CN115826080A - 一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法 - Google Patents

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CN115826080A CN202211512313.6A CN202211512313A CN115826080A CN 115826080 A CN115826080 A CN 115826080A CN 202211512313 A CN202211512313 A CN 202211512313A CN 115826080 A CN115826080 A CN 115826080A
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乔国华
沈水龙
张楠
卫海梁
李诗诗
阮经仟
王磊
王念
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Guangdong Pearl River Delta Intercity Rail Transit Co ltd
Shantou University
Beijing Rail Transit Engineering Construction Co Ltd of China Railway 16th Bureau Group Co Ltd
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Guangdong Pearl River Delta Intercity Rail Transit Co ltd
Shantou University
Beijing Rail Transit Engineering Construction Co Ltd of China Railway 16th Bureau Group Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，包括：确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩；基于所述每环的比推力与比扭矩，对盾构掘进地层进行分类；根据获得的地层类别，确定地层类别判断参数集；对所述地层类别判断参数集进行预处理；基于预处理后的地层类别判断参数集建立随机森林模型，并确定模型参数；利用优化过后的随机森林模型确定盾构地层类别。本发明基于随机森林模型，采用比推力和比扭矩反映盾构掘进过程中地层变化对盾构施工的影响，结合盾构操作参数和地质参数对盾构地层进行判断，有利于辅助现场盾构操作人员判断盾构掘进过程中地层变化。本发明实用性强，对地层类别判断的准确性高，具有很大的应用和推广价值。

Description

一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法
技术领域
本发明属于隧道施工领域，具体地，涉及一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法。
背景技术
盾构法是隧道开挖中进行岩土体不断被移除和支护过程的方法，地质条件是影响盾构掘进的重要因素，地质条件变化往往导致盾构施工参数的变化及施工辅助方法的改变。因此，需要对盾构施工过程中地层变化情况进行判断，从而及时调整施工参数，提前准备有效施工措施。不良地质中盾构施工具有环境条件复杂和施工安全风险高等特点。花岗岩由于风化程度存在差异，导致盾构开挖面存在不同风化程度花岗岩组成的复合地层，往往造成施工参数恶化，严重影响正常盾构施工。
钟长平等在《现代隧道技术》发表的《花岗岩风化地层中盾构施工风险和对策研究》中指出，花岗岩风化地层中造成盾构施工风险的开挖断面主要包含：易结“泥饼”地层、含“孤石”地层、“上软下硬”地层、“硬岩”地层和富水地层五类。当前盾构施工中地层判断主要依靠地质钻孔数据，然而，盾构掘进过程中无法同步的在掘进方向前方进行钻孔试验，由于钻孔数据离散性强且分布间隔大，往往与实际地质情况存在差异。由此可见，急需一种盾构掘进过程中地层类别的确定方法。
经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为CN201911202061.5，公开号为CN111123351A，专利名称为盾构施工超前预报系统及方法，该专利自述为：“利用激振装置冲击围岩，激振装置产生的振动作为隧道地质预报震源，检波装置接收经地层反射回来的反射波信号并通讯传输到数据处理终端，数据处理终端对反射波信号进行分析，从而判断前方地质情况，以实现超前预报。”该专利所提出的地质预报方法需要安装激振装置从而进行激振点和检波点设置，当现场施工条件不利于设备安装时，该方法无法有效检测施工中地层的震动情况。针对花岗岩复合地层，不同风化程度花岗岩产生的地层震动反射波信号仅存在细微差别，难以对地层变化情况进行准确判断。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法。
