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基于岩机耦合的TBM施工地质识别算法研究

基于岩机耦合的TBM施工地质识别算法研究

作者：申迎港天津大学

学位级别：硕士

全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是实现掘进、支护、出渣等工序的大型地下工程装备。相较于传统钻爆法等施工方法,TBM对复杂地质条件的适应性较差,易引起卡机、宕机等现象,从而影响掘进效率和工期进度。因此,为安... 详细信息

全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是实现掘进、支护、出渣等工序的大型地下工程装备。相较于传统钻爆法等施工方法,TBM对复杂地质条件的适应性较差,易引起卡机、宕机等现象,从而影响掘进效率和工期进度。因此,为安全高效施工,在掘进前及掘进过程中需要对隧道围岩地质情况进行准确的地质识别与预测,以便于掘进过程中及时调整操作参数。现阶段常见的地质识别方法包括传统地质分析法、超前导坑预测法、超前水平钻孔法、物探法以及HSP(Henoch-Schonlein Purpura,简称HSP)超前地质探测法,这些方法受限于其自身的局限性导致地质识别准确性以及通用性较差。面对传统的地质识别与预测方法的不足,随着TBM法智能化发展,建立基于岩机耦合关系的地质识别算法模型成为TBM隧道施工领域的研究热点。本文以TBM施工地质围岩分类的准确识别为目标,首先利用生成对抗网络数据增强算法对TBM记载数据进行了数据增强,为解决不同围岩类别下机载数据不平衡的问题提供了方法;接着采用相关性分析以及多元回归分析建立岩机多元回归模型,揭示了围岩物性特征对掘进参数的影响规律;最后利用KL散度(Kullback-Leibler divergence)与 BP 神经网络(Back Propagation)分别建立了围岩地质识别模型,实现了 TBM掘进地质的准确识别。论文的主要研究内容包括:(1)提出了基于生成对抗网络机器学习模型的工程数据增强算法,实现了生成数据分布特征精度达96.5%的数据增强效果,为解决不同围岩等级条件下数据量不平衡的问题提供了一种有效的方法;(2)基于数据预处理方法对掘进数据与地质数据进行必要的数据清洗、数据降噪以及数据归一化等处理,建立了 TBM岩机参数数据库;基于主成分分析方法提取了各类围岩条件下的主成分,对模型参数实现了降维;基于岩体参数与掘进参数之间的相关性关系建立各类围岩条件下的岩机多元回归模型,得到TBM岩体参数与掘进参数之间的耦合关系;(3)基于KL散度与十折交叉验证方法建立了地质识别模型,以推进速度、贯入度、推进力、刀盘转速和刀盘扭矩作为输入参数,建立了高精度的地质围岩分类识别算法模型,识别精度可达90%;进一步基于岩机多元回归模型与BP神经网络建立了 TBM地质识别模型,以多元回归系数特征值与各类围岩主成分做为输入参数,建立地质识别模型,实现了准确度可达94.5%的地质识别模型,为隧道现场施工地质识别与预测提供了参考和算法支撑。

关键词： TBM 岩机耦合数据增强地质识别围岩分类深度学习

基于工程实测数据分析的掘进地质识别与掘进速率预测

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基于工程实测数据分析的掘进地质识别与掘进速率预测

作者：杨凯弘天津大学

学位级别：硕士

隧道掘进机是目前应用最广泛的一类隧道施工重型巨载装备。由于其主要依靠位于装备最前端的刀盘刀具不断旋转切削岩土介质实现掘进,构成了一个与周围地质间不断发生相互力学作用的复杂工程系统。随着传感检测技术的快速发展,目前的掘进... 详细信息

