CN110630274A - 一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构技术领域，具体涉及一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法，包括：盾构隧道数据输入模块、盾构隧道数据预处理模块、隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块、盾构隧道复合地层组段分类输出模块以及盾构隧道复合地层组段分类应用模块。本发明的一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法，解决了目前无法满足盾构施工实践要求以及地层组段的分类过程易受人为因素影响、有一定主观性、不利于方法的推广的问题。
Description
技术领域
本发明涉及盾构技术领域，具体涉及一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法。
背景技术
近年来全国各城市轨道交通建设迅猛发展。盾构法具有施工安全性高、掘进速度快、不影响周围环境等优势，成为隧道施工普遍采用的施工方法。
隧道作为地下结构，隧道围岩所特有的天然性和隐蔽性，使隧道围岩地层的地质条件成为盾构施工安全和效率的决定性因素。尤其在地质环境复杂的隧道地区，围岩复合地层沿线变化多样，对盾构掘进的适应性提出很大困难。因此非常有必要针对围岩复合地层组段类别进行合理划分。
在已有隧道地层组段分类方法中，多采用工程经验法。中国专利201410397082.8考虑盾构隧道穿越土层等级设定盾构隧道一级组段6个；在此基础上按照盾构施工环境的组合安全风险级别对每个一级组段划分3个等级，共18个组段。对任何一个盾构区间隧道，都是由18个隧道组段中的一种或几种组段组合而成。然而，对于隧道处于含风化程度不同的岩层、软黏土层、饱和砂砾土层等软硬不同地层，且地下水丰富的复合地层围岩区域，地层特征非常丰富，难以确定合理的固定的类别数目。可见，该方法采用的地层组段类别数量及其分类特征依据，无法满足盾构施工实践要求；此外，地层组段的分类过程易受人为因素影响，有一定主观性，不利于方法的推广。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法，解决了目前无法满足盾构施工实践要求以及地层组段的分类过程易受人为因素影响、有一定主观性、不利于方法的推广的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种盾构隧道复合地层组段实施系统，包括：盾构隧道数据输入模块、盾构隧道数据预处理模块、隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块、盾构隧道复合地层组段分类输出模块以及盾构隧道复合地层组段分类应用模块，
所述盾构隧道数据输入模块，用于获取包括隧道线路概况、地层地质特征、盾构掘进参数以及施工监测数据的盾构隧道数据，输入盾构隧道数据并存储至历史数据库；
所述盾构隧道数据预处理模块，用于判断历史数据库中的盾构隧道数据是否正常，并对历史数据库中的正常的盾构隧道数据进行数据特征提取以及数据规范预处理；
所述隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块，用于通过算法分析经过盾构隧道数据预处理模块处理的盾构隧道数据从而获得盾构隧道复合地层组段划分的组段类别数据库以及掘进参数数据库；
所述盾构隧道复合地层组段分类输出模块，用于通过人机交互界面输出盾构隧道复合地层组段的类别的类别总数目、各组段类别编号、地层特征以及各类别地层组段相适应的掘进参数建议值；
所述盾构隧道复合地层组段分类应用模块，用于将盾构隧道复合地层组段应用到盾构掘进工程实践施工作业或增加新的地层类别至隧道复合地层组段。
其中，所述盾构隧道数据包括线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造；
所述盾构隧道数据预处理模块包括：
复合地层围岩特征属性的数据预处理模块，用于依据线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造等，进行盾构隧道复合地层组段初始编号；
