专利名称：基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法
技术领域：
本发明涉及一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法。
背景技术：
盾构法是建造城市地下隧道卓有成效的施工方法之一，在我国城市现代化进程中发挥重要作用。近年来，我国大中城市盾构施工发展较快，先后有几十条隧道工程陆续开工。土压平衡盾构因其适用范围广、成本低而在含水的软土、软岩、硬岩及混合地层等隧道掘进中等到广泛应用。
图1显示了盾构发施工的基本工艺流程。土压平衡盾构机利用最前端的刀盘切削前方土体。切削下来的土与水的混合物通过孔道进入土舱。在土舱内的土、水混合物逐渐积累形成一定的支护压力。螺旋排土器从土舱底部将土舱内下部的土水混合物排除。在掘进过程中，如土舱内的水土混合物压力过高且无法产生支护压力，大量的水夹带泥沙从螺旋排土器涌出形成喷涌，甚至形成管道垮塌，地面塌陷等问题，严重影响盾构正常施工。为解决这一问题，需要向土舱内添加泡沫及膨润土，以改良土性，保持水土混合物的塑性流动状态。但是添加的剂量及时间难以把握，受水土混合物状态及盾构施工状态的影响。目前的施工状态是，人工分析掘进参数，形成对土体改良的判断并以人的施工经验指导土舱内土体的改性作业。这样做的缺点是1、人工分析延迟时间较长，不利于盾构掘进过程的快速应变。2、人工经验误差较大，不能准确判断施工风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法。基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法中，混合多模型是由基于勘探信息与施工数据的土质软测量模型、基于数据驱动的渗流量软测量模型、基于数据驱动的渗透系数软测量模型和基于机理的喷涌工况软测量模型构成，其中土质软测量模型、渗流量软测量模型、渗透系数软测量模型是喷涌工况软测量模型的输入；建模方法的具体步骤如下1)选择推进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘推力、在土组群为CLX、CLY、CLz或CLa 的不同土组中，包含特定地层A与土层X、Y和Z四种土层的联合分布土组数量、在土组群为CLX、CLY、CLz或CLa的不同土组中，仅包含土层X、Y和Z的联合分布的土组数量 N(J)BHi、隧道轴线上一点T(tx，ty，tz)到附近地质钻孔BHi处的水平投影距离、土的相关参数作为辅助变量，根据地质勘探信息计算出特定点处土层的随机分布概率，进而利用置信规则库方法，建立基于勘探信息与施工数据的土质软测量模型，土的相关参数是指土的定容比热、过筛重量占10%的土的粒径、土的初始渗流系数、土的初始压力、土的压缩系数、土的容重、土的不均勻系数、土的塑性指数、土的液限、土的初始孔隙比；幻选择土比热、刀盘转速、刀盘扭矩、土舱压力、推力、推进速度、土舱温度、螺旋排土器转速作为辅助变量，利用支持向量机方法，建立基于数据驱动的渗流量软测量模型；选择土舱压力、初始孔隙比、土压缩系数、初始土压力、过筛重量占10%的土的粒径、初始渗透系数作为辅助变量，利用支持向量机方法，建立基于数据驱动的渗透系数软测量模型；3)选择渗透系数、渗流量、过筛重量占10%的土的粒径、土重度作为简化机理模型的输入，建立喷涌工况的软测量模型。所述的步骤3)为1)根据渗流量和渗透系数计算渗流压力P = ^^，其中K为渗透系数，A为土舱
k-a
截面积，Q为渗流量，(V为过筛重量占10%的土的粒径；
jrd ’32)根据土粒径、土容重计算土颗粒在水中重度
权利要求
