某瑓?shù)設(shè)置可能導(dǎo)致性能下降。

2.3 鯨魚算法（WOA）

2016年，MIRJALILI等^［17］提出了鯨魚優(yōu)化算法。鯨魚算法包含包圍、進(jìn)攻和搜尋3個(gè)階段進(jìn)行最優(yōu)解搜索。

（1） 包圍獵物

WOA種群中的其他個(gè)體均朝著最優(yōu)的個(gè)體進(jìn)行包圍靠攏，該過程的數(shù)學(xué)模型為

D=|C·X*（t）-X|， （4）

X（t+1）=X*（t）-A·D， （5）

其中：t為當(dāng)前的迭代次數(shù);X*為當(dāng)前鯨群中最佳鯨魚的位置;X為當(dāng)前鯨魚的位置;A、C為系數(shù)向量，其數(shù)學(xué)模型分別為

A=2a·r-a， （6）

C=2·r， （7）

其中：a為收斂因子;r為［0，1］間的隨機(jī)數(shù)。

（2） 氣泡網(wǎng)進(jìn)攻

鯨群的氣泡網(wǎng)進(jìn)攻方式的數(shù)學(xué)模型有2種：第一種為縮小環(huán)繞機(jī)制，如式（6）所列;另一種為螺旋收緊機(jī)制，表示為

X（t+1）=D′·e^bl· cos（2π l）+X*（t），（8）

其中：b為對數(shù)螺線方程的常數(shù);l為區(qū)間［-1，1］的隨機(jī)數(shù)；D′為迭代過程中最優(yōu)的鯨魚個(gè)體與當(dāng)前個(gè)體之間的距離，表示為

D′=|X*（t）-X（t）|。 （9）

（3） 獵物搜尋為加快鯨群的捕食效率，鯨魚個(gè)體將采用全局搜索，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)為

D=|C·X rand -X|， （10）

X（t+1）=X rand -A·D， （11）

其中：X rand 為當(dāng)前鯨魚種群中隨機(jī)選擇的鯨魚個(gè)體的位置。

WOA具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、全局搜索能力強(qiáng)、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)，能大幅度提高優(yōu)化效率。但該算法的局部搜索能力較弱，可能導(dǎo)致收斂到局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解。

針對上述3種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文構(gòu)建EMD-WOA-TCN組合模型，充分發(fā)揮3種算法的優(yōu)勢，利用EMD出色的數(shù)據(jù)降噪能力提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合TCN優(yōu)秀的時(shí)序信息提取能力得到高精度的預(yù)測結(jié)果，針對TCN對參數(shù)敏感的缺點(diǎn)，利用WOA進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步提升組合模型的預(yù)測精度，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的高精度預(yù)測。因此，基于WOA的原理，將WOA與TCN相結(jié)合，構(gòu)建WOA-TCN模型對TCN進(jìn)行優(yōu)化。WOA針對TCN中的內(nèi)置參數(shù)，設(shè)置鯨群數(shù)量為10，優(yōu)化迭代次數(shù)為100次，優(yōu)化最佳的TCN網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，提高西嶺隧道的圍巖變形預(yù)測準(zhǔn)確性和精度。

2.4 評價(jià)指標(biāo)

為衡量真實(shí)數(shù)據(jù)與訓(xùn)練預(yù)測數(shù)據(jù)之間的偏差程度，將引入平均絕對值誤差、均方根誤差、R2評估指標(biāo)和可釋方差得分對真實(shí)變形數(shù)據(jù)y和預(yù)測數(shù)據(jù)y′進(jìn)行預(yù)測效果評估，各類評估指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

（1） 平均絕對值誤差：

MAE （y，y′）=1n∑ni=1yi-y′i， （12）

實(shí)際應(yīng)用中， MAE 計(jì)算結(jié)果越接近0，模型的預(yù)測效果越好。

（2） 均方誤差：

MSE （y，y′）=1n∑ni=1（yi-y′i）2， （13）

實(shí)際應(yīng)用中， MSE 計(jì)算結(jié)果越接近0，模型的預(yù)測效果越好。

（3） R2 "score ：

R2=1-∑ni=1（y′i-yi）2∑ni=1（ya-yi）2， （14）

其中：ya為真實(shí)數(shù)據(jù)的平均值。

實(shí)際應(yīng)用中，R2計(jì)算結(jié)果越接近1，模型的預(yù)測效果越好。

（4） 可釋方差得分：

EVS =1-∑ni=1（y′i-ya）2∑ni=1（yi-ya）2， （15）

可釋方差得分表示模型能夠解釋數(shù)據(jù)方差的比例，EVS計(jì)算結(jié)果越接近1，表示模型解釋的數(shù)據(jù)方差越多，表現(xiàn)越好。