盾构掘进参数的数据预处理模块，用于判断盾构隧道数据是否正常，并选择正常状态的盾构隧道数据进行后续分析，设置盾构掘进参数不同组合，对盾构隧道数据进行规范化预处理。
其中，所述复合地层围岩特征属性的数据预处理模块包括：
隧道剖面复合地层分类编号单元，用于考虑隧道剖面范围内地层的岩土层、岩石层以及土层的几何特征因素；所述岩土分布几何特征因素包括：岩土层种类、数量、层厚和相对分布；所述岩石层的几何特征因素包括：成因类别、工程分类、坚硬程度、风化程度等；所述土层的几何特征因素包括：土层类别、性质和厚度等；其中至少有两项存在较大差异即赋予不同编号；
隧道洞顶覆盖土层分类编号单元用于考虑覆盖土层厚度、物理力学性质及其对土体在隧道上方形成拱效应的不同影响程度；
水文地质条件分类编号单元，用于考虑隧道洞顶距离地下水位深度以及地下水埋藏类别地下水风险因素；
地质构造分类编号单元，用于考虑隧道周围地层有无不良地质现象，所述不良地质现象包括断层破碎带以及溶洞；
盾构隧道复合地层组段类别初始编号单元，用于考虑隧道洞顶覆盖土层分类编号单元、水文地质条件分类编号单元以及地质构造分类编号单元四项特征属性对盾构隧道复合地层进行分类编号；其中，只要有一项特征属性不同即赋予不同类别编号，将隧道沿线地层赋予此组段初始编号类别，构成隧道地层初始分类数据集Set-0。
其中，所述盾构掘进参数的数据预处理模块包括：
盾构掘进状态评价单元，用于从历史数据库中提取盾构掘进参数数据，判断盾构掘进状况是否正常，若盾构掘进状况正常，则提取盾构隧道数据进行预处理，所述盾构掘进参数数据包括盾构姿态参数、地表沉降数据以及施工工况；
盾构刀盘推进系统参数组合单元，用于从历史数据库提取刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度数据，构成盾构推进系统数据集Set-1；
盾构土压力系统参数组合单元，用于从历史数据库提取盾构土压力系统参数数据，构成盾构土压力系统数据集Set-2，所述盾构土压力系统参数数据包括土仓压力、土仓压力、土仓压力、注浆压力以及螺旋机转速；
盾构掘进数据预处理过程单元，用于从历史数据库提取盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据，进行数据清理、转换和归约处理。
本发明还公开了一种盾构隧道复合地层组段实施方法，包括以下步骤：
a.获取包括隧道线路概况、地层地质特征、盾构掘进参数以及施工监测数据的盾构隧道数据，输入盾构隧道数据并存储至历史数据库；
b.判断盾构隧道数据是否正常，并对历史数据库中的正常的盾构隧道数据进行数据特征提取以及数据规范预处理；
c.通过算法分析经过数据特征提取以及数据规范预处理的盾构隧道数据从而获得盾构隧道复合地层组段划分的组段类别数据库以及掘进参数数据库；
d.通过人机交互界面输出盾构隧道复合地层组段的类别的类别总数目、各组段类别编号、地层特征以及各类别地层组段相适应的掘进参数建议值；
e.将盾构隧道复合地层组段应用到盾构掘进工程实践施工作业或增加新的地层类别至隧道复合地层组段。
其中，所述步骤b包括：
b1.依据线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造等，进行盾构隧道复合地层组段的初始编号；
b2.判断盾构隧道数据是否正常，并选择正常状态的盾构隧道数据进行后续分析，设置盾构掘进参数不同组合，对盾构隧道数据进行规范化预处理。
其中，所述步骤b1包括：
b11.考虑隧道剖面范围内地层的岩土层、岩石层以及土层的几何特征因素；所述岩土分布几何特征因素包括：岩土层种类、数量、层厚和相对分布；所述岩石层的几何特征因素包括：成因类别、工程分类、坚硬程度、风化程度等；所述土层的几何特征因素包括：土层类别、性质和厚度等；其中至少有两项存在较大差异即赋予不同编号；
b12.考虑覆盖土层厚度、物理力学性质及其对土体在隧道上方形成拱效应的不同影响程度；
b13.考虑隧道洞顶距离地下水位深度以及地下水埋藏类别地下水风险因素；
b14.考虑隧道周围地层有无不良地质现象，所述不良地质现象包括断层破碎带以及溶洞；
b15.考虑b11、b12、b13以及b14中四项特征属性对盾构隧道复合地层进行分类编号；其中，只要有一项特征属性不同即赋予不同类别编号，将隧道沿线地层赋予此组段初始编号类别，构成隧道地层初始分类数据集Set-0。
其中，所述步骤b2包括：
