CN114971177A - 一种围岩分级数字化方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种围岩分级数字化方法及***,属于隧道工程施工技术领域。包括如下步骤:1)实时获取原始钻进参数,包括冲击压力、回转压力和推进压力;2)剔除原始钻井参数中钻进起始段数据和钻进结束段数据,得到钻进稳定段数据,之后通过钻进循环划分方法划分钻进循环稳定段数据;3)在钻进方向上按照设定间隔对钻进循环稳定段数据进行特征提取;4)根据提取的特征筛选稳定段中钻进参数服从多峰正态分布和其他稳定段钻进参数相关性大于设定阈值的钻进参数作为钻进参数分级指标;5)建立无监督聚类分级模型,根据钻进参数分级指标获取对应钻进参数的特征,将对应钻进参数的特征输入到所述无监督聚类分级模型中,得到相应的围岩级别。
Description
技术领域
本发明涉及一种围岩分级数字化方法及***,属于隧道工程施工技术领域。
背景技术
考虑到钻爆法隧道施工地质条件复杂、施工效率低下等因素,钻进围岩分级对于指导钻进参数选择、降低钻具异常耗损具有重要指导意义。除前期地质勘探所获取的围岩类别之外,现有钻爆法隧道围岩分级方法大都通过钻孔、取芯试验获取围岩强度、完整性信息,但很难实现在钻孔钻进过程中对围岩的情况进行实时感知。随着人工智能技术的快速发展,人工神经网络等机器学习逐渐应用于钻爆法围岩等级预测领域。中国发明专利CN110852908 A公开了一种围岩分级方法,以钻进参数、对应位置的围岩类别作为样本库,通过将样本库代入至神经网络围岩分类模型进行训练,最终向训练后的围岩分级模型输入钻进参数获得对应位置的围岩级别。该方案中样本库所导入的围岩类别大都根据前期地勘结果或者人工根据掌子面地质素描结果确定,而地勘获取的围岩类别与实际揭露的围岩类别存在一定差异,且人为判定围岩等级存在一定主观性和经验性,因而通过上述围岩分级模型所预测的围岩类别会存在较大误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种围岩分级数字化方法及***,用于解决现有钻进围岩分级方法依赖于人为主观判断,以及钻进数据分析简单导致围岩分级准确度低的问题。
为了实现上述目的,本发明提供了一种围岩分级数字化方法,包括如下步骤:1)实时获取原始钻进参数;2)剔除原始钻井参数中钻进起始段数据和钻进结束段数据,得到钻进稳定段数据,之后通过钻进循环划分方法划分钻进循环稳定段数据;3)在钻进方向上按照设定间隔对钻进循环稳定段数据进行特征提取;4)根据提取的特征筛选稳定段中钻进参数服从多峰正态分布和其他稳定段钻进参数相关性大于设定阈值的钻进参数作为钻进参数分级指标;5)建立无监督聚类分级模型,根据钻进参数分级指标获取对应钻进参数的特征,将对应钻进参数的特征输入到所述无监督聚类分级模型中,得到相应的围岩级别。
本发明通过对钻进循环稳定段的钻进数据按照设定间隔进行特征提取,并选取相关性符合条件的参数作为分级指标,根据分级指标建立无监督聚类分级模型,后续只需现有钻进参数输入该模型中,就能得到围岩分级级别。围岩分级的判断源于现有钻进参数,相比于根据前期地勘结果或掌子面地质素描结果确定围岩级别、或人为判定围岩级别,本发明的识别方式更加客观、准确,还能够在施工过程中实时感知,避免围岩判断出现较大误差导致的掘进风险。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,所述步骤5)中无监督聚类分级模型采用高斯混合模型。
步骤5)中高斯混合模型的输入值为服从多峰正态分布的钻进参数,选择高斯混合模型来对服从多峰正态分布的钻进参数进行处理能够提高模型的处理精度,进而可以提高围岩分级的准确性。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,该方法还包括对单个钻孔得到围岩级别在深度方向上进行展示。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,该方法还包括对多个钻孔得到的围岩级别在隧道断面上进行展示。
通过展示单个钻孔在深度方向上的围岩级别分布情况,以及多个钻孔数据得到的隧道断面上的围岩级别分布情况,能够直观地供施工人员根据隧道施工空间内围岩级别的分布状况调整钻进参数,从而降低钻具的异常损耗。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,步骤2)还包括根据钻进参数预处理方法对所述钻进稳定段数据中异常数据进行剔除。