隧道掘进机是目前应用最广泛的一类隧道施工重型巨载装备。由于其主要依靠位于装备最前端的刀盘刀具不断旋转切削岩土介质实现掘进,构成了一个与周围地质间不断发生相互力学作用的复杂工程系统。随着传感检测技术的快速发展,目前的掘进装备能够在施工过程中实时记录各类与运行状态相关的数据信息,为分析掘进系统中关键参量间相互影响规律与预测其变化趋势提供了充足的数据源基础。这类工程实测数据往往具有影响参量之间高度耦合且非线性等特点,并且随着大工程系统智能控制与决策的发展需求,如何对工程实测数据进行有效分析成为目前工程科学领域日益关注的热点问题。近年来,快速发展的各类机器学习方法以其优秀的非线性表达能力为工程实测数据分析提供了有力的工具。地质识别与掘进速率预测是直接关系到隧道掘进机高效安全施工的两个关键问题。本文首先建立了一种基于工程实测数据分析的,由卡方检验特征选择方法和机器学习分类算法相结合的地质类型识别系统,包括归一化预处理、卡方检验选择确定输入特征及机器学习方法训练地质识别分类器三部分。在分析实测工程数据性质的基础上,在归一化预处理后利用卡方检验特征选择方法在上百种影响参量中挑选出对地质变化敏感的参量作为输入特征,随后基于四种机器学习方法建立了地质识别模型,并在不同隧道工程的实测数据中进行检验并讨论了所选特征与地质识别模型的泛化能力。在对不同地质进行识别的基础上,本文分析了实测工程数据的序列性质,建立了基于时序神经网络算法的地质参量预测模型。进一步的,考虑到不同地质参量之间的相关性,采用多目标回归方法对地质参量进行预测。在天津地铁9号线中对所提出的地质参量预测模型进行检验,讨论了不同时序神经网络方法和多目标回归方法的预测表现。此外,本文还基于时序神经网络建立了掘进速率预测模型,讨论了懒惰学习与主动学习方法在工程实测数据中的应用特点,以及工程实测数据中存在的离群值价值,并且探究机器学习方法中超参选取在含噪数据分析中的影响。本文工作表明,通过对工程实测数据进行统计分析和机器学习,可以有效描述隧道掘进工程中掘进载荷、地质条件、掘进装备等核心参量间影响规律,实现对一些关键工程参量的识别与预测,为一类与力学作用相关的复杂工程系统的参量预测与智能控制提供参考。

关键词：隧道掘进机工程实测数据分析机器学习地质识别掘进速率预测

基于盾构掘进参数数据树K-Means聚类的地质识别

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基于盾构掘进参数数据树K-Means聚类的地质识别

作者：何权辉辽宁石油化工大学

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随着经济的发展,我国不断加大对基础设施建设的投入。高速公路、铁路、地铁等基础交通的建设打通了国家经济发展和城市建设的壁垒,为国家经济发展注入了活力,为城市居民的生活提供了便利。盾构机以其高效安全、低扰动、适应多种地质等... 详细信息

随着经济的发展,我国不断加大对基础设施建设的投入。高速公路、铁路、地铁等基础交通的建设打通了国家经济发展和城市建设的壁垒,为国家经济发展注入了活力,为城市居民的生活提供了便利。盾构机以其高效安全、低扰动、适应多种地质等多种优点成为了我国交通建设的主力机械。采用盾构法施工前需要在前期对地质情况进行勘探,掌握地质信息以便选取合适的盾构机型,以及提供合理方案控制盾构机施工。但是由于地质信息复杂多变且难以准确预测,尤其遭遇不良地质时施工会面临极大风险,甚至引发严重的安全事故。实时准确的地质识别预报,是盾构机安全施工的重要保障,这也是盾构技术的一项重要难题。为此本文基于盾构掘进参数利用数据挖掘的方法对地质类别进行识别分析:（1）对盾构机的主要参数进行理论分析,分析地质特点对于盾构掘进参数的影响。分析盾构掘进参数与地质类别的相关性,以选取合适的盾构掘进参数进行地质识别。（2）基于实时的盾构掘进参数提出了一种无监督数据树K-Means聚类的地质识别方法。利用数据树优化K-Means聚类算法中K值,进而构建基于主要掘进参数的地质识别聚类算法。然后基于现场施工数据进行了仿真实验,地质识别正确率达到100%。结果表明该方法能够准确的识别地质类型,可为盾构机实施有效的参数调控提供一定的决策支持。（3）利用单一地质条件下的训练样本数据以及复合地质条件下的训练样本数据训练BP神经网络,得到两种模型。利用两种模型分别预测同一个测试集的土仓压力,并对比预测结果的误差。结果显示单一地质条件下的训练样本数据得到的预测模型准确率更高。进而证明地质识别能够为掘进参数设置或调整提供有效的支持。

