مهندسی عمران فردوسی

مهندسی عمران فردوسی

پیش‌بینی نشست سطحی خاک ناشی از حفاری تونل توسط دستگاه TBM با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین: مطالعه موردی خطوط ۲ و ۳ قطار شهری مشهد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه دانشگاه فردوسی مشهد
2 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
چکیده
چکیده پیش‌بینی دقیق نشست سطحی ناشی از حفاری تونل در محیط‌های شهری، نقش مهمی در کاهش مخاطرات ژئوتکنیکی و حفاظت از سازه‌های مجاور دارد. در این پژوهش، حداکثر نشست سطحی ناشی از حفاری با دستگاه حفار مکانیزه سپری فشار تعادلی زمین (EPB) در خطوط ۲ و ۳ قطار شهری مشهد با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین پیش‌بینی شد. بدین منظور، پایگاه داده‌ای شامل ۲۹۲ نمونه از اطلاعات ژئوتکنیکی، مشخصات هندسی و پارامترهای عملیاتی دستگاه TBM گردآوری و ۲۰ متغیر ورودی مؤثر انتخاب شد. سه مدل شامل شبکه عصبی مصنوعی (ANN)، شبکه عصبی عمیق (DNN) و جنگل تصادفی (RF) توسعه‌یافته و عملکرد آن‌ها با یکدیگر مقایسه گردید. نتایج نشان داد مدل DNN با سه‌لایه پنهان بهترین عملکرد را داشته و با ضریب تعیین 9896/0 و کمترین مقدار خطای میانگین مربعات، بیشترین دقت را در پیش‌بینی نشست ارائه می‌دهد. همچنین تحلیل حساسیت به روش‌های گارسون و اولدن، مهم‌ترین پارامترهای مؤثر بر نشست را شناسایی کرد. نوآوری این پژوهش در توسعه یک مدل داده‌محور مبتنی بر داده‌های واقعی متروی مشهد، تلفیق هم‌زمان پارامترهای ژئوتکنیکی و عملیاتی TBM، و ارزیابی عملکرد آن در مقایسه با روش تجربی پک است. نتایج نشان داد مدل پیشنهادی دقتی به‌مراتب بالاتر از روش پک داشته و می‌تواند به‌عنوان ابزاری مؤثر برای مدیریت ریسک و کنترل نشست در پروژه‌های تونل‌سازی شهری مورداستفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Prediction of TBM-Induced Surface Settlement Using Machine Learning Techniques: A Case Study of Mashhad Urban Railway (Lines 2 and 3)

نویسندگان English

J. Bolouri Bazzaz 1
Seyyed Sajjad Hosseini 2
Amir Hooti 2
1 دانشگاه دانشگاه فردوسی مشهد
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
چکیده English

Abstract Accurate prediction of surface settlement induced by urban tunneling is essential for mitigating geotechnical risks and protecting adjacent structures. This study investigates the prediction of maximum surface settlement caused by Earth Pressure Balance (EPB) tunneling in Mashhad Urban Railway Lines 2 and 3 using machine learning techniques. A database consisting of 292 samples was compiled from geotechnical investigations, geometric characteristics, and Tunnel Boring Machine (TBM) operational parameters, and 20 key input variables were selected. Three predictive models, including Artificial Neural Network (ANN), Deep Neural Network (DNN), and Random Forest (RF), were developed and compared. The results indicated that the DNN model with three hidden layers achieved the best performance, yielding a coefficient of determination (R²) of 0.9896 and the lowest mean squared error. Sensitivity analysis based on the Garson and Olden methods was further conducted to identify the most influential parameters affecting settlement behavior. The novelty of this research lies in the development of a data-driven model based on real-world tunneling data from the Mashhad Metro, the integrated use of geotechnical and TBM operational parameters, and the quantitative comparison of machine learning predictions with the conventional Peck empirical method. The proposed DNN model demonstrated substantially higher accuracy than the Peck method and can serve as a reliable tool for settlement risk assessment and management in urban tunneling projects.

کلیدواژه‌ها English

Surface Settlement
Mechanized Tunneling
Deep Neural Network (DNN)
Random Forest (RF)
Mashhad Metro
ارسال نظر در مورد این مقاله
نام را وارد کنید.
نشانی پست الکترونیکی را به درستی وارد کنید.
وابستگی سازمانی را به درستی وارد کنید.
توضیحات را وارد کنید (حداقل 50 حرف)
CAPTCHA Image
شناسه امنیتی را به درستی وارد کنید.