通过剔除钻井稳定段数据中的异常数据,有助于减少围岩分级结果的误差,便于施工人员准确调整钻进参数。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,步骤2)中所述钻进参数预处理方法包括3Sigma和箱线图方法。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,步骤2)中所述钻进循环划分方法包括最大类间方差法。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,步骤5)中输入应钻进参数的特征指的是该参数在稳定段中的均值。
进一步地,在上述围岩分级数字化方法中,步骤3)中所述设定间隔为30~50cm。
本发明还提供了一种围岩分级数字化***,包括存储器、处理器和内部总线,处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的数据和通信交互。
本发明通过对钻进循环稳定段的钻进数据按照设定间隔进行特征提取,并选取相关性符合条件的参数作为分级指标,根据分级指标建立无监督聚类分级模型,后续只需现有钻进参数输入该模型中,就能得到围岩分级级别。围岩分级的判断源于现有钻进参数,相比于根据前期地勘结果或掌子面地质素描结果确定围岩级别、或人为判定围岩级别,本发明的识别方式更加客观、准确,还能够在施工过程中实时感知,避免围岩判断出现较大误差导致的掘进风险。
附图说明
图1为本发明的流程示意图;
图2为单个钻孔围岩分级可视化效果图;
图3为隧道断面围岩分级可视化效果图;
图4为***实施例中围岩分级数字化***结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。
方法实施例:
如图1所示,本发明的围岩分级数字化方法包括如下步骤:
1)钻进参数获取及数据转换:实时获取原始钻进参数,并对钻进深度等参数进行数据转换。
首先通过以太网方式从凿岩台车实时采集原始钻进参数,原始钻进参数包括钻进深度、钻进速度、冲击压力、回转压力、推进压力等8项参数以及当前隧道断面桩号参数。作为其他实施方式,原始钻进参数也可以包括其他参数,但是至少要包括冲击压力、回转压力和推进压力中的至少一个。
之后根据钻进深度、当前隧道断面桩号等参数,将钻进深度转化为钻杆与岩石接触面的实时桩号信息,便于后续对钻进参数围岩分级化提供位置信息。钻孔过程中钻杆与岩石接触面的桩号信息Zhg计算公式如下:
式中,Zht为当前隧道断面桩号,单位为m;h为凿岩台车实时记录的钻进深度参数,单位为m。
2)钻进参数精细化处理:通过对步骤1)获取的原始钻进参数进行数据滤波和钻进循环划分,并提取钻进循环稳定段数据。
凿岩台车一个完整钻进过程可分为钻进起始段、钻进稳定段和钻进结束段3个阶段。在钻进起始段,钻杆冲击前方岩石达到破岩门槛值,而后逐渐增加打击压力直至稳定,在打击压力趋于稳定之前的钻进过程与TBM在空推段、上升段的操作相类似,但整个过程持续时间较短。在钻进稳定段,岩体状态、设备状态较为稳定,打击压力波动较小,是凿岩台车钻杆钻进的主要过程。在钻进结束段,推进梁油缸达到最大行程,停止向前钻进,打击压力、推进压力迅速下降,该循环钻孔完成、钎具退出。
由于钻进起始段和钻进结束段中钻进参数变化比较大,会给围岩级别的识别带来干扰,因此本发明需要滤除这两个阶段的参数,根据凿岩台车钻进参数在各个钻进阶段的特点,剔除每环钻进过程中前30~35cm钻进起始段数据以及最后3~5cm的钻进结束段数据,完成钻进参数的一次过滤。
其次利用钻进参数预处理方法对一次过滤后的钻进参数进行异常值剔除,完成钻进数据的二次过滤,从而剔除钻进超限数据,其中钻进参数预处理方法包括3Sigma及箱线图方法。
接着根据二次滤波后的钻进参数,可以以钻进参数中打击压力、推进速度和冲击压力这几项参数中的某一项参数作为划分标准,采用钻进循环自动划分方法进行划分,得到该钻进参数的各个循环段的稳定数据,各个循环段的稳定数据是按照钻进过程中的钻进深度来划分的;其他钻进参数可直接按照之前钻进参数的划分结果进行划分。例如以打击压力为划分标准,利用最大类间方差法对打击压力进行循环稳定段划分,提取打击压力中的循环稳定段数据,其他钻进参数直接按照打击压力的划分结果进行划分,其具体实施过程如下:
①初始化掘进段打击压力中上升段与稳定段间阈值g0,并统计掘进段中打击压力小于g0的数据个数记作D0,打击压力大于g0的数据个数记作D1。
②将掘进段打击压力中上升段数据占整个掘进段的比例记为w0,并计算掘进段中上升段打击压力的平均值μ0,若实时打击压力值Ph<g0,则视为上升段;将掘进段打击压力中稳定段数据占整个掘进段的比例记为w1,并计算掘进段中稳定段打击压力的平均值μ1,若实时打击压力值Ph≥g0,则视为稳定段。
由于整个掘进段仅划分为上升段和稳定段,因此在整个掘进段中,上升段数据占比w0与稳定段数据占比w1之和为1,即:
w0+w1=1
③根据掘进段打击压力中上升段、稳定段数据所占比例w0、w1及其平均值μ0、μ1,可计算整个掘进段打击压力的均值μ及类间方差Sc。
μ=w0μ0+w1μ1
Sc=w0(μ0-μ)2+w1(μ1-μ)2
进一步化简得到
Sc=w0w1(μ0-μ1)2
④将整个掘进段打击压力的均值μ作为新的掘进段打击压力上升段与稳定段间阈值g0′,再重复步骤①~步骤③计算新的掘进段打击压力的均值μ′及类间方差Sc′,通过对比类间方差Sc、Sc′,如果Sc<Sc′,则将新的掘进段打击压力的均值μ′作为掘进段打击压力上升段与稳定段间最终阈值,此时掘进段中稳定段数据划分结束;否则,继续重复执行步骤①~步骤③,直至稳定段划分结束。
3)钻进参数特征提取:对步骤2)所获取的钻进循环稳定段数据沿着钻进方向按照一定间隔进行划分,计算各间隔内的参数均值,作为该间隔的钻进参数特征,为后续围岩聚类分级提供数据支撑,其中钻进参数特征提取间隔可设置为30cm~50cm。例如若要确定推进压力的参数特征,则可以按照40cm为间隔将循环稳定段内推进压力进行划分,计算各间隔内的推进压力均值,将各间隔内的推进压力均值构成的序列作为推进压力的参数特征。
4)钻进参数围岩分级指标选择:对步骤3)所提取的稳定段钻进参数进行优选。首先分析各个稳定段钻进参数自身的数据分布情况,初步判断钻进参数与围岩类别之间的相关性。如果稳定段钻进参数自身的数据分布服从正态分布,则说明钻进参数不容易受到围岩类别变化的影响,即钻进参数与围岩类别之间的相关性弱;如果稳定段钻进参数自身的数据分布服从多峰正态分布,则说明钻进参数容易受到围岩类别变化的影响,即钻进参数与围岩类别之间的相关性强。
例如要确定推进压力与围岩参数之间的相关性,则判断各间隔内的推进压力均值分布情况,若服从正态分布,说明推进压力参数与围岩类别相关性差;若服从多峰正态分布,则说明推进压力参数与围岩类别相关性强。
之后分析各个稳定段钻进参数之间的相关性,通过散点图分析及Person相关度计算,筛选同其他钻进参数相关性强的钻进参数围岩分级指标。如果钻进参数与其他各个钻进参数的散点图中所有离散点近似分布在一条直线上,且Person相关度值大于等于0.5,则说明该钻进参数同其他钻进参数之间相关性强;如果钻进参数与其他各个钻进参数的散点图中所有离散点分布和直线分布相距较大,则说明该钻进参数同其他钻进参数之间相关性弱。
根据上述分析,筛选对围岩类别敏感以及同其他钻进参数相关性强的钻进参数,即钻进参数自身分布服从多峰正态分布,且与其他各个钻进参数的散点图中所有离散点近似分布在一条直线上的钻进参数。将筛选得到的钻进参数作为钻进参数围岩分级指标,用于后续钻进参数围岩分级模型的输入。
通过上述过程,发现钻进深度、钻进速度、冲击压力、回转压力、推进压力等8项钻进参数中,打击压力、推进压力和回转压力这3项钻进参数能够同时满足与围岩类别相关性强以及与其他钻进参数之间的相关性强这两个条件,因此选择这3项钻进参数作为围岩分级指标。
5)钻进参数围岩聚类分级:根据步骤4)中提取钻进参数围岩分级指标建立钻进参数围岩分级模型。
之后采用无监督聚类分级方法对钻进参数围岩分级指标进行建模,模型输入量为稳定段打击压力的均值特征、推进压力的均值特征及回转压力的均值特征,模型输出量为钻进参数围岩分级类别。其中用于钻进参数围岩分级的无监督聚类方法需要根据钻进参数的具体分布特点选择合适方法,由于步骤4)中就是筛选出对围岩类别敏感的钻进参数,因此钻进参数服从多元正态分布,对应地,钻进参数围岩分级模型应当选用高斯混合模型。
6)钻进参数围岩分级数字化:根据步骤5)所获取的钻进参数围岩分级模型,将最新获取的钻孔钻进参数输入至钻进参数围岩分级模型,获取钻孔及隧道断面的围岩分级结果,并对其进行数字化展示。
