一种基于微震信息的TBM隧道围岩等级判定方法与流程

一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法
技术领域
1.本发明涉及隧道围岩等级判定领域，尤其涉及一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法。


背景技术：

2.隧道掘进机(tbm)具有速度快、成型好、污染小等特点，在我国应用范围越来越广。围岩等级是影响tbm施工速度、安全性及刀盘磨损等的主要因素，如围岩条件变差，需要及时调整掘进方案与参数，否则会引起卡机、坍塌等重大事故。围岩变完整，不适宜的掘进方案同样会导致刀盘过度磨损或掘进效率低，所以准确判定围岩等级对提高tbm施工效率、保证施工安全及降低刀盘磨损有重要意义。
3.目前有tbm隧道围岩等级判定方法，发明“适用于tbm掘进隧道围岩等级实时判别方法及系统”，专利号202010010148.9；“一种基于岩机敏感参量判识和改进fmc模型隧道围岩等级的分类方法”，专利号202110957595.x。上述发明依托tbm掘进数据，对隧道围岩等级进行了分类。但由于tbm掘进参数与tbm主司机经验控制密切相关，不同的操作人员得到的tbm参数有所差异，依托tbm掘进参数的隧道围岩等级判定方法存在不足。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法，用于判定tbm隧道掌子面围岩等级，为tbm操作司机选择合理的掘进方案和参数提供参考。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法，包括以下步骤：
7.步骤1：在tbm隧道掌子面后方布置多排微震传感器，实现连续的实时微震监测；
8.步骤2：根据已开挖的不同围岩等级洞段，任意选取多个不同围岩等级案例，通过步骤1的微震监测，收集不同围岩等级案例中在tbm掘进参数上升段的微震信息；
9.步骤3：分别对同一围岩等级分析案例样本的微震信息进行聚类分析，剔除异常样本；
10.步骤4：根据不同围岩等级的微震信息特征，建立对应不同围岩等级的，与每种微震参数间的函数关系；
11.步骤5：通过全局优化粒子群算法搜索围岩等级相关的微震事件数累积值和微震释放能累积值的权重系数w1与w2，建立基于微震信息的围岩等级概率判定方法；
12.步骤6：实际工况下，将微震信息带入基于微震信息的围岩等级概率判定方法，即可获得不同围岩等级的判定概率，概率最大的围岩等级即为掌子面位置围岩等级判定结果。
13.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
14.本发明提供的一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法。依据tbm启动时挤
压掌子面围岩导致破裂的微震信息，给出掌子面位置不同围岩等级的判定概率，避免了tbm操作司机的经验不同对tbm参数的影响，实现了围岩等级的判定，为tbm主司机调整掘进方案与参数提供依据。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法的流程图。
17.图2为不同围岩段tbm掘进参数上升时所对应的微震信息，图中，案例1～12为i类围岩，13～24为ii类围岩，25～36为iii类围岩，37～42为iv类围岩。
18.图3为样本聚类分析剔除异常样本后的微震信息，图中，案例1～12为i类围岩，13～24为ii类围岩，25～36为iii类围岩，37～42为iv类围岩。
19.图4为实施例中开挖揭露的ii类围岩。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
21.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
22.如图1-4所示，本发明提供了一种基于微震信息的tbm隧道围岩等级判定方法，本发明的方法是应用在围岩等级为i，ii，iii，iv的方法，本方法尚未应用到v类及vi类围岩(参考《铁路隧道设计规范》
23.(tb10003-2005))，无法证明在v类及vi类围岩的有效性。
24.具体地，包括以下步骤：
25.步骤1：在tbm隧道掌子面后方布置多排微震传感器，实现连续的实时微震监测；
26.步骤2：根据已开挖的不同围岩等级洞段，任意选取多个不同围岩等级案例，通过所述步骤1的微震监测，收集不同围岩等级案例中在tbm掘进参数上升段的微震信息。作为一种优选的实施方式，在本技术中，所述tbm掘进参数上升段的微震信息是tbm启动时，刀盘
靠近挤压掌子面导致掌子面围岩破裂的微震信息。进一步地，tbm挤压致裂的微震波形形态与岩体破裂波形一致，集中产生于tbm启动时期。tbm挤压致裂的微震信息与掌子面围岩条件相关，围岩条件越好(i类围岩等级为好，iv类围岩等级为差)，挤压致裂的微震事件越多。所述微震信息包括：微震事件数和微震释放能；计算每一个案例的微震事件数累积值和微震释放能累积值。作为优选的实施方式，在本技术中，微震事件数累积值和微震释放能累积值，是对每一个案例样本中，tbm掘进参数上升阶段的微震事件数和微震释放能的加和。
27.步骤3：分别对同一围岩等级分析案例样本的微震信息进行聚类分析，剔除异常样本；
