CN109740800A - 适用于隧道tbm掘进岩爆风险分级及预测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法及系统，对已有隧道工程中的岩爆进行总结，确定诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；分析指标体系中的各指标的关联性和属性约简，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系，建立岩爆等级及相关各指标的数据库；对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重；建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。本公开评价信息丰富，结果准确率高。

Description

适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法与系统

技术领域

本公开涉及一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法与系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着我国经济的持续发展，地下工程逐步向深部发展，其中“深”“长”“高围压”成为地下工程新的特点和难点。目前，在我国西北地区很多大型引水隧道在建，因为TBM功法有着掘进速度快，效率高的优点，目前已经成为引水隧道的主要施工方法。其中，岩爆是TBM施工中一类主要的地质灾害，事故一旦发生，后果极其严重。如何利用施工中获得的工程围岩的力场、位移场、岩石性质等信息对TBM掘进岩爆灾害进行准确的风险分级以及对掌子面前方的岩爆灾害进行预测是急需解决的问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法与系统，本公开具有高的准确率。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，包括以下步骤：

(1)对已有隧道工程中的岩爆进行总结，确定诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；

(2)分析指标体系中的各指标的关联性和属性约简，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系，建立岩爆等级及相关各指标的数据库；

(3)对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重；

(4)建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。

作为进一步的限定，所述步骤(1)中，地形地貌包括隧道埋深，岩石性质包括岩石完整性系数、岩石单轴抗压强度、岩石抗拉强度和岩石弹性能系数，应力场包括隧道围岩径向压力，隧道第一主应力。

作为更进一步的限定，位移场包括隧道拱顶位移和隧道周边位移。

作为进一步的限定，所述步骤(1)中，指标集包括的指标包括单一指标，也包括各指标计算后获得的新指标。

作为进一步的限定，所述步骤(2)中，使用灰色关联度方法，以岩爆等级为目标集，各参数为属性集合，计算各指标相对于岩爆等级的关联系数。

作为进一步的限定，所述步骤(2)中，按照关联系数大小对指标集合进行约简，建立新的指标集合。

作为进一步的限定，所述步骤(3)中，使用主成分分析法对数据库的样本进行分析。

作为更进一步的限定，主成分分析法的步骤包括：

1.将原始数据按行排列组成矩阵X；

2.对X进行数据标准化，使其均值变为零；

3.求X的协方差矩阵C；

4.将特征向量按特征值由大到小排列，取前k个按行组成矩阵P；

5.通过计算Y＝PX，得到降维后数据Y；

6.计算每个特征根的贡献率,选取贡献率之和大于设定值的特征根计算权重。

作为进一步的限定，所述步骤(4)中，所述的围岩岩爆等级分为四级，I级无岩爆；II级弱岩爆；III级中等岩爆；IV级强岩爆。

一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：

(1)获取已有隧道工程中的岩爆信息，确定诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；

(2)分析指标体系中的各指标的关联性和属性约简，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系，建立岩爆等级及相关各指标的数据库；

(3)对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重；

(4)建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开结合TBM施工特点选取评价指标，对指标集的关系进行属性分析，指标集可靠度高，各指标相关性底，适合用主成分分析对权重进行分析，综合云模型具有同时考虑各指标及指标模糊性和随机性的能力，因此，本方法具有评价信息丰富，结果准确率高。

附图说明

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

图1是本公开的评价流程图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所述的岩爆是TBM施工中一类主要的地质灾害，事故一旦发生，后果极其严重。如何利用施工中获得的工程围岩的力场、位移场、岩石性质等信息对TBM掘进岩爆风险进行准确的分级以及对掌子面前方的岩爆风险进行预测是急需解决的问题。

本实施例结合灰色关联度方法，主成分分析法，综合云模型，提出了一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法。本发明对已有隧道工程中的岩爆特点进行总结，从地形地貌，岩石性质，应力场，位移场研究诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；使用灰色关联度分析指标体系中的各指标的关联性，结合TBM施工特点，对指标体系进行属性约简分析，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系；在TBM施工过程中搜集地形地貌，岩石性质，应力场，位移场等相关信息，建立岩爆等级及相关各指标的数据库。使用主成分分析法对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重。建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。该方法结合TBM施工特点选取评价指标，对指标集的关系进行属性分析，指标集可靠度高，各指标相关性底，适合用主成分分析对权重进行分析，综合云模型具有同时考虑各指标及指标模糊性和随机性的能力，因此，本方法具有评价信息丰富，结果准确率高。

