一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法技术

本发明专利技术涉及一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，该方法包括以下步骤：1)根据盾构区间的钻孔数据，采用克里金插值法构建数字化掌子面地层，并输出掌子面地层分布图像；2)根据数字化掌子面地层的分布，对掌子面地层进行软硬分类，并根据软硬分类结果输出掌子面软硬概化图像；3)根据数字化掌子面地层的分布和软硬分类结果计算掌子面软硬特征参数并计算地层风险指标，结合标注掌子面开挖风险分级数据集，采用朴素贝叶斯算法对掌子面进行风险分级预测。与现有技术相比，本发明专利技术具有量化准确、考虑全面等优点。考虑全面等优点。考虑全面等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法


[0001]本专利技术涉及盾构隧道勘察和施工领域，尤其是涉及一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法。

技术介绍

[0002]盾构隧道施工常常需要穿越软硬不均的地层，在以广州、深圳为代表的滨海地区的盾构隧道工程中尤为常见，在软硬不均地层中进行隧道施工，容易造成盾构机刀盘磨损、盾构姿态失准、盾构掌子面土压不平衡、盾构刀盘振动等问题。因此，及早发现盾构穿越的软硬不均地层，摸清盾构面临的潜在风险具有重要意义。
[0003]目前，针对在软硬不均地层中盾构施工面临的地层风险，在勘察设计阶段普遍依靠基于地质钻孔绘制的隧道纵向剖面图进行分析，在施工阶段普遍依靠盾构收集的参数推测掌子面地层参数。然而，依据隧道纵向剖面图进行盾构在软硬不均地层掘进的风险分析时，由于没有考虑地层在横向上的不均匀性，往往造成对掌子面的地层风险分析不全面，且纵向剖面图并不能直观地反映盾构掌子面的地层分布。在施工阶段依据盾构收集的参数进行分析，可能会造成由施工参数反分析的地层特性不准确，施工反馈较慢的问题。
[0004]现有针对软硬不均地层的施工风险预测分析方法具有较明显的局限，往往需要在施工过程中进行反馈控制，且不能直观地提供进行风险分析所需的量化参数，仅依据人工经验进行评判，因此，亟需一种方法在软硬不均盾构隧道勘察设计阶段对软硬掌子面的地层风险进行分析预测，以达到对盾构掘进过程中掌子面风险的潜在把控。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，用以实现在勘察设计阶段的盾构掌子面软硬地层分类和风险分级。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，该方法包括以下步骤：
[0008]1)根据盾构区间的钻孔数据，采用克里金插值法构建数字化掌子面地层，并输出掌子面地层分布图像；
[0009]2)根据数字化掌子面地层的分布，对掌子面地层进行软硬分类，并根据软硬分类结果输出掌子面软硬概化图像；
[0010]3)根据数字化掌子面地层的分布和软硬分类结果计算掌子面软硬特征参数并计算地层风险指标，结合标注掌子面开挖风险分级数据集，采用朴素贝叶斯算法对掌子面进行风险分级预测。
[0011]所述的步骤1)中，盾构区间的钻孔数据具体为盾构区间的地质勘测地层分布数据，包括孔位坐标以及孔内每个地层交界面的埋深数据。
[0012]所述的步骤1)中，通过克里金插值法在每一个地层交界面上单独建立一个克里金
插值模型，每个地层的克里金插值模型的距离
‑
半方差函数拟合过程中假定基台值为零，每个克里金插值模型单独预测一个地层交界面的埋深。
[0013]所述的步骤1)中，数字化掌子面地层信息以矩阵的形式表示，矩阵中的每个元素数组与实际掌子面中设定面积大小的土层位置相对应，数组内储存该处地层的所属地层标号I、地层力学特性和地层的软硬分类H，所述的地层力学特性包括地层的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、强度。
[0014]所述的步骤2)中，进行掌子面地层软硬分类具体为：
[0015](1)当地层数量为1时，判定为均一地层，进行均一地层类型判断，则有：
[0016]若土体平均强度小于10MPa，则判定为均一软土地层，若土体平均强度大于10MPa，则判定为均一硬岩地层；
[0017](2)当地层数量为2时，若软硬地层面积比超过80％，则判定为均一地层，进行均一地层类型判断，若软硬地层面积比不超过80％，则判断为软硬不均地层；
[0018](3)当地层数量不小于3时，若最硬地层面积比超过80％，则判定为均一地层，进行均一地层类型判断，若最硬地层面积比不超过80％，则判断为复合软硬不均地层。
[0019]所述的步骤3)中，软硬特征参数包括掌子面硬岩面积占比、软硬地层强度比、软硬交界面朝向、软硬分类、平均强度、平均模量和断面内土层数，所述的地层风险指标包括刀盘磨损快慢、姿态调整难易、掌子面土压平衡三个指标。
[0020]所述的平均模量的计算式为：
[0021][0022]其中，E
x,y
为数字化掌子面矩阵第x行第y列处数组的模量值，n为矩阵的行数与列数；
[0023]所述的平均强度的计算式为：
[0024][0025]其中，S
x,y
为数字化掌子面矩阵第x行第y列处数组的强度值；
[0026]所述的软硬地层强度比R
s
的计算式为：
[0027][0028]其中，N
h
为被归类为硬岩地层的矩阵元素的个数，N
s
为被归类为软土地层的矩阵元素的个数，∑S
