【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土地质监测，具体为一种隧道掌子面监测系统及方法。
技术介绍
1、隧道施工是土木工程学科的重要分支，涉及隧道、地下空间和桥梁等基础设施的规划、设计与施工。施工过程的安全性和效率是工程技术关注的核心问题。在隧道施工过程中，围岩地质条件的复杂性使得地质层监测成为保证施工安全的关键技术之一。隧道施工中的掌子面作为直接接触围岩的工作面，其地质层层间分界的清晰度不仅决定了施工方案的调整，也直接影响支护结构的设计和实施效果。
2、例如，在不同地质层交界处，如果未能准确识别软弱层与坚硬层的过渡区域，可能引发支护失效和围岩失稳问题，从而影响隧道施工安全。
3、在当前的隧道施工实践中，地质层层间分界的识别主要依赖于地质雷达探测技术，通过雷达反射波信号分析岩层边界。然而，这种方法在实际应用中面临着多重挑战。首先，地质雷达数据的噪声干扰严重，导致边界识别结果不够清晰，尤其是在多层地质交错区域。其次，传统的边界检测算法对数据的处理能力有限，难以充分利用现有的传感器数据，导致识别精度偏低。最后，受限于当前监测技术的分辨率，施工团队往往需要结合人工经验来补充数据分析，这不仅增加了时间成本，还提高了判断失误的风险。这些问题使得现有的地质层监测技术在复杂地质条件下难以充分满足施工的安全需求。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种隧道掌子面监测系统及方法，解决了
技术介绍
中提到的问题。
2、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种
3、s1、通过地质雷达设备采集掌子面岩层反射信号，形成原始数据集d0，并通过小波变换去噪处理，生成降噪数据集d1；
4、s2、对降噪数据集d1进行雷达信号特征提取，获取岩层材料差异性特征、信号衰减特征和主频偏移特征，组成特征向量v；
5、s3、通过对特征向量v使用支持向量机分类算法进行地址层边界初步识别，获取初步分界点集p1；
6、s4、对获取的初步分界点集p1进行修正，获取修正后的分界点集p2；
7、s5、通过使用分界点集p2进行建立地质层分界三维模型，获取掌子面地质层三维模型m，同步与分界稳定状态阈值tthe进行对比，生成地质稳定状态标识s，并生成施工支护方案。
8、优选的，所述s1包括s11和s12；
9、s11、使用地质雷达设备扫描掌子面，获取雷达反射信号，并记录为原始数据集d0，具体通过地质雷达通过发射高频电磁波到岩层中，不同岩层对电磁波的反射强度和传播时间不同，返回的雷达反射信号包含岩层的介电性质和地质层间的边界信息，包括回波时间t、反射信号强度i和信号主频fp，组成扫描线i的雷达回波信号s＝{t，i，fp}；
10、所述原始数据集d0具体为d0＝{si(t)，i＝1，2，3，……，n}，其中，si(t)表示第i条扫描线在时间t的雷达回波信号，n表示扫描线总数。
11、优选的，s12、根据获取的原始数据集d0进行小波变换去噪处理，分离信号的不同频段，去除噪声信号并保留地质信息的高频成分，组成降噪数据集d1。
12、优选的，所述s2包括s21和s22；
13、s21、对降噪数据集d1进行雷达信号特征提取，获取岩层材料差异性特征△er、信号衰减特征a和主频偏移特征△fp，组成特征向量v＝{△er，a，△fp}；
14、其中，岩层材料差异性特征△er通过提取介电常数变化率进行反映岩层材料对电磁波的响应特性获取，具体通过比较不同地质层的回波时间t1和回波时间t2，进行计算两层之间的介电常数变化率，获取岩层材料差异性特征△er；
15、信号衰减特征a通过提取信号强度随传播距离的衰减进行反映地质层的密实度和含水率变化获取，具体通过对不同地质界面的反射信号强度i1和反射信号强度i2的信号强度进行对比信号衰减状态，获取信号衰减特征a；
16、主频偏移特征△fp通过分析信号频谱，提取不同地质层界面的主频变化特征获取，具体通过计算不同地质界面的主频峰值fp1和主频峰值fp2获取主频偏移值，来获取主频偏移特征△fp。
17、优选的，所述s3包括s31和s32；
18、s31、对通过对特征向量v进行数据标准化处理，获取标准化后的标准特征向量vn，再使用支持向量机分类算法进行地址层边界初步识别，具体通过支持向量机分类算法找到一个超平面；
19、所述超平面通过以下目标分类函数获取：
20、
21、式中，f(f)表示目标分类函数的输出，具体表示标准特征向量vn中第f个标准特征向量的类别，具体根据输出f(f)进行判断类别，sign表示符号函数，m表示支持向量的数量，sj第j个支持向量，wj表示第j个支持向量的权重值，k(f，sj)表示核函数，b表示超平面的偏置项，具体用于调整超平面的位置，m表示支持向量的数量。
22、优选的，s32、根据找到的超平面对标准特征向量vn进行分类，同步对不同类别的地质层数据分界点进行分隔，获取初步分界点集p1；
