Prediction of Soil Conditioners for Sandy Soil Shield Based on Optuna-XGBoost

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.12.012

Abstract

Abstract:

Soil conditioning is an effective measure to solve the problems in the construction process of earth pressure balance （EPB） shield， such as cutter clogging and cutter abrasions. The use of machine learning models to predict soil conditioners varying with geological conditions can not only reduce the aforementioned construction risks， but also make up for the lag in determining the amount of modifier by test method. Based on the shield project of Shenyang Metro Line 4， the excavation data of 1 396 ring are preprocessed， and torque penetration index （TPI） and field penetration index （FPI） are used as the criteria for the soil conditioning effect to select good datasets. The Optuna-XGBoost model is established to predict the soil conditioners. The results show that Optuna algorithm owns obvious advantages over other methods in hyperparameters optimization. Compared with the other five prediction models， Optuna-XGBoost model owns higher accuracy under changeable geological conditions.

Key words: earth pressure balance shield, soil conditioning, tunneling parameters, geological parameter, prediction model

CLC Number:

TU 93

Xiu-mei CAO, Wen ZHAO, Zhi-guo WANG, Peng HE. Prediction of Soil Conditioners for Sandy Soil Shield Based on Optuna-XGBoost[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(12): 1769-1777.

Figures/Tables 15

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地层	标准贯入击数	动弹性模量	动剪切模量	天然密度	黏聚力	内摩擦角	渗透系数	变形模量
地层	标准贯入击数	E_d/MPa	G_d/MPa	ρ₀/（g·cm^-3）	C/kPa	φ/（°）	K/（m·d^-1）	E₀/MPa
圆砾	31.3	675.7	229.4	2.00	0	35	90	35
砾砂	27.4	723.0	250.0	2.00	0	32	65	32
中粗砂	25.1	579.0	198.0	1.99	0	31	30	26
粉细砂	23.1	283.1	102.2	2.00	0	28	6	15
粉质黏土	8.5	273.7	92.0	1.94	21	16	0.02	16

地层	标准贯入击数	动弹性模量	动剪切模量	天然密度	黏聚力	内摩擦角	渗透系数	变形模量
地层	标准贯入击数	E_d/MPa	G_d/MPa	ρ₀/（g·cm^-3）	C/kPa	φ/（°）	K/（m·d^-1）	E₀/MPa
圆砾	31.3	675.7	229.4	2.00	0	35	90	35
砾砂	27.4	723.0	250.0	2.00	0	32	65	32
中粗砂	25.1	579.0	198.0	1.99	0	31	30	26
粉细砂	23.1	283.1	102.2	2.00	0	28	6	15
粉质黏土	8.5	273.7	92.0	1.94	21	16	0.02	16

参数	值
开挖直径/m	6.28
刀盘转速/（r·min^-1）	0~3.7
刀盘最大扭矩/（kN·m）	7 200
刀盘开口率/%	55
功率/kW	1 799

参数	值
开挖直径/m	6.28
刀盘转速/（r·min^-1）	0~3.7
刀盘最大扭矩/（kN·m）	7 200
刀盘开口率/%	55
功率/kW	1 799

环号	记录时刻	刀盘扭矩	刀盘转速	总推力	推进速度	螺旋输送机扭矩	螺旋输送机转速	土舱压力
环号	记录时刻	kN·m	r·min^-1	kN	mm·min^-1	kN·m	r·min^-1	bar
1	15∶45∶00	1 020.251	1.174	2 290.500	0.318	0	0.090	1.16
1	15∶45∶10	964.438	1.176	2 579.734	1.591	0	0.090	1.17
1	15∶45∶20	1 016.740	1.175	4 023.811	11.140	0	0.009	1.24
1	15∶45∶30	995.710	1.172	5 367.500	14.004	5.608	5.608	1.29
︙	︙	︙	︙	︙	︙	︙	︙	︙
1 396	6∶30∶10	3 184.901	1.179	12 252.636	95.487	33.701	13.012	1.84
1 396	6∶30∶20	3 412.209	1.175	12 148.345	97.714	35.439	13.064	1.89
1 396	6∶30∶30	3 681.826	1.153	12 279.574	91.985	34.129	13.125	1.86
1 396	6∶30∶40	3 857.941	1.144	12 409.705	93.257	34.746	13.030	1.85