b21.从历史数据库中提取盾构掘进参数数据，判断盾构掘进状况是否正常，若盾构掘进状况正常，则提取盾构隧道数据进行预处理，所述盾构掘进参数数据包括盾构姿态参数、地表沉降数据以及施工工况；
b22.从历史数据库提取刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度数据，构成盾构推进系统数据集Set-1；
b23.从历史数据库提取盾构土压力系统参数数据，构成盾构土压力系统数据集Set-2，所述盾构土压力系统参数数据包括下土仓压力、左土仓压力、右土仓压力、注浆压力以及螺旋机转速；
b24.从历史数据库提取盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据，进行数据清理、转换和归约处理。
其中，所述步骤c包括：
c1.分别采用盾构推进系统数据集Set-1和盾构土压力系统数据集Set-2进行聚类算法分析，根据离散系数确定合理的聚类个数，选择聚类个数的较大值作为复合地层组段分类体系的类别总数目CSF-max；
c2.选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，与隧道地层初始分类数据集Set-0组合进行聚类算法分析，聚类个数设定为复合地层组段分类体系的类别总数目CSF-max，将聚类算法的分类号作为地层组段正式编号的顺序号；依据聚类分析结果，将隧道地层分类数据集地层组段类别的初始编号更新为相对应的正式编号，依据地层组段类别正式编号的类别总数、顺序编号及其相应隧道地质地层特征，构成盾构隧道复合地层组段分类体系，建立知识库KB-0；
c3.分别选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，与复合地层组段分类数据组合，采用分类算法，获得与地层组段类别相适应的单个掘进参数的建议取值范围，确定盾构隧道复合地层组段类别相应的掘进参数建议值，并建立知识库KB-1；
c4.分别选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，考虑掘进参数间多维关联性，采用关联规则推荐算法，获得与地层组段类别相适应的多维掘进参数推荐模型，建立盾构隧道复合地层组段类别相适应的掘进参数模型，并建立知识库KB-2。
其中，所述步骤e包括：
e1.依据原有勘察地质资料，结合步骤c2，查询知识库KB-0确定盾构掘进位置的地层组段分类编号；依据组段编号，查询知识库KB-1和知识库KB-2，选择输出掘进参数建议值，指导掘进施工；
e2.若掘进施工状态正常进行，说明盾构开挖面地层特征与原有勘察资料一致，属于地层组段分类系统已有类别；若掘进施工状态出现异常，说明开挖面出现新的地层特征，需要增补地层组段的新类别，则依据现场工程经验，将盾构掘进状态恢复正常，然后依据隧道施工地质预报资料确定地层特征，增补新编号加入复合地层组段分类体系，从而更新复合地层组段分类体系。
本发明的有益效果：
解决了目前无法满足盾构施工实践要求以及地层组段的分类过程易受人为因素影响、有一定主观性、不利于方法的推广的问题：本发明一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法，可以实现对盾构隧道复合地层组段的自动分类；同时采用数据挖掘算法获取适应地层组段类别的盾构掘进参数建议取值，从而实现盾构掘进施工技术的系统优化。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的工作流程图。
附图标记
盾构隧道数据输入模块--S1，盾构隧道数据预处理模块--S2，隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块--S3，盾构隧道复合地层组段分类输出模块--S4，以及盾构隧道复合地层组段分类应用模块--S5。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本说明书附图所绘示的结构，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰或调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
如图1所示，一种盾构隧道复合地层组段实施系统，包括：盾构隧道数据输入模块S1、盾构隧道数据预处理模块S2、隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块S3、盾构隧道复合地层组段分类输出模块S4以及盾构隧道复合地层组段分类应用模块S5，
