CN116484716A - 基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法及系统，属于隧道工程领域。其包括以下步骤：一、构建样本库，该样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态；二、基于深度学习构建掌子面围岩初始地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练；三、基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力；四、基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。本发明根据钻进过程中产生的钻进参数自动解析对应掌子面的初始地应力，可有效减少施工人员的投入，降低围岩初始地应力测试过程中潜在风险，指导了隧道智能建造。

Description

基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道智能施工技术领域，具体涉及一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法及系统。

背景技术

随着人工红利的逐渐消失，人口老龄化的问题日渐凸显，如何在高地应力和极高地应力地区实现隧道少人化、无人化施工是当今隧道建造的新主题。同时，随着隧道工程施工地点埋深和长度的增加，隧道围岩地应力状态直接影响了掌子面稳定性，严重影响了隧道安全和高效建造。

传统的隧道围岩地应力测试方法人力、物力耗费较大，难以满足隧道智能化设计和施工，如通过钻进参数、机器学习和深度学习等人工智能技术，快速便捷的解析掌子面围岩初始地应力，根据初始地应力解析结果进行岩体稳定性评价，将极大的保障隧道智能建造安全，降低隧道建造成本。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法及系统，能够实现掌子面围岩石地应力智能解析，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，包括以下步骤：

S1、构建样本库，样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态；

S2、基于深度学习构建掌子面围岩初始地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练；

S3、基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力；

S4、基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。

优选的，所述步骤S1样本库钻进参数包括全电脑三臂凿岩台车自动采集的进给速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力以及水流量；样本库的掌子面围岩初始地应力状态通过掌子面地质素描确定，包括一般地应力、高地应力和极高地应力。

优选的，所述步骤S2中掌子面围岩初始地应力状态判识模型的网络层数为5层，即1个输入层，3个隐含层和1个输出层；所述将样本库带入掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练是指：将进给速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力以及水流量六项钻进参数作为输入层的输入参数，将对应掌子面围岩初始地应力状态作为输出层的输出参数。

优选的，所述步骤S3基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力，具体包括如下：

S31、根据全电脑三臂凿岩台车冲击-推进-旋转破岩方式，计算围岩弹性变形能；

S32、基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识结果，解析单个炮孔名义初始地应力。

优选的，所述步骤S31具体包括：凿岩台车在冲击-推进-旋转破岩过程中，输出的冲旋比能ISE计算公式为：

式中：ISE是冲旋比能，Pa；P_c是压力传感器监测的冲击油缸进油口油压，Pa；P_t是压力传感器监测的冲击油缸进油口油压，Pa；V_d是流量计监测的钻头进给速度，m/s；D_cA是冲击油缸活塞后直径，m；D_cB是冲击油缸活塞前端直径，m；S_c是活塞设计行程，m；m_c是冲击活塞质量，kg；D是钻孔直径，m；P_t为活塞推进油缸的后腔压力，也是推进油缸进油口压力，即监测的钻进参数推进压力，Pa；D_t是推进油缸活塞直径，单位m。P_r为马达旋转时进油口压力，即监测的钻进参数回转压力，Pa；V_r是钻具回转速度，单位r/s；q_r为液压马达排量，即马达每转动一周排出的流量，单位ml/r或cc；i_r为旋转马达减速比。

岩体的弹性变形能与岩体所处的地应力状态直接相关，具体计算公式为：

式中：U是岩体弹性变形能，Pa；σ₁是第一主应力，Pa；σ₂是第二主应力，Pa；σ₃是第三主应力，Pa；E是岩体弹性模量，Pa；υ是岩体泊松比。

单位体积的岩体单元在机械作用下产生变形，设该过程与外界没有热交换，机械的输出能量全部转换为岩体内能，主要包括岩体的耗散能和岩体的弹性变形能，则有

式中：推进活塞后端直径(D_t)、钻具转速(V_r)、马达排量(q_r)、减速比(i_r)、冲击活塞后端直径(D_cA)、冲击活塞前端直径(D_cB)、冲击行程(S_c)、冲击活塞质量(m_c)是凿岩机的机器参数，在凿岩台车出厂时或钻孔前设置；进给速度(V_d)、推进压力(P_t)、打击压力(P_c)和回转压力(P_r)是钻头钻进过程中传感器实时采集的随钻参数；钻孔直径(D)是钻孔参数，用于计算钻孔面积；K是机械输出的能量转换为弹性变形能的转换系数，由初始地应力状态决定。