根据本发明的一个方面，提供一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，包括：
确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩；
基于所述每环的比推力与比扭矩，对盾构掘进地层进行分类；
根据获得的地层类别，确定地层类别判断参数集；
对所述地层类别判断参数集进行预处理；
基于预处理后的地层类别判断参数集建立随机森林模型，并确定模型参数；利用优化过后的随机森林模型确定盾构地层类别。
优选地，所述确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩，包括：
所述比推力是指盾构机推进单位距离所需液压系统推力，所述比推力大小等于盾构总推力与贯入度的商；
所述比扭矩是指盾构机刀盘穿透单位距离土体所需扭矩，所述比扭矩大小等于刀盘扭矩除以滚刀平均安装半径与盾构机总推力的积的商。
优选地，所述地层类别，包括均质软岩地层、均质硬岩地层、软硬不均偏硬地层及软硬不均偏软地层。
优选地，基于所述每环的比推力与比扭矩，对盾构掘进地层进行分类，包括：
分别计算盾构掘进过程中每环的比扭矩和比推力的平均值；
基于所述平均值确定每环所属的地层类别。
优选地，每环的比扭矩和比推力小于各自对应均值，分类为均质软岩地层；
每环的比扭矩和比推力大于各自对应均值，分类为均质硬岩地层；
每环的比扭矩小于均值而比推力大于均值，分类为软硬不均偏硬地层；
每环的比扭矩大于均值而比推力小于均值，分类为软硬不均偏软地层。
优选地，所述地层类别判断参数集，包括比扭矩、比推力、盾构掘进参数及地质参数；
其中，所述盾构掘进参数包括贯入度、土压力、螺旋机转速及螺旋机转矩；
其中，所述地质参数包括土体密度、侧压力系数、基底摩擦系数及内摩擦角。
优选地，所述地质参数获得方法，包括：
当盾构掘进同一环内只包含一种土层时，取该环所在位置处实际地质参数作为最终结果；
当盾构掘进同一环内含有两种及两种以上土层时，根据开挖面各地层面积比重，取各地质参数的加权平均值作为该环地质参数的最终结果。
优选地，所述预处理为对所述地层类别判断参数集进行无量纲化归一化。
优选地，所述随机森林模型参数包括决策树最大深度、最大特征数量及最小叶节点样本量；
所述决策树最大深度为：
Figure BDA0003969776140000031
式中，D为决策树最大深度；n为地层类别判断参数集中参数的数量。
所述最大特征树数量为：
Figure BDA0003969776140000032
式中，F为最大特征树数量；
Figure BDA0003969776140000033
表示向下取整。
所述最小叶节点样本量为：
Figure BDA0003969776140000034
式中，max{}表示取括号中元素的最大值；
Figure BDA0003969776140000035
表示向上取整。
优选地，所述确定盾构地层类别是指将地层类别判断参数集代入刀优化后的随机森林模型中，得到盾构地层类别。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明实施例中的适用于风化花岗岩地层盾构施工的地层确定方法，基于随机森林模型，采用比推力和比扭矩反映盾构掘进过程中地层变化对盾构施工的影响，结合盾构操作参数和地质参数对盾构地层进行判断，有利于辅助现场盾构操作人员判断盾构掘进过程中地层变化，并对掘进参数及时进行调整，提高盾构机施工效率。
本发明实施例中的适用于风化花岗岩地层盾构施工的地层确定方法，实用性强，能够对地层类别进行准确判断，具备很大的应用和推广价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中适用于风化花岗岩地层盾构施工的地层确定方法流程图；
图2为本发明一优选实施例中适用于风化花岗岩地层盾构施工的地层确定方法详细流程图；
图3为本发明一优选实施例中盾构掘进地层分类结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一个实施例，一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，参见图1，包括：
S100，确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩；
S200，基于S100中每环的比推力与比扭矩，对盾构掘进地层进行分类；
S300，根据S200分类获得的地层类别，确定地层类别判断参数集；
S400，对S300的地层类别判断参数集进行预处理；
S500，基于S400中的预处理后的地层类别判断参数集建立随机森林模型，并确定模型参数；
S600，利用S500优化过后的随机森林模型确定盾构地层类别。