对单个钻孔的围岩分级结果进行可视化展示:当操作人员在上位机界面选择布孔图中某个钻孔时,以该孔最新钻进数据作为钻进参数围岩分级模型的输入量,输出得到该钻孔的围岩分级结果,围岩分级类别可分为:II类围岩、III类围岩、IV类围岩、V类围岩;并对其中不同的围岩分级结果用不同颜色进行可视化显示,单个钻孔的围岩分级可视化结果如图2所示。
为了在隧道截面方向上展示围岩分级结果,从而加强施工人员对围岩情况的了解,对隧道断面的围岩分级结果进行可视化展示:首先将隧道断面围岩划分为顶部左侧、顶部右侧、中部左侧、中部中间、中部右侧、底部左侧、底部右侧共7个区域,并确保所有钻孔均处于某一区域内。其次对隧道断面各个钻孔进行施工并将最新钻进数据输入钻进参数围岩分级模型,得到各个钻孔的围岩分级结果。统计某个区域内的所有钻孔围岩分级类别的占比,以比例最高的围岩分级类别作为该区域的围岩分级结果,由此得到取隧道断面内各个区域的围岩分级结果,并对不同的围岩分级结果用不同颜色进行可视化显示,如图3所示。
***实施例:
本发明还提供了一种围岩分级数字化***,如图4所示,包括存储器、处理器和内部总线,处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的数据和通信交互。处理器可以为微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器,例如RAM、ROM等;也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器,例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘等;还可为利用光学方式存储信息的各式存储器,例如CD、DVD等;当然,还可为其他方式的存储器,例如量子存储器、石墨烯存储器等。
Claims (10)
1.一种围岩分级数字化方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)实时获取原始钻进参数;
2)剔除原始钻井参数中钻进起始段数据和钻进结束段数据,得到钻进稳定段数据,之后通过钻进循环划分方法划分钻进循环稳定段数据;
3)在钻进方向上按照设定间隔对钻进循环稳定段数据进行特征提取;
4)根据提取的特征筛选稳定段中钻进参数服从多峰正态分布和其他稳定段钻进参数相关性大于设定阈值的钻进参数作为钻进参数分级指标;
5)建立无监督聚类分级模型,根据钻进参数分级指标获取对应钻进参数的特征,将对应钻进参数的特征输入到所述无监督聚类分级模型中,得到相应的围岩级别。
2.根据权利要求1所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,所述步骤5)中无监督聚类分级模型采用高斯混合模型。
3.根据权利要求1或2所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,该方法还包括对单个钻孔得到围岩级别在深度方向上进行展示。
4.根据权利要求3所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,该方法还包括对多个钻孔得到的围岩级别在隧道断面上进行展示。
5.根据权利要求1所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,步骤2)还包括根据钻进参数预处理方法对所述钻进稳定段数据中异常数据进行剔除。
6.根据权利要求5所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,步骤2)中所述钻进参数预处理方法包括3Sigma和箱线图方法。
7.根据权利要求1所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,步骤2)中所述钻进循环划分方法包括最大类间方差法。
8.根据权利要求1所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,步骤5)中输入应钻进参数的特征指的是该参数在稳定段中的均值。
9.根据权利要求1所述的围岩分级数字化方法,其特征在于,步骤3)中所述设定间隔为30~50cm。
10.一种围岩分级数字化***,其特征在于,采用了权利要求1-9任一项所述的围岩分级数字化方法。
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