优选的，所述步骤S32具体包括：沿钻进方向，以4cm为单位，将炮孔网格化；在4cm区域内，全电脑三臂凿岩台车可自动采集3组钻进参数，利用此3组钻进参数和初始地应力状态判释结果，解析目标炮孔各单元区域内围岩初始地应力；

炮孔各单元区域围岩初始地应力解析公式如下：

式中：P_t,i是沿钻进方向单元区域内起点推进压力，Pa；P_r,i是沿钻进方向单元区域内起点回转压力，Pa；P_c,i是沿钻进方向单元区域内起点冲击压力，Pa；V_d,i是沿钻进方向单元区域内起点进给速度，m/s；P_t,i+1是沿钻进方向单元区域内中点推进压力，Pa；P_r,i+1是沿钻进方向单元区域内中点回转压力，Pa；P_c,i+1是沿钻进方向单元区域内中点冲击压力，Pa；V_d,i+1是沿钻进方向单元区域内中点进给速度，m/s；P_t,i+2是沿钻进方向单元区域内终点推进压力，Pa；P_r,i+2是沿钻进方向单元区域内终点回转压力，Pa；P_c,i+2是沿钻进方向单元区域内终点冲击压力，Pa；V_d,i+2是沿钻进方向单元区域内终点进给速度，m/s；σ_1,i是钻进方向单元区域内围岩最大主应力，Pa；σ_2,i是钻进方向单元区域内围岩中间主应力，Pa；σ_3,i是钻进方向单元区域内围岩最小主应力，Pa。

在炮孔各单元区域围岩初始地应力解析结果基础上，对单个炮孔的各单元区域围岩初始地应力解析结果进行加权平均计算，以加权平均计算结果作为单个炮孔名义初始地应力，具体计算公式如下：

式中：σ_1,j是掌子面第j个炮孔的名义最大主应力，Pa；σ_2,j是掌子面第j个炮孔的名义中间主应力，Pa；σ_3,j是掌子面第j个炮孔的名义最小主应力，Pa；σ_1,i是第i个4cm钻进区域内围岩最大主应力，Pa；σ_2,i是第i个4cm钻进区域内围岩中间主应力，Pa；σ_2,i是第i个4cm钻进区域内围岩最小主应力，Pa；n是沿炮孔钻进方向，以4cm为单位划分的单元数量。

优选的，所述步骤S4基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力，具体包括：

按炮孔个数，对各炮孔的名义主应力进行加权平均计算，计算结果作为掌子面围岩初始地应力，具体计算公式为：

式中：σ_1,m是目标掌子面最大主应力，Pa；σ_2,m是目标掌子面中间主应力，Pa；σ_3,j是目标掌子面最小主应力，Pa；M是目标掌子面的炮孔数量。

另外，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析系统，包括：

样本库构建模块：样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态；

掌子面围岩初始地应力状态判识模型构建模块：基于深度学习构建掌子面围岩初始地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练；

单个炮孔名义初始地应力解析模块：基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力；

掌子面围岩初始地应力模块：基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。

本发明的有益效果是：本发明根据钻进过程中产生的钻进参数智能解析掌子面围岩初始地应力，减少了掌子面围岩初始地应力测试过程中人力、物力的投入，助力了隧道智能化建造。

附图说明

图1为实施例1中一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法流程示意图；

图2为实施例1中基于深度学习构建掌子面围岩地应力状态判识模型示意图；

图3为实施例1中炮孔单元划分与钻进参数记录规则示意图；

图4为实施例2基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析系统示意图。

图中，110-样本库构建模块：120-掌子面围岩初始地应力状态判识模型构建模块；130-单个炮孔名义初始地应力解析模块；140-掌子面围岩初始地应力模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