3 預(yù)測效果對比

3.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解降噪

對Ⅲ級圍巖的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD降噪處理。拱頂沉降的IMF及瞬時(shí)頻率如圖7所示，水平收斂的IMF及瞬時(shí)頻率如圖8所示。

通過EMD對分解后的本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，去除噪聲信息，達(dá)到去噪目的。由圖7（b）、圖8（b）可知，沉降和收斂數(shù)據(jù)的IMF1分量存在較高的瞬時(shí)頻率，判斷其為數(shù)據(jù)中的噪聲信息，因此對沉降和收斂的數(shù)據(jù)重構(gòu)，去除IMF1，對其余分量進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)后變形數(shù)據(jù)的降噪效果如圖9所示。

由圖9可知，EMD在Ⅲ級圍巖的拱頂沉降和水平收斂變形數(shù)據(jù)的處理上，還原了原始數(shù)據(jù)的變化趨勢，大幅度減少了原始數(shù)據(jù)的尖點(diǎn)數(shù)量，使得數(shù)據(jù)更加平滑，反映了其在數(shù)據(jù)降噪方面的良好性能。

3.2 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解降噪數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果

引入WOA優(yōu)化TCN模型，將MSE作為優(yōu)化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)繪制WOA-TCN模型適應(yīng)度迭代曲線，如圖10所示。

WOA引入鯨群數(shù)量為10，迭代100次。由圖10可知，WOA在優(yōu)化TCN的過程中，隨著迭代次數(shù)的增加，最優(yōu)結(jié)果的均方誤差也隨之減小，符合WOA算法的計(jì)算特性。根據(jù)數(shù)據(jù)復(fù)雜程度的不同，WOA-TCN在處理沉降數(shù)據(jù)時(shí)，算法在迭代23次后找到最優(yōu)結(jié)果;WOA-TCN在處理收斂數(shù)據(jù)時(shí)，迭代86次后找到最優(yōu)結(jié)果。

變形數(shù)據(jù)降噪前TCN的預(yù)測效果及降噪后TCN和WOA-TCN模型的預(yù)測效果分別見圖11、圖12。

由圖11可知，由于原數(shù)據(jù)尖點(diǎn)較多、波動(dòng)劇烈，TCN針對原數(shù)據(jù)的預(yù)測效果較差，不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的條件。由圖12可知，在利用EMD對原數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理后，TCN對降噪數(shù)據(jù)的預(yù)測表現(xiàn)相較于原數(shù)據(jù)大大改善，體現(xiàn)了EMD在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)越性能，大大提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，提升了TCN的預(yù)測精度，同時(shí)反映出TCN出色的時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)測能力。在此基礎(chǔ)上，利用WOA對TCN模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，WOA-TCN的預(yù)測效果在TCN高精度預(yù)測的基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步的提升，預(yù)測結(jié)果和降噪數(shù)據(jù)的差距相比于TCN進(jìn)一步減小。降噪前后，TCN與WOA-TCN模型對Ⅲ級圍巖變形數(shù)據(jù)預(yù)測效果的評價(jià)對比情況如表1所列。

由表1可知，EMD降噪后，TCN對沉降變形的預(yù)測精度提升了297.88%，對收斂變形的預(yù)測精度提升了164.90%，大幅度提升了TCN的預(yù)測精度。

針對降噪數(shù)據(jù)利用WOA對TCN進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，WOA-TCN對沉降變形的預(yù)測精度相較TCN提升了5.43%，對收斂變形的預(yù)測精度提升了4.52%。WOA-TCN模型在Ⅲ級圍巖變形預(yù)測上的相關(guān)系數(shù) R 2均在0.99以上，體現(xiàn)出WOA-TCN模型在Ⅲ級圍巖變形預(yù)測上的優(yōu)越性能，該模型可以滿足現(xiàn)場變形預(yù)測的要求。