本实施例基于随机森林模型，采用比推力和比扭矩反映盾构掘进过程中地层变化对盾构施工的影响，结合盾构操作参数和地质参数对盾构地层进行判断，有利于辅助现场盾构操作人员判断盾构掘进过程中地层变化，对施工参数及时进行调整，有助于掘进效率的提高。
在本发明的一个优选实施例中，实施S100，参见图2，确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩。
比推力是指盾构机推进单位距离所需液压系统推力，通过下式确定：
Figure BDA0003969776140000041
式中，FS为比推力；F为盾构机总推力；Pv为贯入度。
比扭矩是指盾构机刀盘穿透单位距离土体所需扭矩，通过下式确定：
Figure BDA0003969776140000051
式中，M为刀盘扭矩；rm为滚刀平均安装半径。
在本发明的一个优选实施例中，实施S200，参见图2，对盾构掘进地层进行分类。
地层预分类是指将盾构机掘进过程中每一环的比推力与比扭矩数据进行分类并与不同地层类别相对应。其中，地层类别包括均质软岩地层、均质硬岩地层、软硬不均偏硬地层及软硬不均偏软地层。
地层类别确定方法包含以下两个步骤：
(1)分别计算盾构掘进过程中每环的比扭矩和比推力的平均值，计算公式如下：
Figure BDA0003969776140000052
式中，N为盾构掘进环数；
Figure BDA0003969776140000053
为比推力平均值；
Figure BDA0003969776140000054
为比扭矩平均值；FSi掘进第i环的比推力；TSi掘进第i环的比扭矩。
(2)分别确定均质软岩地层数据集、均质硬岩地层数据集、软硬不均偏硬地层数据集及软硬不均偏软地层数据集，作为随机森林模型的输入参数。
软岩地层数据集是指由比扭矩和比推力小于各自对应均值的数据集合。
硬岩地层数据集是指由比扭矩和比推力大于各自对应均值的数据集合。
软硬不均偏硬地层数据集是指由比扭矩小于均值而比推力大于均值的数据集合。
软硬不均偏软地层数据集是指由比扭矩大于均值而比推力小于均值的数据集合。
在本发明的一个优选实施例中，实施S300，参见图2，确定地层类别判断参数集。
地层类别判断参数集是指盾构施工过程中影响地层类别确定的数据样本。以环为单位，将盾构每环施工所采用的掘进参数平均值作为该环的最终结果。
地层类别判断参数集包括比扭矩、比推力、盾构掘进参数及地质参数。
盾构掘进参数包括贯入度、土压力、螺旋机转速及螺旋机转矩。
地质参数包括土体密度、侧压力系数、基底摩擦系数、内摩擦角。地质参数获取方式分为如下两种情况：
情况一：当盾构掘进同一环内只包含一种土层时，取该环所在位置处实际地质参数作为最终结果。
情况二：当盾构掘进同一环内含有两种及两种以上土层时，根据开挖面各地层面积比重，取各地质参数的加权平均值作为该环地质参数的最终结果。
在本发明的一个优选实施例中，实施S400，参见图2，将地层类别判断参数集进行归一化处理。归一化处理是指将地层类别判断参数集进行无量纲化处理，归一化公式如下式所示：
Figure BDA0003969776140000061
X为归一化处理后的数据样本；xmin和xmax分别为地层类别判断参数集中变量的最小和最大值；x为原数据样本。
在本发明的一个优选实施例中，实施S500，参见图2，建立随机森林模型，并确定模型参数。
建立随机森林模型是指利用地层类别判断参数集对随机森林模型进行训练。
本实施例中，上述模型参数包括决策树最大深度、最大特征树数量及最小叶节点样本量。
决策树最大深度通过下式确定：
Figure BDA0003969776140000062
式中，D为决策树最大深度；n为地层类别判断参数集中参数的数量。
最大特征树数量通过下式确定：
Figure BDA0003969776140000063
式中，F为最大特征树数量；
Figure BDA0003969776140000064
表示向下取整。
最小叶节点样本量通过下式确定
Figure BDA0003969776140000065
式中，max{}表示取括号中元素的最大值；
Figure BDA0003969776140000066
表示向上取整。
在本发明的一个优选实施例中，实施S600，参见图2，利用优化后的随机森林模型确定盾构地层类别。确定盾构地层类别是指将地层类别判断参数集代入刀优化后的随机森林模型中，得到盾构地层类别。本实施例结合盾构操作参数和地质参数对盾构地层进行判断，有利于辅助现场盾构操作人员判断盾构掘进过程中地层变化，及时调整施工参数，提高盾构机掘进效率，具有很大的应用和推广价值。
基于上述实施例，将其应用到具体实例中。以某城市某盾构隧道施工为例，土压平衡盾构机开挖直径为9.15m，刀盘半径4.5m，管片宽度为1.8m，内外径分别为8m和8.8m；滚刀平均安装半径取0.65倍刀盘半径，即2.9m。盾构隧道长度约686m，主要穿越风化花岗岩地层，风化程度由高到低依次为全风化、强风化及中风化。全风化和强风化花岗岩风化程度较高，可归类为软岩地层，中风化花岗岩风化程度最低，可归类为硬岩地层。盾构掘进过程中，受地层变化影响，盾构施工参数变化幅度大，传统地质勘察方法主要依靠地质钻孔数据，准确性较低，难以实现盾构掘进地层的准确判断。本实施例中，盾构掘进地层分类结果如图3所示；随机森林模型地层分类结果如表1所示。
