基于时间函数组合模型的采空区地表沉降动态预测及剩余变形计算

时间:2022-08-03 21:45:11
作者:顿志林,王文唱,邹友峰,任连伟,顿志元,郭文兵
关键字:采空区场地,地表沉降,时间函数,组合模型,动态预测
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当采空区场地进行高速铁路修建时,地表沉降动态精准预测和剩余变形计算对高速铁路的 工程建设及安全运行尤为重要。 针对单项时间函数在复杂采空区地表沉降动态预测中存在着适用 范围有限、预测准确性和稳定性不高的问题,对 Knothe、Weibull、Logistic 与 MMF 时间函数的曲线形 态及参数物理意义进行了分析;为获取时间函数参数的全局最优解,建立了基于果蝇优化算 法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)和模拟退火算法(Simulated Annealing Algorithm,SAA)的 混合算法;引入以最小误差平方和为准则的最优非负变权组合模型,并构建了 Knothe-Weibull、 Knothe-Logistic 与 Knothe-MMF 等 6 种不同的双项时间函数组合模型。 并在地表沉降预测的基础 上,给出了采空区场地剩余变形的计算方法。 结果表明:所提出的混合算法具有收敛状态稳定、求 解精度高的优点,适用于时间函数参数的求解问题。 组合模型在预测准确性和稳定性上均优于组 合中的单项时间函数,能够突破单项时间函数在复杂地质采矿条件预测效果不佳的局限性,较好地 提升时间函数在预测中的精准度和适用度。 此外,组合模型在已临近实测沉降值的情况下扩展了 预测曲线的有效区间,并借助变权系数将单项时间函数在有效区间的信息进行筛选并重组,得到全 程吻合实测沉降值的最优沉降预测曲线。 其中,Knothe-Logistic 函数模型的均方根误差(RMSE)、 平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分比误差(MAPE)在 3 次预测中均最低,有效地解决厚松散层、 薄基岩、浅埋煤层条件下采空区地表沉降动态精准预测问题。 组合模型可为实现采空区场地高速 铁路建设前地表沉降的稳定、高精度动态预测提供参考。 通过基于 Knothe-Logistic 函数计算不同 时刻地表点剩余变形得到的变化规律与实际开采过程相符合,剩余变形作为采空区场地地基变形 的重要组成部分,可为采空区场地高速铁路建设的可行性评价提供一种依据。

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