h
为被归类为硬岩地层的元素强度之和，ΣS
s
为被归类为软土地层的元素强度之和；
[0029]所述的软硬地层面积比的计算式为：
[0030][0031]软硬地层交界面朝向的计算式为：
[0032]V
edge
＝(x
e
‑
x1,y
e
‑
y1)
[0033][0034][0035]其中，(x
e
,y
e
)为软硬交界线终点坐标，(x1,y1)为软硬交界线起点坐标，M为转置矩阵，θ为计算得到的软硬地层交界面转角，V
edge
＝[x
axis
,y
axis
]为软硬交界面的方向向量，V
axis
为交界面朝向的方向向量。
[0036]所述的步骤3)中，与刀盘磨损快慢指标对应的软硬特征参数为平均强度、平均模量、软硬地层强度比和硬岩面积占比，与姿态调整难易指标对应的软硬特征参数为硬岩面积占比、软硬地层强度比、软硬交界面朝向和软硬分类，与掌子面土压平衡相关的软硬特征参数为软硬分类和断面内土层数，所述的刀盘磨损快慢指标I
cw
的计算式为：
[0037]I
cw
＝η
a
Hf
a
+η
h
Hf
h
+η
e
Hf
e
[0038][0039][0040][0041]其中，Hf
a
为平均强度分项指标，Hf
h
为硬岩强度分项指标，Hf
e
为平均模量分项指标，η
a
，η
h
，η
e
分别为三个指标对应的分项系数，a
s
与b
s
为强度项的参数，取值范围分别为[
‑
600,
‑
800]，[3900,4100]，a
e
、b
e
为强度项的参数，E本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据盾构区间的钻孔数据，采用克里金插值法构建数字化掌子面地层，并输出掌子面地层分布图像；2)根据数字化掌子面地层的分布，对掌子面地层进行软硬分类，并根据软硬分类结果输出掌子面软硬概化图像；3)根据数字化掌子面地层的分布和软硬分类结果计算掌子面软硬特征参数并计算地层风险指标，结合标注掌子面开挖风险分级数据集，采用朴素贝叶斯算法对掌子面进行风险分级预测。2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，所述的步骤1)中，盾构区间的钻孔数据具体为盾构区间的地质勘测地层分布数据，包括孔位坐标以及孔内每个地层交界面的埋深数据。3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，所述的步骤1)中，通过克里金插值法在每一个地层交界面上单独建立一个克里金插值模型，每个地层的克里金插值模型的距离
‑
半方差函数拟合过程中假定基台值为零，每个克里金插值模型单独预测一个地层交界面的埋深。4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，所述的步骤1)中，数字化掌子面地层信息以矩阵的形式表示，矩阵中的每个元素数组与实际掌子面中设定面积大小的土层位置相对应，数组内储存该处地层的所属地层标号I、地层力学特性和地层的软硬分类H，所述的地层力学特性包括地层的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、强度。5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，所述的步骤2)中，进行掌子面地层软硬分类具体为：(1)当地层数量为1时，判定为均一地层，进行均一地层类型判断，则有：若土体平均强度小于10MPa，则判定为均一软土地层，若土体平均强度大于10MPa，则判定为均一硬岩地层；(2)当地层数量为2时，若软硬地层面积比超过80％，则判定为均一地层，进行均一地层类型判断，若软硬地层面积比不超过80％，则判断为软硬不均地层；(3)当地层数量不小于3时，若最硬地层面积比超过80％，则判定为均一地层，进行均一地层类型判断，若最硬地层面积比不超过80％，则判断为复合软硬不均地层。6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，所述的步骤3)中，软硬特征参数包括掌子面硬岩面积占比、软硬地层强度比、软硬交界面朝向、软硬分类、平均强度、平均模量和断面内土层数，所述的地层风险指标包括刀盘磨损快慢、姿态调整难易、掌子面土压平衡三个指标。7.根据权利要求6所述的一种盾构隧道掌子面软硬分类及开挖风险分级方法，其特征在于，所述的平均模量的计算式为：
其中，E
x,y
为数字化掌子面矩阵第x行第y列处数组的模量值，n为矩阵的行数与列数；所述的平均强度的计算式为：其中，S
x,y
为数字化掌子面矩阵第x行第y列处数组的强度值；所述的软硬地层强度比R
s
的计算式为：其中，N
h
为被归类为硬岩地层的矩阵元素的个数，N
s
为被归类为软土地层的矩阵元素的个数，∑S
h
为被归类为硬岩地层的元素强度之和，ΣS
s
为被归类为软土地层的元素强度之和；所述的软硬地层面积比的计算式为：软硬地层交界面朝向的计算式为：V
edge
＝(x
e
‑
x1,y
e
‑
y1))其中，(x
e
,y
e
)为软硬交界线终点坐标，(x1,y1)为软硬交界线起点坐标，M为转置矩阵，θ为计算得到的软硬地层交界面转角，V
edge
＝[x<...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁文其，王秋实，赵志坚，彭启辉，刘厚朴，高星，王成东，袁海林，郭海玉，傅泽新，
申请(专利权)人：中铁南方投资集团有限公司，
类型：发明
国别省市：