岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (11): 3615-3625.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1483CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1483

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基于时序聚类和在线学习的盾构掘进地层智能识别方法

真嘉捷1, 2,赖丰文1,黄明1,廖清香3,李爽1,段岳强4   

  1. 1. 福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108;2. 福建农林大学 交通与土木工程学院,福建 福州 350108; 3. 福州市建设发展集团有限公司,福建 福州 350009;4. 中交一公局厦门工程有限公司,福建 厦门 361021
  • 收稿日期:2024-12-01 接受日期:2025-03-23 出版日期:2025-11-14 发布日期:2025-11-11
  • 通讯作者: 赖丰文,男,1992年生,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事土-结构相互作用、岩土原位测试方面的研究工作。E-mail: laifengwen@fzu.edu.cn
  • 作者简介:真嘉捷,男,1996年生,博士研究生,主要从事盾构法隧道智能化掘进方面的研究工作。E-mail: Ternuraa148@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 52378392, No. 52408356);福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才项目(No. 00387088)。

Intelligent geological condition recognition in shield tunneling via time-series clustering and online learning

ZHEN Jia-jie1, 2, LAI Feng-wen1, HUANG Ming1, LIAO Qing-xiang3, LI Shuang1, DUAN Yue-qiang4   

  1. 1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350108, China; 2. College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350108, China; 3. Fujian Fuzhou Construction Development Group Co. Ltd., Fuzhou, Fujian 350009, China; 4. Xiamen Engineering Co. Ltd. of CCCC First Highway Engineering Co. Ltd., Xiamen, Fujian 361021, China
  • Received:2024-12-01 Accepted:2025-03-23 Online:2025-11-14 Published:2025-11-11
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52378392, 52408356) and the “Foal Eagle Program” Youth Top-notch Talent Project of Fujian Province, China (00387088).

摘要: 已有盾构掘进地层识别机器学习模型高度依赖准确的地层信息作为模型标签输入,使其在复杂地层适用性较差。通过引入线性插值模型克服传统动态时间规整(dynamic time warping,简称DTW)的离散化问题,提出了基于连续动态时间规整(continuous dynamic time warping,简称CDTW)的凝聚型层次聚类模型(CDTW-Agglomerative),构建了能够动态识别地层的在线学习机制。基于厦门地铁3号线盾构掘进数据集验证了所提模型的准确性和可靠性,并通过厦门地铁6号线盾构掘进数据集对模型泛化性进行测试。结果表明,CDTW-Agglomerative在两个不同地质条件数据集下的预测准确率分别约为85%和73%,具有良好的泛化性。CDTW-Agglomerative性能优于基于DTW、软动态时间规整(soft dynamic time warping,简称SoftDTW)的凝聚型层次聚类模型和CDTW-K-means、CDTW-K-medoids、CDTW-Spectral等聚类模型。所提模型无需地层信息作为标签输入,即可有效识别盾构刀盘处地层信息,为盾构掘进参数智能决策提供参考。

关键词: 盾构隧道, 机器学习, 地层识别, 时间序列聚类, 在线学习

Abstract: Current machine learning models for recognizing geological conditions during shield tunneling heavily rely on precise geological data labelling, limiting their applicability in complex geological environments. To address this, we propose a continuous dynamic time warping (CDTW)-based agglomerative hierarchical clustering model (CDTW-Agglomerative), which integrates a linear interpolation framework to overcome DTW’s discretization issues. An online learning mechanism is implemented for dynamic strata recognition. The model’s accuracy and reliability are validated using Xiamen Metro Line 3 data, with generalization tested on Line 6 data. Results show recognition accuracies of 85% and 73% on the two datasets, demonstrating robust generalization. CDTW-Agglomerative outperforms DTW-Agglomerative, SoftDTW-Agglomerative, and CDTW-based models (K-means, K-medoids, Spectral clustering). Notably, it identifies cutterhead stratigraphy without requiring pre-labelled geological data, supporting intelligent decision-making for tunnelling parameters.

Key words: shield tunnel, machine learning, geological condition prediction, time series clustering, online learning

中图分类号: U 451
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