隧道地質(zhì)數(shù)字鉆進精細化識別方法研究.pdf

1、我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中有大量隧道工程，隧道的突水涌泥災(zāi)害嚴重的限制了施工進程，由于隧道掌子面前方地質(zhì)體不明、勘察資料根本不能完全準確反映施工前方的地質(zhì)情況，給現(xiàn)場施工帶來很大盲目性，因而經(jīng)常出現(xiàn)難以預(yù)知的地質(zhì)災(zāi)害，包括突水突泥在內(nèi)的坍塌、巖爆和有害氣體等，隧道開挖導(dǎo)致的工程災(zāi)害具有無法選擇性、多元性、難治理性及突發(fā)性，萬一災(zāi)害發(fā)生，輕則沖毀機器、器材，淹沒隧道，正常施工中斷;重則引起重大人員傷亡，造成巨大經(jīng)濟損失，甚至部分地下工程會因此被迫

2、改線或停建，成為了嚴重影響施工進程的因素。常規(guī)的鉆孔取芯巖土工程勘察手段費時、費力、成本極高，而地球物理探測方法存在信息解譯不確定性與多解性的缺點，且一種物探方法無法同時解決界面識別、不良地質(zhì)體識別和圍巖分級問題。針對以上難題，提出了隧道地質(zhì)數(shù)字鉆進精細化識別方法，以探尋鉆進參數(shù)與地層信息之間的相關(guān)性指標為主線，以可鉆性指標、鉆進能量和鉆進參數(shù)數(shù)據(jù)為核心，以仿生k-medoids算法和量子遺傳-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為方法，以參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

3、和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對地層的界面識別、不良地質(zhì)體識別和圍巖分級，并在工程實踐中得到了檢驗和應(yīng)用，取得了一系列的創(chuàng)新研究成果:
　　(1)優(yōu)化鉆進能量轉(zhuǎn)換公式，將忽略的鉆頭水功能量添加到鉆進能量計算公式中，同時考慮到鉆進比功和機械比能在反映巖石可鉆性時存在的誤差，為了更為準確的反映巖土體的客觀實際情況，提出了加權(quán)比功概念，并用功效系數(shù)法和粗糙集理論，確定了加權(quán)比功公式中的權(quán)重值，定義了加權(quán)比功公式。
　　(2)設(shè)計了數(shù)字鉆

4、進信息采集系統(tǒng)，改進了實驗載體鉆機中的參數(shù)采集裝置，重新設(shè)計了鉆進深度、鉆進速度、扭矩、壓力和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的采集方法，改進了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，采用DSP微處理器進行鉆進信息的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并基于鉆進能量和加權(quán)比功概念生成可利用的數(shù)字鉆進能量信息，同時建立數(shù)字鉆進信息存儲及分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)字鉆進信息的存儲和分析。
　　(3)利用基于鉆進速度-轉(zhuǎn)數(shù)-推進力耦合的可鉆性指標的界面識別方法，將采集的地層深度、鉆進速度、扭矩、轉(zhuǎn)速和推進力等鉆

5、進信息進行分析處理，得到了鉆探地層內(nèi)的界面信息，并結(jié)合地質(zhì)分析，確定了界面之間的圍巖風化程度等級和圍巖巖性。
　　(4)針對數(shù)字鉆進信息采集系統(tǒng)得到的大量數(shù)據(jù)，利用數(shù)字鉆進能量理論將其轉(zhuǎn)換并生成鉆進能量和加權(quán)比功數(shù)據(jù)集，然后采用仿生k-medoids聚類算法，將大量的鉆進能量和加權(quán)比功數(shù)據(jù)進行聚類分析，高效準確地對不良地質(zhì)體進行了識別。
　　(5)針對圍巖分級問題，基于量子遺傳-RBF（徑向基函數(shù)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了數(shù)字鉆

6、進圍巖分級方法，此方法以數(shù)字鉆進技術(shù)為基礎(chǔ)，從鉆進參數(shù)中提取有用信息，構(gòu)建圍巖分級指標體系，并采用量子計算原理對遺傳算法進行改進，通過量子位編碼和量子旋轉(zhuǎn)門更新種群，以此來確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，建立了基于量子遺傳算法-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圍巖分級系統(tǒng)。
　　(6)針對青島膠州灣隧道F4-4斷層，開展了不良地質(zhì)數(shù)字鉆進精細化識別方法研究，利用數(shù)字鉆進系統(tǒng)采集的鉆進速度、扭矩、轉(zhuǎn)速、推進力、鉆進能量和加權(quán)比功等參數(shù)，實現(xiàn)了對隧道F4-