所述盾构隧道数据输入模块S1，用于获取包括隧道线路概况、地层地质特征、盾构掘进参数以及施工监测数据的盾构隧道数据，输入盾构隧道数据并存储至历史数据库；
所述盾构隧道数据预处理模块S2，用于判断历史数据库中的盾构隧道数据是否正常，并对历史数据库中的正常的盾构隧道数据进行数据特征提取以及数据规范预处理；
所述隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块S3，用于通过算法分析经过盾构隧道数据预处理模块S2处理的盾构隧道数据从而获得盾构隧道复合地层组段划分的组段类别数据库以及掘进参数数据库；
所述盾构隧道复合地层组段分类输出模块S4，用于通过人机交互界面输出盾构隧道复合地层组段的类别的类别总数目、各组段类别编号、地层特征以及各类别地层组段相适应的掘进参数建议值；
所述盾构隧道复合地层组段分类应用模块S5，用于将盾构隧道复合地层组段应用到盾构掘进工程实践施工作业或增加新的地层类别至隧道复合地层组段。
具体的，所述盾构隧道数据包括线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造；
所述盾构隧道数据预处理模块S2包括：
复合地层围岩特征属性的数据预处理模块，用于依据线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造等，进行盾构隧道复合地层组段初始编号；
盾构掘进参数的数据预处理模块，用于判断盾构隧道数据是否正常，并选择正常状态的盾构隧道数据进行后续分析，设置盾构掘进参数不同组合，对盾构隧道数据进行规范化预处理。
具体的，所述复合地层围岩特征属性的数据预处理模块包括：
隧道剖面复合地层分类编号单元，用于考虑隧道剖面范围内地层的岩土层、岩石层以及土层的几何特征因素；所述岩土分布几何特征因素包括：岩土层种类、数量、层厚和相对分布；所述岩石层的几何特征因素包括：成因类别、工程分类、坚硬程度、风化程度等；所述土层的几何特征因素包括：土层类别、性质和厚度等；其中至少有两项存在较大差异即赋予不同编号；
隧道洞顶覆盖土层分类编号单元，用于考虑覆盖土层厚度、物理力学性质及其对土体在隧道上方形成拱效应的不同影响程度；
水文地质条件分类编号单元，用于考虑隧道洞顶距离地下水位深度以及地下水埋藏类别地下水风险因素；
地质构造分类编号单元，用于考虑隧道周围地层有无不良地质现象，所述不良地质现象包括断层破碎带以及溶洞；
盾构隧道复合地层组段类别初始编号单元，用于考虑隧道洞顶覆盖土层分类编号单元、水文地质条件分类编号单元以及地质构造分类编号单元四项特征属性对盾构隧道复合地层进行分类编号；其中，只要有一项特征属性不同即赋予不同类别编号，将隧道沿线地层赋予此组段初始编号类别，构成隧道地层初始分类数据集Set-0。
具体的，所述盾构掘进参数的数据预处理模块包括：
盾构掘进状态评价单元，用于从历史数据库中提取盾构掘进参数数据，判断盾构掘进状况是否正常，若盾构掘进状况正常，则提取盾构隧道数据进行预处理，所述盾构掘进参数数据包括盾构姿态参数、地表沉降数据以及施工工况；
盾构刀盘推进系统参数组合单元，用于从历史数据库提取刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度数据，构成盾构推进系统数据集Set-1；
盾构土压力系统参数组合单元，用于从历史数据库提取盾构土压力系统参数数据，构成盾构土压力系统数据集Set-2，所述盾构土压力系统参数数据包括下土仓压力、左土仓压力、右土仓压力、注浆压力以及螺旋机转速；
盾构掘进数据预处理过程单元，用于从历史数据库提取盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据，进行数据清理、转换和归约处理。
如图2所示，本实施例还提供了一种盾构隧道复合地层组段实施方法，该方法包括以下步骤：
a.获取包括隧道线路概况、地层地质特征、盾构掘进参数以及施工监测数据的盾构隧道数据，输入盾构隧道数据并存储至历史数据库；
b.判断盾构隧道数据是否正常，并对历史数据库中的正常的盾构隧道数据进行数据特征提取以及数据规范预处理；
c.通过算法分析经过数据特征提取以及数据规范预处理的盾构隧道数据从而获得盾构隧道复合地层组段划分的组段类别数据库以及掘进参数数据库；