关键词：盾构掘进参数地质识别 K-Means聚类土仓压力预测

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地质声呐记录的图像处理与地层识别技术研究

声学学报 2001年第4期26卷 365-371页

作者：季文赟林亦俊张叔英中国科学院东海研究站

对我国长江口和东海海区的典型声学地层剖面图所显示的图像特征的物理本质作了分析，归纳出９个方面的主要图像特征，并指出可以分别根据其中４个特征对９类可能存在的地层的地质属性进行分类和识别．在此基础上本文讨论了应用基于概率... 详细信息

对我国长江口和东海海区的典型声学地层剖面图所显示的图像特征的物理本质作了分析，归纳出９个方面的主要图像特征，并指出可以分别根据其中４个特征对９类可能存在的地层的地质属性进行分类和识别．在此基础上本文讨论了应用基于概率计算的Ｂａｙｅｓ图像分类器对声学地层剖面图进行地质解释的问题．

关键词：水下地声探测地声学地质声呐记录图像处理地质识别图像分类器声学地层剖面图地质解释

隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析

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岩石力学与工程学报 2018年第5期37卷 1041-1069页

作者：李术才许振浩黄鑫林鹏赵晓成张庆松杨磊张霄孙怀凤潘东东山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

致灾构造是突水突泥灾害发生的内在条件和控制因素,突水突泥致灾构造兼具蓄积地下水的自然属性与突水突泥致灾性的社会属性,是地质条件与地下工程活动相互作用的综合体。通过221例突水突泥灾害案例统计分析,将突水突泥致灾构造划分为3... 详细信息

致灾构造是突水突泥灾害发生的内在条件和控制因素,突水突泥致灾构造兼具蓄积地下水的自然属性与突水突泥致灾性的社会属性,是地质条件与地下工程活动相互作用的综合体。通过221例突水突泥灾害案例统计分析,将突水突泥致灾构造划分为3类11型,即岩溶类(溶蚀裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型),断层类(富水断层型、导水断层型、阻水断层型),其他成因类(侵入接触型、层间裂隙型、不整合接触型、差异风化型、特殊条件型),研究不同类型致灾构造的结构特征、赋存规律和地质判识方法,并开展典型案例分析。统计分析表明,岩溶类致灾构造突水突泥数量居首(约占48%,105例),断层类次之(约占29%,65例),最后为其他成因类(约占23%,51例)。提出4种典型的隧道突水突泥孕灾模式,即直接揭露型、渐进破坏型、渗透失稳型和间歇破坏型。研究成果为突水突泥灾害的致灾机制与灾害控制研究奠定了基础,对隧道安全施工具有借鉴和指导意义。

关键词：隧道工程突水突泥致灾构造结构特征地质识别孕灾模式

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电测井图像空白条带填充方法

测井技术 2011年第6期35卷 532-537页

作者：孙建孟赵建鹏赖富强陈惠中国石油大学地球科学与技术学院山东青岛266555

电测井图像井眼覆盖率达不到100%,导致在电测井图像上出现空白条带。探讨了反距离加权插值法(IDW)和多点地质统计学Filtersim模拟方法原理,并以斯伦贝谢FMI仪器测得的数据为研究对象,分别采用上述2种方法对电成像图像空白条带进行了填... 详细信息

