一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法

技术领域

本发明涉及地质预测技术领域，具体涉及一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法。

背景技术

隧道建设施工过程中，盾构司机对当前地质物理性能的错误判断，从而实施不当的施工方案，往往是导致装备损伤、隧道渗水、盾构机卡机、液压水汽管路爆管等事故的重要因素，极大延误了工期，严重危害人员安全。

目前常用的检测方法为超前钻探法，通过对掌子面前方的钻探过程进行取芯和记录，由岩土工程人员观察岩芯结构面分布和判断填充物的性质，定性分析隧道围岩的宏观特征并对其进行工程分类，从而完成对隧道掌子面前方地质情况的判断。

但是该方法过度依赖人工分析，对于不良地质和围岩条件仅能定性判断，不仅耗时耗力，且主观性强、误差大；另外，该方法对不良地质识别的依据主要是来自岩芯，对于超前钻探过程中其他方面信息的利用率太低，对不良地质识别和前方工程地质条件的判断很容易出现遗漏，且周期时间长，成本高，耗费人力物力大。

综上所述，急需一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法，具体技术方案如下：

一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法，包括以下步骤：

S1：利用隧道地勘报告数据搭建岩土模型；利用装备三维模型搭建装备网格模型；利用装备网格模型与岩土模型构建耦合仿真模型；利用隧道地勘报告中地质参数修正耦合仿真模型，使耦合仿真输出的运行状态参数与实际运行状态参数之间的误差符合预设精度；

S2：利用耦合仿真模型获取不同地质参数以及对应的运行状态参数，并将单个地质参数与其对应的运行状态参数作为一个工况集合输出，基于多个工况集合搭建数据库；所述数据库中工况集合按照围岩等级划分类型；

S3：基于地质围岩等级与对应的运行状态参数的历史数据，构建地质围岩等级预测模型；

S4：实时采集装备的运行状态参数，输入地质围岩等级预测模型中，预测围岩等级，根据采集的运行状态参数和预测围岩等级对数据库中的工况集合进行筛选，得到预测地质参数。

优选的，所述对数据库中的工况集合进行筛选具体包括：

筛选第一类参数：根据预测围岩等级筛选数据库中的工况集合，将筛选得到的工况集合作为第一类参数；

筛选第二类参数：将第一类参数中运行状态参数与采集的实时运行状态参数对比，筛选小于预设误差值的第一类参数作为第二类参数；如果第一类参数中存在满足第二次筛选条件的参数则开展第三类参数筛选，如果第一类参数均不满足第二类参数筛选条件，则开展第四类参数筛选；

筛选第三类参数：将第二类参数中运行状态参数与采集的运行状态参数比对，筛选综合误差值最小的工况集合作为第三类参数；将第三类参数中的地质参数作为预测地质参数输出；

筛选第四类参数：将第一类参数中运行状态参数与采集的运行状态参数比对，筛选运行状态参数的误差之和最小的工况集合为第四类参数，将第四类参数的地质参数作为预测地质参数输出。

优选的，所述耦合仿真模型构建具体包括：将装备网格模型与岩土模型接触及耦合设置，创建边界条件与载荷，搭建耦合仿真模型。

优选的，所述边界条件以及载荷具体是：保持岩土模型的上边界面以及装备网格模型的始发界面不变，固定岩土模型的下边界面、岩土模型的左边界面、岩土模型的右边界面以及装备网格模型的终止边界面，添加重力加速度以及盾构机推进速度作为载荷。

优选的，所述修正步骤具体是：利用隧道地勘报告中地质参数调整耦合仿真模型的形状与尺寸、接触设置、沙漏设置、以及装备网格设置。

优选的，所述预设精度为90％。

优选的，所述地质参数包括杨氏模量、粘聚力、摩擦角、泊松比、剪胀角、塑性应变、硬化参数以及塑性体积应变率。

优选的，所述运行状态参数包括推力、扭矩、压力、应力、流量、速度、温度、电流、电压以及振动

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明提供一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法，通过构件耦合仿真模型输出得到状态运行参数，并且对应的地质参数作为工况集合，构建数据库，同时建立了地质围岩等级预测模型，通过实时采集装备的运行状态参数，输入地质围岩等级预测模型中，预测围岩等级，根据采集的运行状态参数和预测围岩等级对数据库中的工况集合进行筛选，得到预测地质参数。该方法简单、快捷，能够迅速获知当前装备所处地质条件，有效的避免突水突泥、塌方、大变形等地质灾害，大大缩短了施工周期。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的整体流程示意图；