d.通过人机交互界面输出盾构隧道复合地层组段的类别的类别总数目、各组段类别编号、地层特征以及各类别地层组段相适应的掘进参数建议值；
e.将盾构隧道复合地层组段应用到盾构掘进工程实践施工作业或增加新的地层类别至隧道复合地层组段。
具体的，所述步骤b包括：
b1.依据线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造等，进行盾构隧道复合地层组段的初始编号；
b2.判断盾构隧道数据是否正常，并选择正常状态的盾构隧道数据进行后续分析，设置盾构掘进参数不同组合，对盾构隧道数据进行规范化预处理。
具体的，所述步骤b1包括：
b11.考虑隧道剖面范围内地层的岩土层、岩石层以及土层的几何特征因素；所述岩土分布几何特征因素包括：岩土层种类、数量、层厚和相对分布；所述岩石层的几何特征因素包括：成因类别、工程分类、坚硬程度、风化程度等；所述土层的几何特征因素包括：土层类别、性质和厚度等；其中至少有两项存在较大差异即赋予不同编号；
b12.考虑覆盖土层厚度、物理力学性质及其对土体在隧道上方形成拱效应的不同影响程度；
b13.考虑隧道洞顶距离地下水位深度以及地下水埋藏类别地下水风险因素；
b14.考虑隧道周围地层有无不良地质现象，所述不良地质现象包括断层破碎带以及溶洞，例如，有断层破碎带则分类编号为Bgeo-1，无则为Bgeo-0；
b15.考虑b11、b12、b13以及b14中四项特征属性对盾构隧道复合地层进行分类编号；其中，只要有一项特征属性不同即赋予不同类别编号，将隧道沿线地层赋予此组段初始编号类别，构成隧道地层初始分类数据集Set-0，例如，CSF-1,CSF-2,…,CSF-ns。其中，ns≤N，N为研究线路段管片总环数。
具体的，所述步骤b2包括：
b21.从历史数据库中提取盾构掘进参数数据，判断盾构掘进状况是否正常，若盾构掘进状况正常，则提取盾构隧道数据进行预处理，所述盾构掘进参数数据包括盾构姿态参数、地表沉降数据以及施工工况；
b22.从历史数据库提取刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度数据，构成盾构推进系统数据集Set-1；
b23.从历史数据库提取盾构土压力系统参数数据，构成盾构土压力系统数据集Set-2，所述盾构土压力系统参数数据包括下土仓压力、左土仓压力、右土仓压力、注浆压力以及螺旋机转速；
b24.从历史数据库提取盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据，进行数据清理、转换和归约处理。数据清理主要包括对源数据采用插值法填充缺失值；根据盾构施工技术实践经验判断，剔除变异值；数据转换主要包括对数据规范化处理，构建新特征属性，把原始数据转换成为适合进行数据挖掘的形式；数据归约主要包括对于数值型参数进行离散化与概念分层处理，采用自然划分的3-4-5规则。
具体的，所述步骤c包括：
c1.分别采用盾构推进系统数据集Set-1和盾构土压力系统数据集Set-2进行聚类算法分析，根据离散系数确定合理的聚类个数，选择聚类个数的较大值作为复合地层组段分类体系的类别总数目CSF-max；例如，从数据集Set-1提取盾构推进系统数据：数据刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度4项掘进参数的数值型数据，采用Excel数据挖掘平台聚类算法分析；聚类个数设定为Ncluster-1个类群，数目不小于线路地层组段类别CSF-ns；应用聚类算法产生结果，依次分析每1个类群，判断Set-1中4项掘进参数的离散系数是否大于相应参数总体(全部)的离散系数值；至少有一项参数符合该条件，则说明该类群的离散性大，Ncluster-1减1(类群个数)，如四项参数都不符合，Ncluster-1不变；聚类个数设定为Ncluster-2个类群，数目不小于CSF-ns，聚类算法结果处理，依次分析每1个类群，5项掘进参数的离散系数是否大于相应参数总体(全部)的离散系数值，至少有一项参数符合该条件，则说明该类群的离散性大，Ncluster-2减1(类群个数)；如四项参数都不符合，Ncluster-2不变；最后，复合地层组段类别总数CSF-max即为聚类分析结果中的Ncluster-1和Ncluster-2中较大值；