23、所述初步分界点集p1具体通过对输入的标准特征向量vn使用目标分类函数进行推断，并根据目标分类函数的输出f(f)，进行统计每个分界点的分类结果，再进行标记边界点的位置，组成初步分界点集p1；
24、所述初步分界点集p1通过p1＝{z|f(f)＝0}计算公式获取，具体表示对满足目标分类函数输出为0的特征向量点进行集合，表示了地质层边界点。
25、优选的，所述s4包括s41；
26、s41、对获取的初步分界点集p1进行修正，包括对初步分界点集p1中的分界点位置的邻近点分布进行分析，包括出现邻近点的位置偏离了邻近点的平均位置的10％，判定当前分界点需要进行修正，并将修正后的分界点重新代入初步分界点集p1，组成修正后的分界点集p2；
27、所述修正包括使用邻近点插值法进行修正，进行平滑分界点位置。
28、优选的，所述s5包括s51和s52；
29、s51、通过使用分界点集p2进行建立地质层分界三维模型，获取掌子面地质层三维模型m，通过对分界点集p2中离散的分界点进行空间插值拟合，包括对获取的若干个三维分界面模型中的分界值ms(x，y，z)进行拟合，生成地质层分界的连续曲面；
30、所述分界值ms(x，y，z)通过以下计算公式获取：
31、
32、式中，ms(x，y，z)表示三维分界面模型中的分界值，wm表示插值权重，与分界点的空间分布相关，qm(x，y，z)表示第m个分界点的插值基函数，m表示分界点的总数，具体表示分界点集p2中分界点的总数。
33、优选的，s52、根据掌子面地质层三维模型m中的若干个分界值ms(x，y，z)与分界稳定状态阈值tthe进行对比，并与容差范围rc进行关联，生成地质稳定状态标识s，以及生成施工支护方案，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述S1包括S11和S12；
3.根据权利要求2所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：S12、根据获取的原始数据集D0进行小波变换去噪处理，分离信号的不同频段，去除噪声信号并保留地质信息的高频成分，组成降噪数据集D1。
4.根据权利要求3所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述S2包括S21和S22；
5.根据权利要求4所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述S3包括S31和S32；
6.根据权利要求5所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：S32、根据找到的超平面对标准特征向量Vn进行分类，同步对不同类别的地质层数据分界点进行分隔，获取初步分界点集P1；
7.根据权利要求6所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述S4包括S41；
8.根据权利要求7所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述S5包括S51和S52；
9.根据权利要求8所述的一种
10.一种隧道掌子面监测系统，应用于权利要求1～9任一项所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：包括信号采集模块、信号特征提取模块、初步识别模块、修正模块和建模评估模块；
...【技术特征摘要】
1.一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述s1包括s11和s12；
3.根据权利要求2所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：s12、根据获取的原始数据集d0进行小波变换去噪处理，分离信号的不同频段，去除噪声信号并保留地质信息的高频成分，组成降噪数据集d1。
4.根据权利要求3所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述s2包括s21和s22；
5.根据权利要求4所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：所述s3包括s31和s32；
6.根据权利要求5所述的一种隧道掌子面监测方法，其特征在于：s32、根据找到的超平面对标准特征向量vn进行分类，同步对不同类别的地质层数...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭瑞梅，赵晓峰，钱振宇，程向军，陈功，张志，
申请(专利权)人：中国公路工程咨询集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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