表1地层类别确定结果统计表
Figure BDA0003969776140000071
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，包括：
确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩；
基于所述每环的比推力与比扭矩，对盾构掘进地层进行分类；
根据获得的地层类别，确定地层类别判断参数集；
对所述地层类别判断参数集进行预处理；
基于预处理后的地层类别判断参数集建立随机森林模型，并确定模型参数；利用优化过后的随机森林模型确定盾构地层类别。
2.根据权利要求1所述一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述确定盾构掘进每环的比推力与比扭矩，包括：
所述比推力是指盾构机推进单位距离所需液压系统推力，所述比推力大小等于盾构总推力与贯入度的商；
所述比扭矩是指盾构机刀盘穿透单位距离土体所需扭矩，所述比扭矩大小等于刀盘扭矩除以滚刀平均安装半径与盾构机总推力的积的商。
3.根据权利要求1所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述地层类别，包括均质软岩地层、均质硬岩地层、软硬不均偏硬地层及软硬不均偏软地层。
4.根据权利要求3所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，基于所述每环的比推力与比扭矩，对盾构掘进地层进行分类，包括：
分别计算盾构掘进过程中每环的比扭矩和比推力的平均值；
基于所述平均值确定每环所属的地层类别。
5.根据权利要求4所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，
每环的比扭矩和比推力小于各自对应均值，分类为均质软岩地层；
每环的比扭矩和比推力大于各自对应均值，分类为均质硬岩地层；
每环的比扭矩小于均值而比推力大于均值，分类为软硬不均偏硬地层；
每环的比扭矩大于均值而比推力小于均值，分类为软硬不均偏软地层。
6.根据权利要求1所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述地层类别判断参数集，包括比扭矩、比推力、盾构掘进参数及地质参数；
其中，所述盾构掘进参数包括贯入度、土压力、螺旋机转速及螺旋机转矩；
其中，所述地质参数包括土体密度、侧压力系数、基底摩擦系数及内摩擦角。
7.根据权利要求6所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述地质参数获得方法，包括：
当盾构掘进同一环内只包含一种土层时，取该环所在位置处实际地质参数作为最终结果；
当盾构掘进同一环内含有两种及两种以上土层时，根据开挖面各地层面积比重，取各地质参数的加权平均值作为该环地质参数的最终结果。
8.根据权利要求1所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述预处理为对所述地层类别判断参数集进行无量纲化归一化。
9.根据权利要求1所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述随机森林模型参数包括决策树最大深度、最大特征数量及最小叶节点样本量；
所述决策树最大深度为：
Figure FDA0003969776130000021
式中，D为决策树最大深度；n为地层类别判断参数集中参数的数量；
所述最大特征树数量为：
Figure FDA0003969776130000022
式中，F为最大特征树数量；
Figure FDA0003969776130000024
表示向下取整。
所述最小叶节点样本量为：
Figure FDA0003969776130000023
式中，max{}表示取括号中元素的最大值；
Figure FDA0003969776130000025
表示向上取整。
10.根据权利要求1所述的一种适用于风化花岗岩盾构施工的地层类别确定方法，其特征在于，所述确定盾构地层类别是指将地层类别判断参数集代入到优化后的随机森林模型中，得到盾构地层类别。
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CN116304843A (zh) * 2023-05-22 2023-06-23 湖南大学 基于振动响应实时识别盾构机前方地质条件的方法及系统

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