【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及tbm刀盘卡机预测，尤其涉及一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法及系统。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、利用tbm施工具有隧洞成型质量高、掘进速度快、开挖对围岩扰动小、绿色环保等优势，因此tbm常常应用于一些大埋深、长距离隧洞。tbm一般用于地质条件较好的长大隧道，然而，在长距离、大埋深隧洞的tbm施工中由于隧道前方工程地质条件的不可预见性，施工将会面临软岩大变形、塌方、岩爆等严重威胁。
3、若tbm施工过程中遭遇以上不良地质极易造成围岩塌方和变形，将会导致tbm掘进效率低、掘进速度慢甚至卡机、被困等严重事故，更甚者导致整机报废、人员伤亡等灾害性后果。因此在施工期开展预测掌子面前方围岩变形高度工作，对于保障tbm安全施工具有重要意义。
4、现有技术中对于tbm施工过程中的卡机预测，多是基于力学模型判断是否卡机，然而tbm施工隧道环境复杂，仅仅适用力学参数预测刀盘卡机准确性较低，忽略了tbm隧道中围岩参数和地球物理参数对刀盘卡机的影响。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法及系统，能够提前感知隧道前方围岩塑性区变形的高度，进而判断刀盘卡机发生的概率，减少tbm施工过程中刀盘卡机的风险，保证tbm安全、高效地施工。
2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：
3、一种基于围岩
4、开展当前施工段tbm施工现场超前地质预报，获取超前地质预报的地球物理数据与解译的三维图像；
5、基于所述三维图像中异常体信息预测掌子面前方的塑性区高度h1；
6、基于地球物理数据与围岩参数的关系模型，计算得到抗压强度与抗剪强度，进而通过数值模拟计算得到当前施工段的围岩塑性区高度h2；
7、通过对当前施工段掌子面后方围岩应力监控测量得到当前施工段的围岩应力分布，对所述围岩应力分布数据进行反演得到掌子面前方的塑性区高度h3；
8、对所述高度h1、h2和h3数据进行多模态数据融合，得到当前施工段围岩塑性区高度最终值h；基于所述最终值h进行当前tbm施工段落的卡机预测。
9、进一步地，基于所述最终值h进行当前tbm施工段落的卡机预测，具体为：将最终值h与tbm卡机时坍塌高度h的临界判据进行对比，若h>h，则说明tbm刀盘存在卡机风险；所述坍塌高度h的临界判据根据历史坍塌高度总结得到。
10、进一步地，所述超前地质预报的地球物理数据包括电阻率和波速。
11、进一步地，基于所述三维图像中异常体信息预测掌子面前方的塑性区高度h1，具体为：
12、所述解译的三维图像包括地震波反射系数三维图像和电阻率三维成像图像；
13、从所述地震波反射系数三维图像和电阻率三维成像图像中分别选取地震波波速降低的区域和电阻率降低的区域，作为异常体区域；
14、根据地震波反射系数三维图像中异常体区域反射系数在z轴上的高度，与电阻率三维成像图像中异常体在z轴上的高度，通过计算两个高度的平均值共同圈定塑性区高度h1。
15、进一步地，基于地球物理数据与围岩参数的关系模型，计算得到抗压强度与抗剪强度，具体为：
16、基于得到的电阻率和波速地球物理数据，利用波速与抗压强度的关系模型，计算得到抗压强度；利用电阻率与抗剪强度的关系模型，计算得到抗剪强度。
17、进一步地，通过数值模拟计算得到当前施工段的围岩塑性区高度h2，具体包括：
18、抗压强度与弹性模量和泊松比相关，抗剪强度与粘聚力和内摩擦角相关，基于得到的围岩抗压强度和抗剪强度，根据摩尔-库伦准则计算出弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角四个参数；
19、建立施工现场地质模型，将得到的四个参数赋值在地质模型的每个单元网格中，过有限单元法或离散元法计算出围岩塑性区高度h2。
20、进一步地，对围岩应力分布数据进行反演得到掌子面前方的塑性区高度h3，具体过程包括：
21、通过实测围岩应力数据为依据，采用最小二乘法反演掌子面前方位移分布，根据反演结果确定位移为0的等值线，由此确定塑性区变形高度h3。
22、进一步地，对所述高度h1、h2和h3数据进行多模态数据融合，得到当前施工段围岩塑性区高度最终值h，具体为：
23、根据已开挖段测量得到的高度h1、h2和h3的值，以及开挖后实际测量的塑性区高度值h，构建训练数据集；
24、利用训练数据集对多模态融合神经网络模型进行训练，得到训练好的多模态融合神经网络模型；
25、将当前施工段得到的高度h1、h2和h3的值，输入至训练好的多模态融合神经网络模型，输出当前施工段围岩塑性区高度最终值h。
26、进一步地，通过tbm当前施工段多模态融合算法计算得到的掌子面前方塑性区高度最终值h与tbm卡机时的坍塌高度h临界判据对比，临界判据h可在开挖过程中发生卡机时进行确定。
27、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