如图1所示，具体包括：

(1)对已有隧道工程中的岩爆进行总结，从地形地貌，岩石性质，应力场，位移场研究诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；

地形地貌包括隧道埋深，岩石性质包括岩石完整性系数、岩石单轴抗压强度、岩石抗拉强度、岩石弹性能系数等，应力场包括隧道围岩径向压力，隧道第一主应力。位移场包括隧道拱顶位移，隧道周边位移等。

指标集包括的指标包括单一指标，也包括各指标计算后获得的新指标，例如单轴抗压强度与第一主应力之比，单轴抗压强度与抗拉强度之比等。

(2)使用灰色关联度分析指标体系中的各指标的关联性，结合TBM施工特点，对指标体系进行属性约简分析，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系；在TBM施工过程中搜集地形地貌，岩石性质，应力场，位移场等相关信息，建立岩爆等级及相关各指标的数据库。

使用灰色关联度方法，以岩爆等级为目标集，各参数为属性集合，计算各指标相对于岩爆等级的关联系数。按照关联系数大小对指标集合进行约简，建立新的指标集合。

(3)使用主成分分析法对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重。

主成分分析法的步骤为，1.将原始数据按行排列组成矩阵X；2.对X进行数据标准化，使其均值变为零；3.求X的协方差矩阵C.4.将特征向量按特征值由大到小排列，取前k个按行组成矩阵P；5.通过计算Y＝PX，得到降维后数据Y；6.计算每个特征根的贡献率,选取贡献率之和大于80％的特征根计算权重。

(4)建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。

围岩岩爆等级分为四级，I级无岩爆；II级弱岩爆；III级中等岩爆；IV级强岩爆。

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

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)对已有隧道工程中的岩爆进行总结，确定诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；

(2)分析指标体系中的各指标的关联性和属性约简，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系，建立岩爆等级及相关各指标的数据库；

(3)对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重；

(4)建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。

2.如权利要求1所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：所述步骤(1)中，地形地貌包括隧道埋深，岩石性质包括岩石完整性系数、岩石单轴抗压强度、岩石抗拉强度和岩石弹性能系数，应力场包括隧道围岩径向压力，隧道第一主应力。

3.如权利要求2所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：位移场包括隧道拱顶位移和隧道周边位移。

4.如权利要求1所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：所述步骤(1)中，指标集包括的指标包括单一指标，也包括各指标计算后获得的新指标。

5.如权利要求1所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：所述步骤(2)中，使用灰色关联度方法，以岩爆等级为目标集，各参数为属性集合，计算各指标相对于岩爆等级的关联系数。

6.如权利要求1所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：所述步骤(2)中，按照关联系数大小对指标集合进行约简，建立新的指标集合。

7.如权利要求1所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：所述步骤(3)中，使用主成分分析法对数据库的样本进行分析。

8.如权利要求7所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：主成分分析法的步骤包括：

1.将原始数据按行排列组成矩阵X；

2.对X进行数据标准化，使其均值变为零；

3.求X的协方差矩阵C；

4.将特征向量按特征值由大到小排列，取前k个按行组成矩阵P；

5.通过计算Y＝PX，得到降维后数据Y；

6.计算每个特征根的贡献率,选取贡献率之和大于设定值的特征根计算权重。

9.如权利要求1所述的一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测方法，其特征是：所述步骤(4)中，所述的围岩岩爆等级分为四级，I级无岩爆；II级弱岩爆；III级中等岩爆；IV级强岩爆。

10.一种适用于隧道TBM掘进岩爆风险分级及预测系统，其特征是：运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：

(1)获取已有隧道工程中的岩爆信息，确定诱发岩爆的主要因素，初步构建岩爆风险的评价体系；

(2)分析指标体系中的各指标的关联性和属性约简，建立隧道TBM岩爆风险的评价指标体系，建立岩爆等级及相关各指标的数据库；

(3)对数据库的样本进行分析，获取各指标的权重；

(4)建立基于多维正态云模型的隧道TBM掘进岩爆风险分级，在隧道TBM掘进中记录各指标参数，将参数代入多维正态云模型中，对隧道前方的岩爆风险等级进行评定。