【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及隧道施工。更具體地說，本專利技術(shù)涉及一種復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法。
技術(shù)介紹
1、在硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（rtbm）施工中，復(fù)雜地質(zhì)條件（如斷層、破碎帶、高應(yīng)力區(qū)域）對(duì)施工效率和設(shè)備安全性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法依賴人工經(jīng)驗(yàn)或單一地質(zhì)探測(cè)手段（如鉆孔取樣），存在數(shù)據(jù)獲取滯后、精度不足的問題，難以及時(shí)指導(dǎo)施工參數(shù)調(diào)整。例如，圍巖等級(jí)分類通常基于離線實(shí)驗(yàn)室分析或局部鉆孔數(shù)據(jù)，無法實(shí)時(shí)反映掌子面前方地質(zhì)變化，導(dǎo)致刀盤推力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)設(shè)置與實(shí)際工況不匹配，易引發(fā)刀具異常磨損甚至卡機(jī)事故。此外，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)刀具磨損的監(jiān)測(cè)多采用人工巡檢或單一傳感器，缺乏實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)性，難以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償施工參數(shù)。這些問題主要由以下原因?qū)е拢浩湟唬刭|(zhì)探測(cè)手段單一，無法融合多維度數(shù)據(jù)（如波速、應(yīng)力、紋理）全面分析地質(zhì)狀態(tài)；其二，數(shù)據(jù)處理依賴中心化服務(wù)器，響應(yīng)速度不足；其三，施工參數(shù)調(diào)整規(guī)則僵化，未結(jié)合動(dòng)態(tài)磨損狀態(tài)優(yōu)化。盡管部分研究嘗試引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化分類模型，但模型訓(xùn)練樣本覆蓋度不足，且未與實(shí)時(shí)施工參數(shù)聯(lián)動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用效果有限。因此，亟需一種能夠?qū)崟r(shí)融合多源地質(zhì)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化施工參數(shù)并同步補(bǔ)償?shù)毒吣p的施工方法，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的多變性和不確定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的一個(gè)目的是提供一種復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)時(shí)獲取多維地質(zhì)數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，以減少刀具磨損并提升施工效率。
2、為了實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)方面，本專利
3、步驟一、通過多源地質(zhì)探測(cè)裝置實(shí)時(shí)獲取硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的掌子面前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石紋理及圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)；
4、步驟二、將步驟一中獲取的數(shù)據(jù)輸入邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行圍巖等級(jí)分類，識(shí)別破碎帶及高應(yīng)力區(qū)域；
5、步驟三、根據(jù)步驟二中圍巖等級(jí)分類和破碎帶及高應(yīng)力區(qū)域的識(shí)別結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的施工參數(shù)，所述施工參數(shù)包括刀盤推力、刀盤轉(zhuǎn)速及推進(jìn)速度；
6、步驟四、施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具磨損量和刀具磨損率，并根據(jù)所述刀具磨損量和刀具磨損率對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行磨損補(bǔ)償：
7、當(dāng)任一單刀的刀具磨損量達(dá)5~8?mm時(shí)，降低刀盤推力10%~20%；
8、當(dāng)總刀具磨損率大于15%時(shí)，推進(jìn)速度按公式v′=v×[1-0.5×(總刀具磨損率-0.15)]?動(dòng)態(tài)計(jì)算，使刀具磨損速率小于2?mm/min，其中v為原始推進(jìn)速度，v′為調(diào)整后的推進(jìn)速度。
9、優(yōu)選的是，所述步驟一中所述多源地質(zhì)探測(cè)裝置包括：
10、布置于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤前端的陣列式超聲波檢測(cè)儀，通過相控陣掃描技術(shù)，獲取掌子面前方的巖石波速分布數(shù)據(jù)，經(jīng)分析該波速分布數(shù)據(jù)得到掌子面前方的巖石分層、斷層位置、裂隙分布，形成地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；
11、集成于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的前護(hù)盾的分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)，對(duì)沿程圍巖進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)的分布與變化輔助判斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)；
12、安裝于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤支撐結(jié)構(gòu)的多光譜成像儀，獲取掌子面高光譜圖像，通過對(duì)圖像進(jìn)行處理與分析，提取巖石表面粗糙度、節(jié)理走向，形成巖石紋理數(shù)據(jù)；
13、設(shè)置在硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)油缸上的壓力-位移復(fù)合傳感器，同步采集圍巖反力與盾體變形數(shù)據(jù)，計(jì)算得到圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)；以及，
14、數(shù)據(jù)融合模塊，其接收所述超聲波檢測(cè)儀、光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多光譜成像儀、壓力-位移復(fù)合傳感器獲取的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石紋理及圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)。
15、優(yōu)選的是，所述圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)通過以下步驟計(jì)算得到：
16、將壓力-位移復(fù)合傳感器測(cè)得的壓力值p轉(zhuǎn)換為油缸推力f，計(jì)算公式為f=p×a，其中a為油缸活塞截面積，m2；
17、將位移量δl代入應(yīng)變公式ε=δl/l0，計(jì)算盾體應(yīng)變?chǔ)牛籰0為油缸初始長(zhǎng)度，m；
18、基于公式σ=e×ε＋η×(dε/dt)?計(jì)算圍巖應(yīng)力σ，mpa；其中，e為圍巖彈性模量，mpa；η為黏性系數(shù)，mpa·s；dε/dt為應(yīng)變率，s?1；