随着隧道埋深和长度的增加，隧道掌子面围岩初始地应力直接影响了掌子面稳定性和隧道施工安全。传统的地应力测试方法，如水压致裂法、空心包体应力解除法、声发射法等，需要投入的人力、物力较大，难以满足当前隧道智能设计和施工需求。

为此，发明人通过长期的研究和实践，提出了一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力智能解析方法，基于全电脑三臂凿岩台车钻进过程自动采集的钻进参数智能解析对应掌子面围岩初始地应力。该方法旨在提供一种快速便捷的地应力解析方法，保障隧道施工安全，提高隧道智能化施工水平，降低隧道建造成本。

请参阅图1，本实施例提供了一种技术方案：一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其包括以下步骤：

步骤S1：样本库的构建，该样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态。样本库钻进参数包括全电脑三臂凿岩台车自动采集的进给速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力以及水流量等六项，每钻进2cm，全电脑三臂凿岩台车可自动采集一组钻进参数。全电脑三臂凿岩台车记录的典型掌子面某炮孔数据示例如表1所示。

表1全电脑三臂凿岩台车记录的典型掌子面某炮孔数据示例

样本库的掌子面围岩初始地应力状态通过掌子面地质素描获得，根据《铁路隧道设计规范TB 10003-2016》初始地应力状态可划分为一般地应力、高地应力、极高地应力等三类。初始地应力状态评估基准如表2所示。

表2初始地应力状态评估基准

步骤S2：基于深度学习构建掌子面围岩地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练。

掌子面围岩初始地应力状态判释模型旨在初步判释钻进区域内掌子面围岩所处的初始地应力状态，属于人工智能分类问题。该模型采用的深度学习网络，设置其网络层数为5层，即1层输入层，3层隐含层和1层输出层。其中输入层包含进给速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力以及水流量等六项钻进参数，故有6个节点，输出层是对应掌子面围岩初始地应力状态，故有1个节点，请参阅图2。

在样本库构建过程中，为保障掌子面围岩地应力状态判识的准确性，所构建的样本库应包含不同岩性、不同地质特征，其数据量不宜少于300组，即一般地应力、高地应力、极高地应力三种地应力状态各100组。

步骤S3：基于能量法和掌子面围岩地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力。

1)根据全电脑三臂凿岩台车冲击-推进-旋转破岩方式，计算围岩弹性变形能；

凿岩台车在冲击-推进-旋转破岩过程中，冲旋比能(ISE)计算公式为

式中：ISE是冲旋比能，Pa；P_c是压力传感器监测的冲击油缸进油口油压，Pa；P_t是压力传感器监测的冲击油缸进油口油压，Pa；V_d是流量计监测的钻头进给速度，m/s；D_cA是冲击油缸活塞后直径，m；D_cB是冲击油缸活塞前端直径，m；S_c是活塞设计行程，m；m_c是冲击活塞质量，kg；D是钻孔直径，m；P_t为活塞推进油缸的后腔压力，也是推进油缸进油口压力，即监测的钻进参数推进压力，Pa；D_t是推进油缸活塞直径，单位m。P_r为马达旋转时进油口压力，即监测的钻进参数回转压力，Pa；V_r是钻具回转速度，单位r/s；q_r为液压马达排量，即马达每转动一周排出的流量，单位ml/r或cc；i_r为旋转马达减速比。