c2.选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，与隧道地层初始分类数据集Set-0组合进行聚类算法分析，聚类个数设定为复合地层组段分类体系的类别总数目CSF-max，将聚类算法的分类号作为地层组段正式编号的顺序号；依据聚类分析结果，将隧道地层分类数据集地层组段类别的初始编号更新为相对应的正式编号，依据地层组段类别正式编号的类别总数、顺序编号及其相应隧道地质地层特征，构成盾构隧道复合地层组段分类体系，建立知识库KB-0；聚类个数设定为CSF-max，数据为离散化格式，因此聚类算法的分类号，即可作为地层组段正式编号的顺序号，CSF-i,i＝1,2,…,CSF-max，依据聚类分析结果，对每一类组段，如初始编号CSF-i,1≤i≤ns，选择占比最大值对应的分类号即为该组段重新赋值的正式编号，CSS-j，1≤j≤CSF-max；
c3.分别选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，与复合地层组段分类数据组合，采用贝叶斯分类算法，获得与地层组段类别相适应的单个掘进参数的建议取值范围，确定盾构隧道复合地层组段类别相应的掘进参数建议值，并建立知识库KB-1；
c4.分别选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，考虑掘进参数间多维关联性，采用关联规则推荐算法，获得与地层组段类别相适应的多维掘进参数推荐模型，建立盾构隧道复合地层组段类别相适应的掘进参数模型，并建立知识库KB-2；例如，选择数据集Set-1，采用关联算法分析，置信度大于0.9，支持度高于0.1，可得到每类地层组段CSS-j，1≤j≤CSF-max，与4项推力系统掘进参数的多维推荐模型，模型数量通常大于1，置信度越高，模型质量越优；同样，选择数据集Set-2,可得到每类地层组段与5项土压力系统掘进参数的多维推荐模型。
具体的，所述步骤e包括：
e1.依据原有勘察地质资料，结合步骤c2，查询知识库KB-0确定盾构掘进位置的地层组段分类编号；依据组段编号，查询知识库KB-1和知识库KB-2，选择输出掘进参数建议值，指导掘进施工；
e2.若掘进施工状态正常进行，说明盾构开挖面地层特征与原有勘察资料一致，属于地层组段分类系统已有类别；若掘进施工状态出现异常，说明开挖面出现新的地层特征，需要增补地层组段的新类别，则依据现场工程经验，将盾构掘进状态恢复正常，然后依据隧道施工地质预报资料确定地层特征，增补新编号加入复合地层组段分类体系，从而更新复合地层组段分类体系。
综上，本实施例的一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法，具有以下效果：
解决了目前无法满足盾构施工实践要求以及地层组段的分类过程易受人为因素影响、有一定主观性、不利于方法的推广的问题：本发明一种盾构隧道复合地层组段实施系统及实施方法，可以实现对盾构隧道复合地层组段的自动分类；同时采用数据挖掘算法获取适应地层组段类别的盾构掘进参数建议取值，从而实现盾构掘进施工技术的系统优化。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种盾构隧道复合地层组段实施系统，其特征在于：包括：盾构隧道数据输入模块(S1)、盾构隧道数据预处理模块(S2)、隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块(S3)、盾构隧道复合地层组段分类输出模块(S4)以及盾构隧道复合地层组段分类应用模块(S5)，
所述盾构隧道数据输入模块(S1)，用于获取包括隧道线路概况、地层地质特征、盾构掘进参数以及施工监测数据的盾构隧道数据，输入盾构隧道数据并存储至历史数据库；
所述盾构隧道数据预处理模块(S2)，用于判断历史数据库中的盾构隧道数据是否正常，并对历史数据库中的正常的盾构隧道数据进行数据特征提取以及数据规范预处理；
所述隧道复合地层组段划分与盾构掘进参数算法分析模块(S3)，用于通过算法分析经过盾构隧道数据预处理模块(S2)处理的盾构隧道数据从而获得盾构隧道复合地层组段划分的组段类别数据库以及掘进参数数据库；
所述盾构隧道复合地层组段分类输出模块(S4)，用于通过人机交互界面输出盾构隧道复合地层组段的类别总数目、各组段类别编号、地层特征以及各类别地层组段相适应的掘进参数建议值；
