基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的砂泥巖互層地質(zhì)爆破參數(shù)優(yōu)化研究

惠可震 諶文玉 石運(yùn)慶

(中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司 河北高碑店 030032)

1 引言

砂巖、泥巖互層地質(zhì)在黃土地區(qū)路基工程中比較常見。砂巖、泥巖互層巖體存在多個(gè)結(jié)構(gòu)面，且砂巖與泥巖兩種巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及風(fēng)化程度存在差異，具有軟硬相間的特性。因此，砂巖泥巖互層地質(zhì)路塹在爆破開挖時(shí)，結(jié)構(gòu)面上應(yīng)力波的多次透反射導(dǎo)致應(yīng)力波在不同巖體中的傳播不穩(wěn)定[1]，造成爆破能量分布不均，難以達(dá)到理想的爆破效果，使得爆破參數(shù)設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。因此，砂泥巖互層地質(zhì)路塹爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善爆破效果、提高施工效率的關(guān)鍵。馮輝[2]等利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬分析了互層巖體爆破過程壓力波傳播衰減的規(guī)律；孫智勇[3]運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)穿越軟硬互層區(qū)域的地鐵隧道爆破開挖不同工況下周圍地層的位移、主應(yīng)力以及振速的影響進(jìn)行研究，提出合理的施工方案；吳文明[4]研究了砂巖、泥巖互層地質(zhì)路基爆破施工工藝；陳正林、郝全明[5-6]等對(duì)近水平砂泥互層圍巖隧道進(jìn)行爆破優(yōu)化數(shù)值模擬，得到了層狀圍巖隧道爆破優(yōu)化方案。影響爆破效果的因素有很多，尤其對(duì)于砂巖泥巖互層地質(zhì)，難以用數(shù)值模擬或試驗(yàn)的方法分析諸多參數(shù)對(duì)爆破效果的影響，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于解決這種復(fù)雜的非線性問題具有獨(dú)特優(yōu)勢[7]。本文提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、利用已有的工程樣本和試爆數(shù)據(jù)的砂泥巖互層地質(zhì)爆破參數(shù)優(yōu)化方法，并應(yīng)用于靖神鐵路橫山車站段路塹施工，取得較好的效果。

新建靖神鐵路橫山車站及其前后段(DK164＋800～DK169＋716)路基主要以深挖路塹為主，最大路塹深度51 m，最大邊坡高度58 m。本工程所經(jīng)區(qū)域?yàn)辄S土梁峁溝壑區(qū)，表層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積沖積層(Qeol3)新黃土，下伏侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2)半干旱條件下形成的河流相沉積地層，砂巖夾泥巖，薄層～中厚層狀，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層產(chǎn)狀近水平，屬軟巖～較軟巖。路塹開挖中，泥巖與砂巖互層地層主要采用中深孔松動(dòng)爆破法開挖。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的砂泥巖互層地質(zhì)爆破參數(shù)優(yōu)化方法

以影響爆破效果的主要因素作為網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)、以爆破效果作為輸出參數(shù)、采用搜集的數(shù)據(jù)樣本作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和檢測樣本，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。以理論計(jì)算的爆破方案各參數(shù)為基礎(chǔ)，利用正交試驗(yàn)法篩選出16種試驗(yàn)方案，基于訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到爆破效果，再從中選擇爆破效果較好的5組方案進(jìn)行試爆，根據(jù)試爆效果確定最佳爆破方案。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的砂泥巖互層地質(zhì)爆破參數(shù)優(yōu)化流程見圖1。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型建立

3.1 模型參數(shù)確定

(1)輸入?yún)?shù)的確定

根據(jù)相關(guān)研究成果以及對(duì)本工程路塹實(shí)際爆破效果的眾多影響因素進(jìn)行對(duì)比[8-10]，提出影響爆破效果的8個(gè)主要因素為單耗、孔距、排距、底盤抵抗線、炮眼堵塞、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量。這8個(gè)因素確定為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)。

(2)輸出參數(shù)的確定

以爆破效果作為輸出參數(shù)。對(duì)于路塹工程，評(píng)價(jià)爆破效果的主要參數(shù)是大塊率以及邊幫平整度。

(3)隱含層的確定

本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的輸入因子有8個(gè)、輸出因子有2個(gè)，隱含層單元個(gè)數(shù)由公式(1)確定。

式中，n為隱含層單元數(shù)；m為輸入單元數(shù)；t為輸出單元數(shù)；a為1～10之間的任意常數(shù)。

通過計(jì)算，得到隱含層單元數(shù)為4～13個(gè)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和多次測試最終選用隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為10。