岩体的弹性变形能与岩体所处的地应力状态直接相关，具体计算公式为

式中：U是岩体弹性变形能，Pa；σ₁是第一主应力，Pa；σ₂是第二主应力，Pa；σ₃是第三主应力，Pa；E是岩体弹性模量，Pa；υ是岩体泊松比。

单位体积的岩体单元在机械作用下产生变形，设该过程与外界没有热交换，机械的输出能量全部转换为岩体内能，主要包括岩体的耗散能和岩体的弹性变形能，则有

式中：推进活塞后端直径(D_t)、钻具转速(V_r)、马达排量(q_r)、减速比(i_r)、冲击活塞后端直径(D_tA)、冲击活塞前端直径(D_tB)、冲击行程(S_c)、冲击活塞质量(m_c)是凿岩机的机器参数，在凿岩台车出厂时或钻孔前设置；进给速度(V_d)、推进压力(P_T)、打击压力(P_c)和回转压力(P_r)是钻头钻进过程中传感器实时采集的随钻参数；钻孔直径(D)是钻孔参数，用于计算钻孔面积；K是机械输出的能量转换为弹性变形能的转换系数，由初始地应力状态决定。

2)基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识结果，解析单给炮孔名义初始地应力。

如图3所示，沿钻进方向，以4cm为单位，将炮孔网格化。在4cm区域内，全电脑三臂凿岩台车可自动采集3组钻进参数，利用此3组钻进参数和初始地应力状态判释结果，解析目标炮孔各单元区域内围岩初始地应力。炮孔各单元区域围岩初始地应力解析方程为

式中：P_t,i是沿钻进方向单元区域内起点推进压力，Pa；P_r,i是沿钻进方向单元区域内起点回转压力，Pa；P_c,i是沿钻进方向单元区域内起点冲击压力，Pa；V_d,i是沿钻进方向单元区域内起点进给速度，m/s；P_t,i+1是沿钻进方向单元区域内中点推进压力，Pa；P_r,i+1是沿钻进方向单元区域内中点回转压力，Pa；P_c,i+1是沿钻进方向单元区域内中点冲击压力，Pa；V_d,i+1是沿钻进方向单元区域内中点进给速度，m/s；P_t,i+2是沿钻进方向单元区域内终点推进压力，Pa；P_r,i+2是沿钻进方向单元区域内终点回转压力，Pa；P_c,i+2是沿钻进方向单元区域内终点冲击压力，Pa；V_d,i+2是沿钻进方向单元区域内终点进给速度，m/s；σ_1,i是钻进方向单元区域内围岩最大主应力，Pa；σ_2,i是钻进方向单元区域内围岩中间主应力，Pa；σ_3,i是钻进方向单元区域内围岩最小主应力，Pa。

在炮孔各单元区域围岩初始地应力解析结果基础上，对单个炮孔的各单元区域围岩初始地应力解析结果进行加权平均计算，以加权平均计算结果作为单个炮孔名义初始地应力，具体计算公式如下：

式中：σ_1,j是掌子面第j个炮孔的名义最大主应力，Pa；σ_2,j是掌子面第j个炮孔的名义中间主应力，Pa；σ_3,j是掌子面第j个炮孔的名义最小主应力，Pa；σ_1,i是第i个4cm钻进区域内围岩最大主应力，Pa；σ_2,i是第i个4cm钻进区域内围岩中间主应力，Pa；σ_2,i是第i个4cm钻进区域内围岩最小主应力，Pa；n是沿炮孔钻进方向，以4cm为单位划分的单元数量。

以某隧道工程典型掌子面为例，各炮孔初始地应力解析结果示例如表4所示。

表4某隧道工程典型掌子面各炮孔初始地应力解析结果示例表

步骤S4：基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。

基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。按炮孔个数，对各炮孔的名义主应力进行加权平均计算，计算结果作为掌子面围岩初始地应力，具体计算公式为

式中：v_1,m是目标掌子面最大主应力，Pa；σ_2,m是目标掌子面中间主应力，Pa；σ_3,j是目标掌子面最小主应力，Pa；M是目标掌子面的炮孔数量。

实施例2

一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析系统，如图4所示。包括：

样本库构建模块110：样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态；

掌子面围岩初始地应力状态判识模型构建模块120：基于深度学习构建掌子面围岩初始地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练；

