一种实时预测盾构机前方地质条件的方法技术

本发明专利技术公开了一种实时预测盾构机前方地质条件的方法，包括如下步骤：步骤一、将给定区域内固有的空间相关性作为先验信息，将盾构掘进参数作为实时信息；步骤二、通过钻孔数据标定地质条件相关性随距离的变化；步骤三、根据地质条件相关性，利用已开挖的地质条件向外插值出盾构机前方的地质条件；步骤四、利用随机森林算法通过输入盾构机实时掘进参数对前方地质条件进行预测；步骤五，插值结果以权重输出，赋予给随机森林中决策树的预测，实现融合先验信息与实时信息的盾构机前方地质条件的预测。本发明专利技术对于当前地质条件的预测不仅依赖于实时的盾构掘进参数，也考虑了前方地层与后方已开挖地层在空间中的关联特性，提升了前方地层识别的准确率。地层识别的准确率。地层识别的准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种实时预测盾构机前方地质条件的方法


[0001]本专利技术属于盾构挖掘领域，尤其涉及一种实时预测盾构机前方地质条件的方法。

技术介绍

[0002]土压平衡盾构机是当前城市地下隧道建设中常用的工程装备，装备服役过程中，面临着复杂多变的地质环境。但当前盾构施工过程中，全面、准确地获取开挖面前方地质条件存在两大困难：其一为施工前期稀疏的地质勘探难以全面查清隧道沿线的地质条件，其二为掘进过程中，因盾构机封闭施工的特性，导致通过传统探测或现场实验方法直接获取前方地质条件十分困难。由于前方地质条件未知，导致盾构控制参数的设置与前方地质条件的匹配性较差。当掘进参数设置过高时，刀盘、主轴承所受荷载可能超过额定范围，掘进能耗增大，使得成本加剧；掘进参数设置过低时，盾构掘进效率低，导致施工工期拉长，影响工程整体进度。因此，实时识别盾构前方地层条件，可为盾构掘进控制参数的精确调整提供指导，同时也是合理管控施工风险、降低施工成本的重要保证。
[0003]因盾构掘进参数是盾构
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地层相互作用的内在表征，其包含了地层的特性，因此，通过机器学习算法挖掘盾构掘进参数预测掌子面前方地质条件正成为隧道领域一种新兴的方法。然而，现有的成功案例仅基于数据驱动模型利用盾构掘进参数预测前方地质条件，这些模型的表现高度依赖于数据数量、质量、多元性，导致在数据的数量有限时，模型不可避免地产生较大的偏差。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术公开了一种实时预测盾构机前方地质条件的方法。本专利技术对于当前地质条件的预测不仅依赖于实时的盾构掘进参数（实时信息），也考虑了当前地层与后方已开挖地层在空间中的关联特性（先验信息），通过融合地层固有的空间相关性，对利用盾构掘进参数的预测结果施加限制，使得模型的预测更加符合真实的地层分布，以提升前方地层识别的准确率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种实时预测盾构机前方地质条件的方法，包括如下步骤：步骤一、将给定区域内地层固有的空间相关性作为先验信息，将盾构掘进参数作为实时信息；步骤二、将先验信息中地层的空间相关性由钻孔数据标定，得到地质条件的关联程度随距离的变化，得到变异系数；步骤三、根据变异系数确定已开挖的地质条件的权重，从而以加权求和的形式利用已开挖的地质条件向外插值出前方地质条件得到插值结果；步骤四、利用随机森林算法通过输入盾构实时掘进参数对前方地质条件进行预测得到前方地质条件初步预测结果；步骤五、将插值结果以权重的形式输出，赋予给前方地质条件初步预测结果，利用
决策树加权投票的策略，融合先验信息与实时信息得到盾构机前方地质条件的最终预测结果。
[0006]进一步的改进，所述步骤二包括如下步骤：2.1）根据钻孔数据求解地质条件的变异值：钻孔数据可以揭露给定区域内存在的所有地质类型，并在其采样位置提供了相应地质类型的厚度值，因此，此处利用钻孔数据分别计算每种地质类型的变异值：
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式中，表示第k种地质类型下距离为h的钻孔之间的地层厚度的变异值，k可以从1取到m，m表示区域内钻孔探测到的所有地质类型的数量；和表示距离为h的第i个钻孔数据对，h表示和两个钻孔位置的距离，N(h)表示距离为h的钻孔数据对的数量，代表着钻孔位置处第k种地质类型的厚度值；2.2）改变h的值，得到若干数据点（h，）后，对数据点（h，）进行拟合得到变异函数，根据变异函数确定此种地质类型下任意距离处地质条件的变异值。
[0007]进一步的改进，所述步骤三中外插值出前方地质条件得到插值结果的方法如下：
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(2)其中，表示插值出的前方的第k种地质类型的地层厚度值，表示EPB前方位置，表示对应于已开挖的第i个管片环的插值权重，根据变异函数通过求解克里金矩阵得到；n表示向外插值时考虑的已开挖环的数量；表示已开挖的第i个管片环处的第k种地质类型的地层厚度值。
[0008]进一步的改进，步骤四的方法如下：随机森林模型首先通过bootstrap采样从输入的EPB掘进数据中提取出多个数据子集，对于每个数据子集，通过模型训练开发一个决策树模型，开发过程即通过不断选择EPB掘进参数对样本逐级分类得出决策树的预测结果，其预测结果形式为每种地质类型的地层厚度值，将此结果作为地质条件的初步预测结果。