3.2 樣本確定與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

(1)訓(xùn)練樣本與檢測樣本

通過類似工程調(diào)研、文獻(xiàn)查閱及作者積累的數(shù)據(jù)，共獲取100個(gè)數(shù)據(jù)樣本[11-12]。任選其中90個(gè)樣本作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，其余10個(gè)樣本作為檢測樣本，分別見表1～表2。

(2)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，導(dǎo)入BP模型進(jìn)行仿真訓(xùn)練，期望誤差設(shè)為0.001。將網(wǎng)絡(luò)輸出與期望輸出向量進(jìn)行回歸分析，訓(xùn)練后的輸出向量對(duì)期望值的跟蹤性較好，說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)較好。

表1 訓(xùn)練樣本

表2 檢測樣本

將檢測樣本的實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見表3。由表3可知，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差不超過5%，說明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很好地預(yù)測了檢測樣本數(shù)據(jù)的爆破效果，故以此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為預(yù)測模型。

表3 爆破效果預(yù)測對(duì)比

4 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)理論計(jì)算

(1)底盤抵抗線W1:按臺(tái)階高度和孔徑計(jì)算，由公式(2)確定。

式中，H為臺(tái)階高度。

本工程H為8 m，則W1＝(0.6～0.8)H＝4.8～6.4 m，取為5 m。

(2)孔距a:a＝mW1，對(duì)于垂直孔取m＝0.6～0.8，則a＝(0.7～1.0)×5＝3.5～5.0 m。

(3)排距b:一般情況下b＝(0.6～0.8)W1＝3～4 m。

(4)填塞長度l2:對(duì)于垂直深孔，取l2＝(0.7～0.8)W1，即l2＝(0.7～0.8)×5＝3.5～4.0 m。

(5)單位炸藥消耗量q:一般根據(jù)爆破塊度尺寸要求、巖石的堅(jiān)固性、炸藥種類、自由面條件和施工技術(shù)等因素綜合確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于本工程取q＝0.40 kg/m3。

5 基于正交試驗(yàn)法的典型爆破方案選取

章節(jié)4中的爆破參數(shù)基于理論或經(jīng)驗(yàn)而確定，并不一定是最佳爆破參數(shù)的組合方案。但理論上，最優(yōu)的各爆破參數(shù)應(yīng)該在上述計(jì)算結(jié)果的鄰近范圍。因此，可以對(duì)各主要參數(shù)取理論計(jì)算結(jié)果鄰近范圍內(nèi)的若干個(gè)值，通過分析其爆破效果來選擇一組最優(yōu)方案。但由于爆破參數(shù)較多，每個(gè)參數(shù)在合理取值范圍內(nèi)取不同值，會(huì)組合出大量的爆破方案，如果對(duì)每一種方案都進(jìn)行驗(yàn)證會(huì)產(chǎn)生巨大工作量，這屬于多因素多水平問題的試驗(yàn)設(shè)計(jì)問題。采用正交試驗(yàn)法選取典型爆破方案，能夠大幅度減少試驗(yàn)次數(shù)而且不會(huì)降低試驗(yàn)的可信度。試驗(yàn)因素及水平見表4。

表4 試驗(yàn)因素及水平

通過制作正交試驗(yàn)所需的正交表格選取了16組試驗(yàn)方案，見表5。

表5 5因素4水平正交統(tǒng)計(jì)

將由正交表選出的爆破試驗(yàn)方案輸入到訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得出爆破效果，見表6。

表6 試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表6可見，7號(hào)、11～14號(hào)爆破方案的效果較好，故選擇這5組爆破參數(shù)作為試爆方案。

6 試爆及最優(yōu)爆破方案的確定

采用上節(jié)所得到的5組爆破方案進(jìn)行試爆，爆破效果見表7。

表7 試爆效果

可見，方案7的爆破效果相對(duì)較好，因此作為最終采用的方案。

7 結(jié)論

基于正交試驗(yàn)法選出的爆破方案應(yīng)用于橫山車站路塹工程施工，取得了良好的效果。可見，本文提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的砂泥巖互層地質(zhì)爆破參數(shù)優(yōu)化方法是可行的。以類似工程調(diào)研、文獻(xiàn)查閱及積累的相關(guān)數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和檢測樣本建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能良好。以理論計(jì)算的爆破方案各參數(shù)為基礎(chǔ)利用正交試驗(yàn)法形成典型試驗(yàn)方案，并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測爆破效果，可以優(yōu)選出效果良好的爆破方案。