所述盾构隧道复合地层组段分类应用模块(S5)，用于将盾构隧道复合地层组段应用到盾构掘进工程实践施工作业或增加新的地层类别至隧道复合地层组段。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道复合地层组段实施系统，其特征在于：所述盾构隧道数据包括线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造；
所述盾构隧道数据预处理模块(S2)包括：
复合地层围岩特征属性的数据预处理模块，用于依据线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造，进行盾构隧道复合地层组段初始编号；
盾构掘进参数的数据预处理模块，用于判断盾构隧道数据是否正常，并选择正常状态的盾构隧道数据进行后续分析，设置盾构掘进参数不同组合，对盾构隧道数据进行规范化预处理。
3.根据权利要求2所述的一种盾构隧道复合地层组段实施系统，其特征在于：所述复合地层围岩特征属性的数据预处理模块包括：
隧道剖面复合地层分类编号单元，用于考虑隧道剖面范围内地层的岩土层、岩石层以及土层的几何特征因素；所述岩土分布几何特征因素包括：岩土层种类、数量、层厚和相对分布；所述岩石层的几何特征因素包括：成因类别、工程分类、坚硬程度、风化程度；所述土层的几何特征因素包括：土层类别、性质和厚度等；其中至少有两项存在较大差异即赋予不同编号；
隧道洞顶覆盖土层分类编号单元，用于考虑覆盖土层厚度、物理力学性质及其对土体在隧道上方形成拱效应的不同影响程度；
水文地质条件分类编号单元，用于考虑隧道洞顶距离地下水位深度以及地下水埋藏类别地下水风险因素；
地质构造分类编号单元，用于考虑隧道周围地层有无不良地质现象，所述不良地质现象包括断层破碎带以及溶洞；
盾构隧道复合地层组段类别初始编号单元，用于考虑隧道洞顶覆盖土层分类编号单元、水文地质条件分类编号单元以及地质构造分类编号单元四项特征属性对盾构隧道复合地层进行分类编号；其中，只要有一项特征属性不同即赋予不同类别编号，将隧道沿线地层赋予此组段初始编号类别，构成隧道地层初始分类数据集Set-0。
4.根据权利要求2所述的一种盾构隧道复合地层组段实施系统，其特征在于：所述盾构掘进参数的数据预处理模块包括：
盾构掘进状态评价单元，用于从历史数据库中提取盾构掘进参数数据，判断盾构掘进状况是否正常，若盾构掘进状况正常，则提取盾构隧道数据进行预处理，所述盾构掘进参数数据包括盾构姿态参数、地表沉降数据以及施工工况；
盾构刀盘推进系统参数组合单元，用于从历史数据库提取刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度数据，构成盾构推进系统数据集Set-1；
盾构土压力系统参数组合单元，用于从历史数据库提取盾构土压力系统参数数据，构成盾构土压力系统数据集Set-2，所述盾构土压力系统参数数据包括下土仓压力、左土仓压力、右土仓压力注浆压力以及螺旋机转速；
盾构掘进数据预处理过程单元，用于从历史数据库提取盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据，进行数据清理、转换和归约处理。
5.一种盾构隧道复合地层组段实施方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.获取包括隧道线路概况、地层地质特征、盾构掘进参数以及施工监测数据的盾构隧道数据，输入盾构隧道数据并存储至历史数据库；
b.判断盾构隧道数据是否正常，并对历史数据库中的正常的盾构隧道数据进行数据特征提取以及数据规范预处理；
c.通过算法分析经过数据特征提取以及数据规范预处理的盾构隧道数据从而获得盾构隧道复合地层组段划分的组段类别数据库以及掘进参数数据库；
d.通过人机交互界面输出盾构隧道复合地层组段的类别的类别总数目、各组段类别编号、地层特征以及各类别地层组段相适应的掘进参数建议值；
e.将盾构隧道复合地层组段应用到盾构掘进工程实践施工作业或增加新的地层类别至隧道复合地层组段。
6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道复合地层组段实施方法，其特征在于：所述步骤b包括：
b1.依据线路工程地质特征、岩土层物理力学性质、地下水性质以及地质构造等，进行盾构隧道复合地层组段的初始编号；