28.步骤4：根据不同围岩等级的微震信息特征，建立对应所述不同围岩等级的，与每种微震参数间的函数关系。根据不同围岩等级的微震信息特征，建立对应所述不同围岩等级的，与每种微震参数间的函数关系；具体地包括以下步骤：
29.s41：计算不同围岩等级案例样本中，每种微震信息的平均值，则微震信息的平均值为微震特征值，记作n
ij
；其中，i表示不同围岩等级，i＝1、2、3、4；且1、2、3、4分别代表i类围岩、ii类围岩、iii类围岩、iv类围岩；j表示不同的微震信息，j＝1、2；且1、2分别表示微震事件数累积值和微震释放能累积值；
30.s42：通过三角模糊数，建立每类围岩等级与不同微震参数的概率函数关系；
31.当判定为i类围岩时，
[0032][0033]
当判定为ii、iii类围岩时，
[0034][0035]
当判定为iv类围岩时
[0036][0037]
其中，n表示应用时某一项微震参数的数值，p
ij
表示采用j微震信息所确定的围岩等级是i等级的概率。
[0038]
步骤5：通过全局优化粒子群算法搜索围岩等级相关的微震事件数累积值和微震
释放能累积值的权重系数w1与w2，建立基于微震信息的围岩等级概率判定方法。作为优选的实施方式，在本技术中粒子群算法的惯性权重为0.6，学习因子c1＝c2＝2，群体规模8000，飞行次数800次。
[0039]
基于微震信息的围岩等级概率判定公式为：
[0040]
pi＝w1p
i1
+w2p
i2
ꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0041]
其中，p
i1
和p
i2
分别表示采用微震事件数累积值和微震释放能累积值所确定的围岩等级是i等级的概率。
[0042]
步骤6：实际工况下，将微震信息带入基于微震信息的围岩等级概率判定方法，即可获得不同围岩等级的判定概率，概率最大的围岩等级即为掌子面位置围岩等级判定结果。
[0043]
优选地，作为一种优选的实施方式，所述微震传感器设置在所述tbm的护盾后方30m范围内，并随着所述tbm的掘进及时循环前移，保证能接受到tbm施工期间的所有微震信息。
[0044]
实施例1
[0045]
以新疆某隧洞为例，洞型为圆形，直径为7m，岩性为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩。其下游段掘进长度为19.635km，该洞段围岩整体稳定性好，以ⅱ、iii类围岩为主，局部有i类及ⅳ类围岩。在该隧道开展了微震监测，在掌子面后方布置了两排微震传感器，分别布置于护盾后方5m及25m的位置。
[0046]
以tbm一次启动为一个分析案例，统计已开挖的不同围岩等级洞段的案例，计算不同围岩段tbm掘进参数上升时所对应的微震信息，如图2所示。其中i类围岩案例12个，ⅱ类围岩案例12个，iii类围岩案例12个，由于ⅳ类围岩较少，4类围岩案例6个。对其进行聚类分析，剔除异常样本后的样本信息如图3所示。由图3可知，微震事件数累积值、微震释放能累积值与围岩等级有明显线性关系，围岩条件越好(i类围岩好，
[0047]ⅳ类围岩差)，微震事件数及释放能累积值越大。
[0048]
通过步骤4计算每种微震信息的特征值，如表1所示。
[0049]
表1不同围岩等级的微震特征值
[0050]
围岩等级微震事件数累积值微震释放能累积值/ji类围岩14.1787.00ⅱ类围岩9.6447.13iii类围岩4.6427.15ⅳ类围岩1.174.53
[0051]
由此，就可以建立每类等级围岩与微震事件数累积值、微震释放能累积值的概率函数关系，如不同等级围岩与微震事件数累积值的关系分别为：
[0052]
[0053][0054][0055][0056]
式中，n1表示微震事件数累积值，p
i1
、p
ii1
、p
iii1
、p
iv1
分别表示由微震事件数累积值所确定的不同围岩等级的概率。
[0057]
同样，可以得到不同围岩与微震释放能累积值的关系分别为：
[0058][0059][0060]
[0061][0062]
式中，n2表示微震释放能累积值，p
i2
、p
ii2
、p
iii2
、p
iv2
分别表示由微震释放能累积值所确定的不同围岩等级的概率。
[0063]
采用全局优化粒子群算法搜索围岩等级相关的不同微震参数的权重系数，最终得到w1＝0.57，w2＝0.43。
[0064]
由此可得，不同围岩等级的概率表达式为
[0065]
pi＝0.57
×
p
i1
+0.43
×
p
i2
[0066]
某日，tbm启动时上升段的微震事件数累积值为8，微震释放能累积值为75.3j。将该案例带入基于微震信息的围岩等级概率判定方法，由微震事件数累积值得到的不同围岩等级的概率为p
i1
＝0，p
ii1
＝67.2％，p
iii1
＝32.8％，p
iv1
＝0％。由微震释放能累积值得到的不同围岩等级的概率为p
i2
＝70.7％，p
ii2
＝29.3％，p
iii2
＝0％，p
iv2
＝0％。带入不同围岩等级的概率表达式，可得不同围岩等级的概率分别为pi＝30.4％，p
ii
＝50.9％，p
iii1
＝18.7％，p
iv
＝0％，由此可得，掌子面前方围岩等级为ii类。开挖揭露后，该处围岩为ⅱ类围岩，见图4。
[0067]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。
[0068]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。