1.一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法，其特征在于混合多模型是由基于勘探信息与施工数据的土质软测量模型、基于数据驱动的渗流量软测量模型、基于数据驱动的渗透系数软测量模型和基于机理的喷涌工况软测量模型构成，其中土质软测量模型、渗流量软测量模型、渗透系数软测量模型是喷涌工况模型的输入；建模方法的具体步骤如下1)选择推进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘推力、在土组群为CLX、CLY、CLz或CLa的不同土组中，包含特定地层A与土层X、Y和Z四种土层的联合分布土组数量在土组群为CLX、CLY、CLZ或CLa的不同土组中，仅包含土层X、Y和Z的联合分布的土组数量、隧道轴线上一点T (tx，ty，tz)到附近地质钻孔BHi处的水平投影距离、土的相关参数作为辅助变量，根据地质勘探信息计算出特定点处土层的随机分布概率，进而利用置信规则库方法，建立基于勘探信息与施工数据的土质软测量模型，土的相关参数是指土的定容比热、过筛重量占10%的土的粒径、土的初始渗流系数、土的初始压力、土的压缩系数、土的容重、土的不均勻系数、土的塑性指数、土的液限、土的初始孔隙比；2)选择土比热、刀盘转速、刀盘扭矩、土舱压力、推力、推进速度、土舱温度、螺旋排土器转速作为辅助变量，利用支持向量机方法，建立基于数据驱动的渗流量软测量模型；选择土舱压力、初始孔隙比、土压缩系数、初始土压力、过筛重量占10%的土的粒径、初始渗透系数作为辅助变量，利用支持向量机方法，建立基于数据驱动的渗透系数软测量模型；3)选择渗透系数、渗流量、过筛重量占10%的土的粒径、土重度作为简化机理模型的输入，建立喷涌工况的软测量模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法，其特征在于所述的步骤幻为1)根据渗流量和渗透系数计算渗流压力P= ，其中K为渗透系数，A为土舱截面K-A积，Q为渗流量，d1(/为过筛重量占10%的土的粒径；jrd ’32)根据土粒径、土容重计算土颗粒在水中重度G= ▲。(rs _ ’其中γ s为土体容重，Y为水的容重，d1(/为过筛重量占10%的土的粒径；3)喷涌工况的判断如果渗流压力P大于土体自重G或在土体自重附近则极易发生喷涌，如果渗流压力P 远小于土体自重G则不易发生喷涌。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法，其特征在于所述的步骤1)中所利用置信规则库方法为根据训练数据{(Xi，Yi), i = 1,2,…，1}，建立如下形式的土质参数规则库模型 Hk+.W ^ Λ 戌 Λ…THEN Ak)(D2l, D,…,(A ，规则权重为θ kok e {1，…，L}其中< (i e {1，…，Tk})是第k条规则的第i个输入变量的参考值，Tk是第k条规则中用到的前提属性的数目，e {1，…，N})是第k条规则的第j种结果，&是1^的置信度，L是规则库中规则的数目，规则权重θ k及输出结果为Djk的置信程度歹,由施工记录的训练样本给出。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法，其特征在于所述的步骤幻中支持向量机方法为给定训练数据Kxi, Yi), i = 1,2,…，1}，通过学习得到如下非线性模型/(χ)= X足+ δ，其中足
全文摘要
本发明公开了一种基于混合多模型的盾构掘进过程中喷涌工况软测量建模方法。混合多模型是由(1)利用置信规则库方法建立数据驱动的基于勘探信息与施工数据的土质软测量模型、(2)利用支持向量机方法建立数据驱动的渗流量软测量模型、(3)利用支持向量机方法建立数据驱动的渗透系数模型和(4)利用简化机理建立的喷涌工况软测量模型构成。其中土质软测量模型、渗流量软测量模型、渗透系数软测量模型是喷涌工况软测量模型的输入。本发明的优点采用机理建模与数据驱动建模相结合的混合建模方法，所建模型简单、可解释性强，可靠性高，外推性好。
文档编号G06F17/50GK102243672SQ201110169158
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者李修亮, 江俊杰, 苏宏业 申请人:浙江大学