19、通過修正系數(shù)k對(duì)σ進(jìn)行修正得到σ'?=k×σ，其中k的取值范圍為0.85~1.15；
20、每隔10?min將σ'與所述分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過最小二乘法優(yōu)化k值，確保計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差≤5%。
21、優(yōu)選的是，所述步驟二中圍巖等級(jí)分類、以及識(shí)別破碎帶及高應(yīng)力區(qū)域的具體步驟如下：
22、數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)濾波并插值補(bǔ)全，巖石紋理數(shù)據(jù)平滑、增強(qiáng)后提取sift?特征，圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)用z-score標(biāo)準(zhǔn)化；
23、特征選擇與融合：對(duì)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，選取巖石波速、裂隙率、斷層間距；巖石紋理數(shù)據(jù)中提取粗糙度、紋理方向性；圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)選取最大主應(yīng)力、應(yīng)力梯度，采用主成分分析法將選取的特征進(jìn)行降維后融合成特征向量；
24、模型訓(xùn)練：收集大量不同圍巖等級(jí)、包含破碎帶和高應(yīng)力區(qū)域的典型樣本數(shù)據(jù)，按照?7:3?的比例劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，選擇徑向基核函數(shù)作為支持向量機(jī)的核函數(shù)，利用訓(xùn)練集對(duì)支持向量機(jī)模型進(jìn)行訓(xùn)練；
25、分類識(shí)別：將融合后的特征向量輸入到訓(xùn)練好的支持向量機(jī)模型中，模型根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的特征向量與不同分類超平面的距離，判斷其所屬的圍巖等級(jí)類別，將圍巖等級(jí)劃分為i-v級(jí)；
26、對(duì)于破碎帶的識(shí)別，設(shè)定基于巖石波速突變率、裂隙率閾值以及紋理特征不規(guī)則度的綜合判別規(guī)則，當(dāng)模型輸出的特征值滿足判別規(guī)則時(shí)，判定該區(qū)域?yàn)槠扑閹В?/p>
27、對(duì)于高應(yīng)力區(qū)域的識(shí)別，依據(jù)圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)中的最大主應(yīng)力和應(yīng)力梯度閾值進(jìn)行判斷，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力超過設(shè)定的高應(yīng)力閾值，且應(yīng)力梯度大于一定值時(shí)，識(shí)別該區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)域。
28、優(yōu)選的是，所述步驟三中不同圍巖等級(jí)對(duì)應(yīng)的施工參數(shù)調(diào)整為：
29、i級(jí)圍巖為穩(wěn)定圍巖，其對(duì)應(yīng)的刀盤推力為8000~12000?kn，刀盤轉(zhuǎn)速為5~8?r/min，推進(jìn)速度為60~80?mm/min；
30、ii級(jí)圍巖為基本穩(wěn)定圍巖，其對(duì)應(yīng)的刀盤推力為12000~15000?kn，刀盤轉(zhuǎn)速為4~6r/min，推進(jìn)速度為40~60?mm/min；
31、iii級(jí)圍巖為穩(wěn)定性較差圍巖，其對(duì)應(yīng)的刀盤推力為15000~18000?kn，刀盤轉(zhuǎn)速為3~5?r/min，推進(jìn)速度為20~40?mm/min；
32、iv級(jí)圍巖為不穩(wěn)定圍巖，其對(duì)應(yīng)的刀盤推力為18000~22000?kn，刀盤轉(zhuǎn)速為2~4r/min，推進(jìn)速度為10~20?mm/min；
33、v級(jí)圍巖為極不穩(wěn)定圍巖，其對(duì)應(yīng)的刀盤推力為22000~28000?kn，刀盤轉(zhuǎn)速為1~3r/min，推進(jìn)速度為5~10?mm/min。
34、優(yōu)選的是，所述步驟三中破碎帶區(qū)域及高應(yīng)力區(qū)域?qū)?yīng)的施工參數(shù)調(diào)整為：
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述步驟一中所述多源地質(zhì)探測(cè)裝置包括：
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)通過以下步驟計(jì)算得到：
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述步驟二中圍巖等級(jí)分類、以及識(shí)別破碎帶及高應(yīng)力區(qū)域的具體步驟如下：
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述步驟三中不同圍巖等級(jí)對(duì)應(yīng)的施工參數(shù)調(diào)整為：
6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述步驟三中破碎帶區(qū)域及高應(yīng)力區(qū)域?qū)?yīng)的施工參數(shù)調(diào)整為：
7.如權(quán)利要求6所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述步驟四中刀具磨損量和刀具磨損率的監(jiān)測(cè)方法為：
8.如權(quán)利要求7所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，所述步驟四中磨損補(bǔ)償時(shí)，需結(jié)合地質(zhì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償施工參數(shù)，具體為：當(dāng)任一單刀磨損
9.如權(quán)利要求8所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下RTBM施工方法，其特征在于，當(dāng)同時(shí)觸發(fā)破碎帶區(qū)域施工參數(shù)調(diào)整與磨損補(bǔ)償時(shí)，優(yōu)先執(zhí)行磨損補(bǔ)償規(guī)則。
...【技術(shù)特征摘要】
1.復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其特征在于，所述步驟一中所述多源地質(zhì)探測(cè)裝置包括：
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其特征在于，所述圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)通過以下步驟計(jì)算得到：
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其特征在于，所述步驟二中圍巖等級(jí)分類、以及識(shí)別破碎帶及高應(yīng)力區(qū)域的具體步驟如下：
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其特征在于，所述步驟三中不同圍巖等級(jí)對(duì)應(yīng)的施工參數(shù)調(diào)整為：
6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下rtbm施工方法，其特征在于，所述步驟三...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：莊峰，金振旗，楊波，周翼華，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國路橋工程有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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