b2.判断盾构隧道数据是否正常，并选择正常状态的盾构隧道数据进行后续分析，设置盾构掘进参数不同组合，对盾构隧道数据进行规范化预处理。
7.根据权利要求6所述的一种盾构隧道复合地层组段实施方法，其特征在于：所述步骤b1包括：
b11.考虑隧道剖面范围内地层的岩土层、岩石层以及土层的几何特征因素；所述岩土分布几何特征因素包括：岩土层种类、数量、层厚和相对分布；所述岩石层的几何特征因素包括：成因类别、工程分类、坚硬程度、风化程度等；所述土层的几何特征因素包括：土层类别、性质和厚度等；其中至少有两项存在较大差异即赋予不同编号；
b12.考虑覆盖土层厚度、物理力学性质及其对土体在隧道上方形成拱效应的不同影响程度；
b13.考虑隧道洞顶距离地下水位深度以及地下水埋藏类别地下水风险因素；
b14.考虑隧道周围地层有无不良地质现象，所述不良地质现象包括断层破碎带以及溶洞；
b15.考虑b11、b12、b13以及b14中四项特征属性对盾构隧道复合地层进行分类编号；其中，只要有一项特征属性不同即赋予不同类别编号，将隧道沿线地层赋予此组段初始编号类别，构成隧道地层初始分类数据集Set-0。
8.根据权利要求6所述的一种盾构隧道复合地层组段实施方法，其特征在于：所述步骤b2包括：
b21.从历史数据库中提取盾构掘进参数数据，判断盾构掘进状况是否正常，若盾构掘进状况正常，则提取盾构隧道数据进行预处理，所述盾构掘进参数数据包括盾构姿态参数、地表沉降数据以及施工工况；
b22.从历史数据库提取刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力和推进速度数据，构成盾构推进系统数据集Set-1；
b23.从历史数据库提取盾构土压力系统参数数据，构成盾构土压力系统数据集Set-2，所述盾构土压力系统参数数据包括下土仓压力、左土仓压力、右土仓压力、注浆压力以及螺旋机转速；
b24.从历史数据库提取盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据，进行数据清理、转换和归约处理。
9.根据权利要求8所述的一种盾构隧道复合地层组段实施方法，其特征在于：所述步骤c包括：
c1.分别采用盾构推进系统数据集Set-1和盾构土压力系统数据集Set-2进行聚类算法分析，根据离散系数确定合理的聚类个数，选择聚类个数的较大值作为复合地层组段分类体系的类别总数目CSF-max；
c2.选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，与隧道地层初始分类数据集Set-0组合进行聚类算法分析，聚类个数设定为复合地层组段分类体系的类别总数目CSF-max，将聚类算法的分类号作为地层组段正式编号的顺序号；依据聚类分析结果，将隧道地层分类数据集地层组段类别的初始编号更新为相对应的正式编号，依据地层组段类别正式编号的类别总数、顺序编号及其相应隧道地质地层特征，构成盾构隧道复合地层组段分类体系，建立知识库KB-0；
c3.分别选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，与复合地层组段分类数据组合，采用分类算法，获得与地层组段类别相适应的单个掘进参数的建议取值范围，确定盾构隧道复合地层组段类别相应的掘进参数建议值，并建立知识库KB-1；
c4.分别选择盾构掘进参数数据和盾构土压力系统参数数据的离散化数据集，考虑掘进参数间多维关联性，采用关联规则推荐算法，获得与地层组段类别相适应的多维掘进参数推荐模型，建立盾构隧道复合地层组段类别相适应的掘进参数模型，并建立知识库KB-2。
10.根据权利要求9所述的一种盾构隧道复合地层组段实施方法，其特征在于：所述步骤e包括：
e1.依据原有勘察地质资料，结合步骤c2，查询知识库KB-0确定盾构掘进位置的地层组段分类编号；依据组段编号，查询知识库KB-1和知识库KB-2，选择输出掘进参数建议值，指导掘进施工；
e2.若掘进施工状态正常进行，说明盾构开挖面地层特征与原有勘察资料一致，属于地层组段实施系统已有类别；若掘进施工状态出现异常，说明开挖面出现新的地层特征，需要增补地层组段的新类别，则依据现场工程经验，将盾构掘进状态恢复正常，然后依据隧道施工地质预报资料确定地层特征，增补新编号加入复合地层组段分类体系，从而更新复合地层组段分类体系。
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