电测井图像井眼覆盖率达不到100%,导致在电测井图像上出现空白条带。探讨了反距离加权插值法(IDW)和多点地质统计学Filtersim模拟方法原理,并以斯伦贝谢FMI仪器测得的数据为研究对象,分别采用上述2种方法对电成像图像空白条带进行了填充。填充后的图像弥补了未测井壁处的信息,提高了图像质量,有利于后续成像图像的处理以及地质现象(裂缝、孔洞、断层等)的识别。对这2种方法的填充效果进行了比较分析,认为多点地质统计学的方法应用统计学理论,考虑了处理窗长内整幅图像的统计特征,处理效果较插值法更好。

关键词：电测井图像反距离加权多点地质统计学成像质量地质识别

差分GNSS倾斜摄影在山区公路勘察设计中的应用

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路基工程 2021年第1期 116-121页

作者：向荣荣李红梅刘铭扬中国公路工程咨询集团有限公司(武汉)勘察分公司武汉430023

采用差分GNSS提高飞行POS精度,对带有高精度POS信息的影像进行空三影像匹配与平差运算,讨论同一区域采用不同数量像控点,参与空三平差对空三精度和最终生成的倾斜三维模型精度的影响,并总结出外业航飞像控点布设方案;利用倾斜实景三维... 详细信息

采用差分GNSS提高飞行POS精度,对带有高精度POS信息的影像进行空三影像匹配与平差运算,讨论同一区域采用不同数量像控点,参与空三平差对空三精度和最终生成的倾斜三维模型精度的影响,并总结出外业航飞像控点布设方案;利用倾斜实景三维模型进行山区不良地质体识别,建立基于机器学习的地质识别与风险评价系统,构造包含多种不同信息的综合三维地质模型。

关键词：差分GNSS 像控点倾斜三维模型地质识别勘察设计

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岩溶隧道突水突泥致灾构造评判方法研究

水利与建筑工程学报 2020年第6期18卷 109-114页

作者：俞剑中铁十六局集团铁运工程有限公司河北保定074000

针对岩溶地区隧道工程建设广泛面临的突水、突泥灾害风险,提出一种集成地质识别、物探解译和钻探揭露的突水、突泥致灾构造评判方法。结合岩溶发育及其工程地质特征,提出突水、突泥构造在地质识别、地质雷达法等勘探手段中的典型判据。... 详细信息

针对岩溶地区隧道工程建设广泛面临的突水、突泥灾害风险,提出一种集成地质识别、物探解译和钻探揭露的突水、突泥致灾构造评判方法。结合岩溶发育及其工程地质特征,提出突水、突泥构造在地质识别、地质雷达法等勘探手段中的典型判据。以重庆石柱至黔江高速公路七曜山隧道为案例,阐述该评判方法的实施流程及原则。结果表明:岩层倾角及其组合方式、地质构造、地表形态等地质因素显著影响突水、突泥的发育及发生过程,且上述因素在地质雷达探测及钻探揭露过程中存在明显征兆及典型判据;岩溶隧道突水、突泥致灾构造评判方法以“地质先行,物钻协作,贯穿全程,动态反馈”为实施原则,能够有效提高致灾构造的识别准确度。

关键词：岩溶隧道致灾构造地质识别物探解译

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地层微电阻率成像测井的地质应用

中国海上油气（地质） 2000年第6期14卷 438-441页

作者：吴文圣石油大学，山东东营257062

地层微电阻率成像测井(FMI)是成像测井技术的代表之一,它记录了许多微电阻率曲线,这些曲线反映了极板所扫擦过的那部分地层的电阻率的相对变化特征,具有足够高的分辨率和采样率,8in井眼最大可覆盖80%的井壁.通过数据和图像处理,把这些... 详细信息

地层微电阻率成像测井(FMI)是成像测井技术的代表之一,它记录了许多微电阻率曲线,这些曲线反映了极板所扫擦过的那部分地层的电阻率的相对变化特征,具有足够高的分辨率和采样率,8in井眼最大可覆盖80%的井壁.通过数据和图像处理,把这些微电阻率曲线以图像的形式显示出来,就是FMI图像.在图像上,颜色的深浅表示电阻率的大小,电阻率越高,颜色就越浅.

关键词：地层微电阻率成像测井地质应用岩性识别地质识别