28、一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测系统，包括：
29、超前预报模块，用于开展tbm施工现场超前地质预报，获取超前地质预报的地球物理数据与解译的三维图像；
30、第一高度计算模块，用于基于所述三维图像中异常体信息预测掌子面前方的塑性区高度h1；
31、第二高度计算模块，用于基于地球物理数据与围岩参数的关系模型，计算得到抗压强度与抗剪强度，进而通过数值模拟计算得到当前施工段的围岩塑性区高度h2；
32、第三高度计算模块，用于通过对掌子面后方围岩应力监控测量得到当前施工段的围岩应力分布，对所述围岩应力分布数据进行反演得到掌子面前方的塑性区高度h3；
33、高度融合模块，用于对所述高度h1、h2和h3数据进行多模态数据融合，得到当前施工段围岩塑性区高度最终值h；基于所述最终值h进行当前tbm施工段落的卡机预测。
34、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
35、(1)本专利技术分析了超前预报数据解译的三维图像中异常体的范围，从图像中更为直观的展现掌子面前方的塑性区高度h1；
36、本专利技术通过超前地质预报方法获取波速、电阻率等地球物理参数，并通过已有模型关系建立波速、电阻率等地球物理参数与抗压强度、抗剪强度的关系，通过引入已有地球物理参数与围岩参数的关系模型预测坍塌高度h2；
37、本专利技术通过对围岩应力分布数据进行反演得到掌子面前方的塑性区高度h3；
38、本专利技术利用不同的方法从不同的角度对塑性区高度进行计算，然后通过多模态数据融合算法，计算得到掌子面前方落塑性区高度最终值h，能够提高预测刀盘卡机风险的准确性。
39、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，基于所述最终值h进行当前TBM施工段落的卡机预测，具体为：将最终值h与TBM卡机时坍塌高度H的临界判据进行对比，若h>H，则说明TBM刀盘存在卡机风险；所述坍塌高度H的临界判据根据历史坍塌高度总结得到。
3.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，所述超前地质预报的地球物理数据包括电阻率和波速。
4.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，基于所述三维图像中异常体信息预测掌子面前方的塑性区高度h1，具体为：
5.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，基于地球物理数据与围岩参数的关系模型，计算得到抗压强度与抗剪强度，具体为：
6.如权利要求5所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，通过数值模拟计算得到当前施工段的围
7.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，对围岩应力分布数据进行反演得到掌子面前方的塑性区高度h3，具体过程包括：
8.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，对所述高度h1、h2和h3数据进行多模态数据融合，得到当前施工段围岩塑性区高度最终值h，具体为：
9.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测方法，其特征在于，通过TBM当前施工段多模态融合算法计算得到的掌子面前方塑性区高度最终值h与TBM卡机时的坍塌高度H临界判据对比，临界判据H可在开挖过程中发生卡机时进行确定。
10.一种基于围岩坍塌高度估计的TBM刀盘卡机预测系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法，其特征在于，基于所述最终值h进行当前tbm施工段落的卡机预测，具体为：将最终值h与tbm卡机时坍塌高度h的临界判据进行对比，若h>h，则说明tbm刀盘存在卡机风险；所述坍塌高度h的临界判据根据历史坍塌高度总结得到。
3.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法，其特征在于，所述超前地质预报的地球物理数据包括电阻率和波速。
4.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法，其特征在于，基于所述三维图像中异常体信息预测掌子面前方的塑性区高度h1，具体为：
5.如权利要求1所述的一种基于围岩坍塌高度估计的tbm刀盘卡机预测方法，其特征在于，基于地球物理数据与围岩参数的关系模型，计算得到抗压强度与抗剪强度，具体为：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：林春金，于洪岷，宋志成，徐晓东，张石磊，贾世汛，韩磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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