一种TBM隧洞基于振动信号实时的地质参数预测方法与流程

本发明涉及隧道施工，具体涉及一种tbm隧洞基于振动信号实时的地质参数预测方法。

背景技术：

1、大型掘进装备(tunnelboringmachine,tbm)是一个复杂的机械、电子、液压混合系统。与传统的钻爆方法相比，tbm具有安全、高效、环保等优点，在隧道施工中得到了广泛的应用。

2、tbm法隧道施工过程中，地质条件至关重要，直接对影响tbm施工过程。目前，在tbm隧洞施工中，地质探测主要通过超前地质预报，对施工干扰较大，地质分析需要专业技术人员，且选择地质预报的时机不好把握，时常造成塌腔、涌水、甚至卡机，严重制约施工进度。然而，隧道所经过的地层是多样而复杂的。隧道常伴有滑坡、崩塌、泥石流等危险地质现象。

3、tbm掘进参数的动态特性取决于tbm的运行参数数据。相反，掘进参数的近似范围完全取决于地质条件。tbm掘进参数预测优化数据集应包括地质特征数据和运行参数数据。

4、中国专利202210305215.9公开了一种基于地质信息和运行参数的tbm掘进参数实时预测方法，tbm驱动参数预测任务转化为预测周期范围为一个环段的多周期多变量时间序列预测任务，提出了一种利用地质特征和tbm运行参数数据进行tbm驱动参数预测的transtp网络，该网络通过时间模式注意检测(tpad)学习具有卷积分量的多周期特征表示，通过时间模式注意机制(tpam)辅助深度网络提取输入的多元特征，进而有效地完成多周期、多变量的tbm掘进参数时间序列预测。

5、中国专利202010550394.3公开了一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，包括如下步骤：

6、s1.在tbm硬岩掘进机的刀盘后侧设置振动传感器及通讯处理模块；s2.在tbm操作区设置数据接收模块及数据处理模块；s3.设置振动传感器获取tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，并将振动信息通过通讯处理模块以及数据接收模块传递到数据处理模块；s4.设置数据处理模块分析tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，反演出实时掘进处的地质信息，再结合之前设定第一时间段内掘进的地质信信息，预测设定第二时间段之后掌子面的地质信息；s5.设置tbm硬岩掘进机根据预测的地质信息对掘进参数进行动态调整。

7、但是由于超前钻、地勘的不足，不能实时提供地质参数；由于tbm掘进过程中的地质不透明性，不能提前预警不良地质。

8、有鉴于此，需要提供一种tbm隧洞基于振动信号实时的地质参数预测方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是一种tbm隧洞基于振动信号实时的地质参数预测方法。

2、为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：一种tbm隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，包括以下步骤：

3、s1、在tbm掘进过程中，获取tbm隧洞的地质参数，在不同的地质参数、相同的外部因素情况下实时监测tbm振动信号；

4、所述的获取tbm隧洞的地质参数包括地质勘探报告中的地质参数和tbm掘进过程中通过振动监测实时得到的地质参数；

5、所述的不同的地质参数包括抗压强度、抗拉强度、石英含量、围岩等级、裂隙发育情况或完整性；

6、所述的相同的外部因素为相同的tbm机型、开挖断面；

7、所述tbm掘进过程中的振动监测是监测多个固定点位的监测点，得到水平、垂直、隧道轴向三个方向的振动参数；所述的振动监测应覆盖不同的地质条件。

8、s2、对振动信号进行处理得到振动数据，对振动数据进行小波变换获得时频图；

9、s3、将振动数据与对应时段的地质参数拆分为训练集、验证集和测试集；

10、s4、通过训练集数据，建立振动时频图与地质参数的关系模型；

11、所述的关系模型是选用小波变换基于卷积神经网络建立的预测模型；

12、s5、通过测试集数据，测试模型并进行模型参数优化；

13、s6、取验证集数据进行地质参数反演，验证振动信号与地质参数的回归关系；

14、s7、在模型种输入振动信号，预测地质参数。

15、作为优选，所述的地质勘探报告中的地质参数通过钻孔取芯试验获得。

16、作为优选，所述的振动监测的固定点位为3个以上。

17、作为优选，所述的地质参数反演为建立一定强度范围的频率分布与围岩等级之间的相关关系。

18、作为优选，所述的地质参数反演为建立每个模态的主频与地质参数的回归关系。

19、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

20、1、在tbm施工过程中，通过不同地质条件下的振动监测，基于统计方法建立振动信号与围岩指标之间的相关关系，使振动信号能反映岩体信息。

21、2、消除了tbm掘进过程中的地质不透明性；

22、3、克服超前钻、地勘的不足，实时提供地质参数；

23、4、为tbm掘进参数的选取提供有效参考；

24、5、出现不良地质提前预警，提前进行不良地质处理，提高tbm的地质适应性。

技术特征：

1.一种tbm隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种tbm隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，其特征在于：所述的地质勘探报告中的地质参数通过钻孔取芯试验获得。

3.根据权利要求1所述一种tbm隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，其特征在于：所述的振动监测的固定点位为3个以上。

4.根据权利要求1所述一种tbm隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，其特征在于：所述的地质参数反演为建立一定强度范围的频率分布与围岩等级之间的相关关系。

5.根据权利要求1所述一种tbm隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，其特征在于：所述的地质参数反演为建立每个模态的主频与地质参数的回归关系。

技术总结
本发明公开了一种TBM隧洞基于振动信号的地质参数实时预测方法，包括以下步骤：在TBM掘进过程中，获取TBM隧洞的地质参数，在不同的地质参数、相同的外部因素情况下实时监测TBM振动信号；振动监测是通过监测多个固定点位的监测点，得到水平、垂直、隧道轴向三个方向的振动参数；对振动数据进行小波变换获得时频图；将振动数据与对应时段的地质参数拆分为训练集、验证集和测试集；通过训练集数据，建立振动时频图与地质参数的关系模型；关系模型是选用小波变换基于卷积神经网络建立的预测模型；通过测试集数据，测试模型并进行模型参数优化；取验证集数据进行地质参数反演，验证振动信号与地质参数的回归关系；在模型种输入振动信号，预测地质参数。

技术研发人员：黄江帆,冀国栋,薛亚东,罗炜,汪加轩,王宝友
受保护的技术使用者：中铁十八局集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13