4 結(jié)論

基于西陵隧道節(jié)理密集帶Ⅲ級圍巖段落的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展西嶺隧道節(jié)理密集帶圍巖變形預(yù)測研究，旨在尋找最佳的變形預(yù)測模型，主要結(jié)論如下：

（1） 針對現(xiàn)場采集到的變形數(shù)據(jù)波動(dòng)大、尖點(diǎn)密集的問題，利EMD進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的分解重構(gòu)，變形數(shù)據(jù)的重構(gòu)結(jié)果表明EMD可以有效抑制原始數(shù)據(jù)中的波動(dòng)較大、尖點(diǎn)較多的問題，重構(gòu)數(shù)據(jù)的波動(dòng)降低、尖點(diǎn)減少，數(shù)據(jù)更加平滑，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。

（2） 利用TCN對EMD降噪前后的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對隧道變形的預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，針對EMD降噪后的變形數(shù)據(jù)，TCN表現(xiàn)出了較好的預(yù)測性能，數(shù)據(jù)預(yù)測精度較高，相較于降噪前的變形數(shù)據(jù)，TCN對沉降變形的預(yù)測精度提升了297.88%，對收斂變形的預(yù)測精度提升了164.90%，沉降和收斂的預(yù)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。

（3） 通過WOA進(jìn)一步優(yōu)化TCN對EMD降噪后的變形數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果，WOA通過尋優(yōu)迭代使得TCN對于西嶺隧道變形數(shù)據(jù)的預(yù)測精度得到進(jìn)一步提升。結(jié)果表明：在100次的尋優(yōu)迭代后，WOA-TCN對沉降變形的預(yù)測精度提升了5.43%，對收斂變形的預(yù)測精度提升了4.52%。WOA-TCN模型沉降和收斂預(yù)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù) R 2均在0.99以上，體現(xiàn)了EMD-WOA-TCN組合模型在隧道變形預(yù)測上的卓越性能。

本文基于西嶺隧道采集的Ⅲ級圍巖變形數(shù)據(jù)，利用EMD進(jìn)行分解，解決了原數(shù)據(jù)中尖點(diǎn)過多、數(shù)據(jù)波動(dòng)過大的問題，提升了原數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，并利用TCN網(wǎng)絡(luò)對EMD處理前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，由于EMD出色的降噪能力，TCN對降噪后變形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了高精度的預(yù)測。但由于TCN對參數(shù)敏感，人為設(shè)定的TCN參數(shù)并沒有充分發(fā)揮TCN的優(yōu)勢，為充分發(fā)揮TCN的預(yù)測性能優(yōu)勢，引入WOA對TCN進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，WOA-TCN模型全面提升了TCN對西嶺隧道圍巖變形的預(yù)測精度。本文提出的EMD-WOA-TCN模型可以滿足西嶺隧道Ⅲ級圍巖節(jié)理密集帶變形的預(yù)測，也可為后續(xù)類似工程的圍巖變形預(yù)測提供一種方法。

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Prediction of surrounding rock deformation in tunnel

joint-intensive zone based on EMD-WOA-TCN

HUANG Yusheng1，HAN Jichuan1，WEI Guilin1，YANG Luming1，LI Xinzhi^1，2

（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control （Shijiazhuang Tiedao University），

Ministry of Education，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract

In order to achieve intelligent prediction of rock mass deformation in dense joint segments of the Xiling Tunnel and ensure subsequent safe construction，this paper proposes a novel prediction method based on the combination of empirical mode decomposition （EMD），whale optimization algorithm （WOA），and temporal convolutional network （TCN），referred to as EMD-WOA-TCN.By leveraging field-measured deformation data，the TCN model is optimized using EMD and WOA.The results demonstrate that under the framework of EMD，the WOA-TCN model exhibits higher accuracy in predicting rock mass deformation compared to the TCN model alone.This model not only provides a scientific basis for tunnel engineering design and construction but also promotes the application of intelligent prediction technology in the field of tunnel engineering，offering new insights and methods for research in related areas.

Key words

Joint-intensive zone;Deformation prediction;Empirical modal decomposition;Whale algorithm;Time series convolutional network

（本文責(zé)編：馮 婷）