单个炮孔名义初始地应力解析模块130：基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力；

掌子面围岩初始地应力模块140：基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。

本发明根据全电脑三臂凿岩台车自动采集的钻进参数实现了隧道掌子面围岩初始地应力智能解析，该方法在全电脑三臂凿岩台车钻炮孔的过程，即可实时解析掌子面围岩初始地应力状态，无需地质人员参与。与传统的地应力测试方法相比，如水压致裂法、空心包体应力解除法等，该方法减少了地应力测试过程中人力、物力的投入。特别是隧道高地应力或极高地应力，该方法对隧道施工具有良好的指导意义，助力了隧道智能化建造。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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。

Claims (8)

1.一种基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建样本库，样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态；

S2、基于深度学习构建掌子面围岩初始地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练；

S3、基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力；

S4、基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。

2.根据权利要求1所述的基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于：所述步骤S1样本库钻进参数包括全电脑三臂凿岩台车自动采集的进给速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力以及水流量；样本库的掌子面围岩初始地应力状态通过掌子面地质素描确定，包括一般地应力、高地应力和极高地应力。

3.根据权利要求1所述的基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于：所述步骤S2中掌子面围岩初始地应力状态判识模型的网络层数为5层，即1个输入层，3个隐含层和1个输出层；所述将样本库带入掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练是指：将进给速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力以及水流量六项钻进参数作为输入层的输入参数，将对应掌子面围岩初始地应力状态作为输出层的输出参数。

4.根据权利要求1所述的基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于：所述步骤S3基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力，具体包括如下：

S31、根据全电脑三臂凿岩台车冲击-推进-旋转破岩方式，计算围岩弹性变形能；

S32、基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识结果，解析单个炮孔名义初始地应力。

5.根据权利要求4所述的基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于：所述步骤S31具体包括：凿岩台车在冲击-推进-旋转破岩过程中，输出的冲旋比能ISE计算公式为：

岩体的弹性变形能与岩体所处的地应力状态直接相关，具体计算公式为：

单位体积的岩体单元在机械作用下产生变形，设该过程与外界没有热交换，机械的输出能量全部转换为岩体内能，主要包括岩体的耗散能和岩体的弹性变形能，则有

6.根据权利要求4所述的基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于：所述步骤S32具体包括：沿钻进方向，以4cm为单位，将炮孔网格化；在4cm区域内，全电脑三臂凿岩台车可自动采集3组钻进参数，利用此3组钻进参数和初始地应力状态判释结果，解析目标炮孔各单元区域内围岩初始地应力；

炮孔各单元区域围岩初始地应力解析公式如下：

在炮孔各单元区域围岩初始地应力解析结果基础上，对单个炮孔的各单元区域围岩初始地应力解析结果进行加权平均计算，以加权平均计算结果作为单个炮孔名义初始地应力，具体计算公式如下：

7.根据权利要求1所述的基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法，其特征在于：所述步骤S4基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力，具体包括：

按炮孔个数，对各炮孔的名义主应力进行加权平均计算，计算结果作为掌子面围岩初始地应力，具体计算公式为：

8.一种根据权利要求1-7中任一项所述基于钻进参数的掌子面围岩初始地应力解析方法的系统，其特征在于：所述系统包括：

样本库构建模块(110)：样本库包括钻进参数以及对应掌子面的围岩初始地应力状态；

掌子面围岩初始地应力状态判识模型构建模块(120)：基于深度学习构建掌子面围岩初始地应力状态判识模型，将样本库带入所述掌子面围岩初始地应力状态判识模型进行训练；

单个炮孔名义初始地应力解析模块(130)：基于能量法和掌子面围岩初始地应力状态判识模型，解析单个炮孔名义初始地应力；

掌子面围岩初始地应力模块(140)：基于单个炮孔名义初始地应力解析结果，获得对应掌子面围岩初始地应力。