[0009]进一步的改进，所述步骤五中，插值结果以权重的形式输出的方法如下：根据权重公式2，可得到第k种地质类型的地层厚度插值结果，遍历区域内存在的所有地质类型，可得到EPB前方所有可能出现的地质类型的厚度值。以特定地质类型的厚度值占所有地质类型厚度值之和的比例为基础，分别针对每种地质类型将插值结果以权重的形式输出： (3)其中，表示第k种地质类型的权重，和分别为惯性因子和动量因子，定义
了权重的最小值，从而保证随机森林的正确预测不被淹没，能够调节克里金插值结果对算法最终预测结果的影响程度，表示插值出的第k种地质类型的厚度值，表示插值出的第p种地质类型的厚度值，m表示区域内探测到的所有地质类型的数量；遍历所有地质类型，得到对应于每种地质类型的权重值w，以这些值作为向量的元素来组成一个权重向量W，此权重向量便实现了将所有地质类型的插值结果以一个权重向量的形式输出。
[0010]进一步的改进，所述步骤五的方法如下：先验信息与实时信息通过决策树加权投票的策略进行融合，得出前方地质条件的最终预测结果：（4）其中F表示盾构机前方地质条件的最终预测结果，表示EPB前方的位置，表示EPB掘进参数，表示随机森林模型中第t棵决策树通过输入EPB掘进参数得出的预测结果表示随机森林中决策树的数量，t表示表示随机森林中第t棵决策树，W表示至通过克里金算法插值得出的权重向量。
[0011]本专利技术的优点：本专利技术对于当前地质条件的预测不仅依赖于实时的盾构掘进参数（实时信息），也考虑了当前地层与后方已开挖地层在空间中的关联特性（先验信息），通过融合地层固有的空间相关性，对利用盾构掘进参数的预测结果施加限制，使得模型的预测更加符合真实的地层分布，以提升前方地层识别的准确率。
附图说明
[0012]图1是本专利技术的总体流程图；图2是本专利技术的地质条件预测结果图；图3是本专利技术的预测结果（GIRF）与其余常用的数据驱动模型预测结果的对比图；图4为变异值拟合得到变异函数的示意图 。
具体实施方式
[0013]以下结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。
[0014]针对盾构前方地质条件的预测有两方面信息来源，一方面为地层在给定区域内固有的空间相关性，此部分特性由地质构造决定，可以通过钻孔数据使用地质统计学方法定量化表征，本专利技术将这一信息作为先验信息。另一方面，盾构掘进过程是机械
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地层的耦合作用，盾构掘进参数可以从多个方面反映前方的地质条件，此部分信息被视为实时信息。
[0015]为融合这两部分信息对盾构前方地质条件进行预测，本文基于随机森林开发了一个新算法
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地质统计学导引的随机森林算法。在算法中，先验信息本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实时预测盾构机前方地质条件的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将给定区域内地层固有的空间相关性作为先验信息，将盾构掘进参数作为实时信息；步骤二、将先验信息中地层的空间相关性由钻孔数据标定，得到地质条件的关联程度随距离的变化，得到变异系数；步骤三、根据变异系数确定已开挖的地质条件的权重，从而以加权求和的形式利用已开挖的地质条件向外插值出前方地质条件得到插值结果；步骤四、利用随机森林算法通过输入盾构实时掘进参数对前方地质条件进行预测得到前方地质条件初步预测结果；步骤五、将插值结果以权重的形式输出，赋予给前方地质条件初步预测结果，利用决策树加权投票的策略，融合先验信息与实时信息得到盾构机前方地质条件的最终预测结果。2.如权利要求1所述的实时预测盾构机前方地质条件的方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：2.1）根据钻孔数据求解地质条件的变异值：钻孔数据可以揭露给定区域内存在的所有地质类型，并在其采样位置提供了相应地质类型的厚度值，因此，此处利用钻孔数据分别针对每种地质类型的计算其变异值：对每种地质类型的计算其变异值：式中，表示第k种地质类型中距离为h的钻孔之间的地层厚度的变异值，k可以从1取到m，m表示区域内钻孔探测到的所有地质类型的数量；和表示距离为h的第i个钻孔数据对，h表示和两个钻孔位置的距离，表示距离为h的钻孔数据对的数量，代表着钻孔位置处第k种地质类型的厚度值；2.2）改变h的值，得到若干数据点（h，）后，对数据点（h，）进行拟合得到变异函数，根据变异函数确定此种地质类型下任意距离处地质条件的变异值。3.如权利要求1所述的实时预测盾构机前方地质条件的方法，其特征在于，所述步骤三中外插值出前方地质条件得到插值结果的方法如下： (2)其中，表示插值出的前方的第k种地质类型的地层厚度值，表示EPB前方位置，表示对应于已开挖的第i个管片环的插值权重，根据变异函数通过求解克里金矩阵得到；n表示向外插值时考虑的已开挖环的数量；表示已开挖的第i个管片环处的第k种地质类...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，耿自恒，陈仁朋，邓鹏，程红站，朱闽湘，龚杨凯，任昱豪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：