图2是本发明优选实施例1步骤S4的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：

参见图1，一种基于地质与装备耦合仿真的地质参数实时感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过有限元仿真软件，利用隧道地勘报告数据搭建岩土模型；利用装备三维模型搭建装备网格模型；利用装备网格模型与岩土模型接触及耦合设置，创建边界条件与载荷(保持岩土模型的上边界面以及装备网格模型的始发界面不变，固定岩土模型的下边界面、岩土模型的左边界面、岩土模型的右边界面以及装备网格模型的终止边界面，添加重力加速度以及盾构机推进速度作为载荷)，构建耦合仿真模型；利用隧道地勘报告中地质参数调整耦合仿真模型的形状与尺寸、接触设置、沙漏设置、以及装备网格设置，使耦合仿真输出的运行状态参数与实际运行状态参数之间的误差符合预设精度(90％)；本实施例中，所述地质参数包括：杨氏模量、粘聚力、摩擦角以及泊松比。

S2：利用耦合仿真模型获取不同地质参数以及对应的运行状态参数，并将地质参数与其对应的运行状态参数作为一个工况集合输出，基于多个工况集合搭建数据库；所述数据库中工况集合按照围岩等级划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6种类型；具体是：

(a)将地质参数与对应的耦合仿真输出的运行状态参数作为工况集合，按围岩等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6种地质类型；(b)确定每种地质类型中4种地质参数的选值范围，每种参数等差选取4个值，对耦合仿真模型开展DOE(试验设计)分析，每种地质类型有256条地质参数数据，述DOE分析求解计算出每条地质参数数据对应的仿真输出运行状态参数；(c)将地质参数与仿真输出运行状态参数一个工况集合输出，基于多个工况集合搭建数据库。搭建的数据库如下所示：

式中，i、j、k、l＝1、2、3、4，代表每种地质参数所取的4种参数值；n＝1、2、3、4、5、6，代表6种围岩等级；E为杨氏模量，R为粘聚力，β为摩擦角，υ为泊松比；F

S3：基于地质围岩等级与对应的运行状态参数的历史数据，构建地质围岩等级预测模型；

利用地质围岩等级与对应的盾构机运行状态参数的历史数据作为训练集，采用机器学习算法对训练集训练，获得地质围岩等级预测模型；所述运行状态参数包括推力、扭矩、压力、应力、流量、速度、温度、电流、电压以及振动(本实施例中包括推力、扭矩、压力以及应力)。

S4：参见图2，实时采集装备的运行状态参数，输入地质围岩等级预测模型中，预测围岩等级，根据采集的运行状态参数和围岩等级对数据库中的工况集合进行筛选，得到预测地质参数，具体是：

筛选第一类参数：根据预测围岩等级筛选数据库中的工况集合，将筛选得到的工况集合作为第一类参数X

X

式中X

筛选第二类参数：在第一类参数X

或者当F

当F

其中，F

筛选第三类参数：在第一类参数X

式中P

将第三类参数中的地质参数作为预测地质参数输出；

筛选第四类参数：在第一类参数内筛选出推力

其中，

将该工况集合中地质参数作为预测地质参数输出。

在本实施例中选取某地一区间盾构工地，装备为6米级土压平衡盾构机，简化盾构机三维模型并划分网格，构建得到装备网格模型；从地勘报告中读取地质参数，搭建岩土模型；创建装备网格模型与岩土模型接触与耦合设置，添加边界条件与载荷，搭建耦合仿真模型；选取一段隧道，利用隧道地勘报告中地质参数以及实际运行状态参数修正耦合仿真模型，使耦合仿真精度达到预期精度；

实施例中选取Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩2种盾构装备常见围岩等级，每种围岩等级选取杨氏模量与粘聚力2种地质参数作为变量，每种地质参数选取2个数值，共8组数据作为地质数据，与盾构耦合仿真输出的运行状态参数一起搭建数据库如下：

筛选第一类参数：基于实时运行状态参数利用地质围岩等级预测模型，预测围岩等级为Ⅴ围岩，则第一类参数为：

筛选第二类参数：采集到盾构机现场数据为F

得到第二类参数：

X

[(350MPa、0.35MPa、25°、0.35、9720KN、4855KNm、0.87MPa、12.6MPa)

筛选第三类参数：由于第二类参数仅剩一组参数，所以该组参数为即为第三类参数X

装备当前地质参数即为杨氏模量E＝350MPa，粘聚力c＝0.35MPa，摩擦角β＝25°，泊松比υ＝0.35。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。