鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法、裝置及介質(zhì)制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法、裝置及介質(zhì)，包括如下步驟：基于現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆進(jìn)參數(shù)樣本，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建掌子面智能分級(jí)模型；利用鑿巖臺(tái)車定位系統(tǒng)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系確定各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間；結(jié)合隧道工程實(shí)際，將鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間縱向分段、橫向分塊

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法、裝置及介質(zhì)


[0001]本專利技術(shù)涉及隧道工程
，具體涉及一種鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法、裝置及介質(zhì)。

技術(shù)介紹

[0002]隨著鑿巖臺(tái)車、噴混臺(tái)車、拱架臺(tái)車等系列大型施工裝備的應(yīng)用，隧道施工效率、施工質(zhì)量大幅度提升，隧道洞身段穩(wěn)定性得到了更好地保障，因此為進(jìn)一步提高施工效率、減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)、充分發(fā)揮機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)進(jìn)尺開(kāi)挖(單次循環(huán)進(jìn)尺3～6m)逐漸成為機(jī)械化施工隧道的趨勢(shì)。另一方面，鐵路隧道斷面設(shè)計(jì)考慮空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、建筑限界、救援通道、結(jié)構(gòu)受力、溝槽布置等多因素作用，凈空面積一般較大，往往50～100m2，開(kāi)挖面積更是達(dá)到100～150m2。在如此大面積的圍巖范圍內(nèi)，因地質(zhì)發(fā)育的隨機(jī)性和復(fù)雜性，其圍巖質(zhì)量往往存在軟硬不均的現(xiàn)象，最典型為上軟下硬地層、左右不均地層以及軟弱夾層等。因此，長(zhǎng)進(jìn)尺、大斷面開(kāi)挖條件下，對(duì)隧道開(kāi)挖掌子面
?
未支護(hù)段圍巖三維穩(wěn)定性帶來(lái)更大挑戰(zhàn)，對(duì)圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)、洞室穩(wěn)定性分析、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，而能否精確、快速對(duì)循環(huán)進(jìn)尺范圍內(nèi)圍巖進(jìn)行三維進(jìn)行精細(xì)化分級(jí)則成為了關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)地質(zhì)勘察手段(地質(zhì)素描、物探、鉆探等)因其過(guò)于宏觀、定性，其對(duì)地質(zhì)的探測(cè)分辨率比較低，難以準(zhǔn)確、全面的獲取整個(gè)循環(huán)范圍內(nèi)的地質(zhì)信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)化分級(jí)。相比之下應(yīng)用鑿巖臺(tái)車炮孔鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行循環(huán)進(jìn)尺范圍內(nèi)圍巖三維精細(xì)化分級(jí)具有參數(shù)自動(dòng)采集(機(jī)載傳感器自動(dòng)記錄鉆進(jìn)參數(shù))、不對(duì)施工造成干擾(鉆孔過(guò)程中自動(dòng)記錄，無(wú)需額外工作)、采集密度大(掌子面散布200～300個(gè)炮孔，縱向采集間隔厘米級(jí))等天然優(yōu)勢(shì)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)專利“CN111489010A鉆爆法隧道掌子面前方圍巖級(jí)別智能預(yù)測(cè)方法及裝置”中，專利技術(shù)人基于隨鉆參數(shù)的已開(kāi)挖循環(huán)掌子面二維精細(xì)化分級(jí)結(jié)果對(duì)未開(kāi)挖掌子面圍巖級(jí)別進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本專利對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的精細(xì)化分級(jí)方法進(jìn)行了全面升級(jí)，基于三維鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)空間、地質(zhì)特征和設(shè)計(jì)施工需求，構(gòu)建了包含縱向、橫向不同尺度的鉆爆法隧道圍巖三維精細(xì)化分級(jí)體系，各尺度精細(xì)化分級(jí)結(jié)果相輔相成，綜合利用可有效指導(dǎo)包含前方預(yù)測(cè)、掌子面設(shè)計(jì)、洞身支護(hù)設(shè)計(jì)、超前支護(hù)設(shè)計(jì)的隧道施工方案的調(diào)整、優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本專利技術(shù)提供了一種鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法、裝置及介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)各尺度三維精細(xì)化分級(jí)，并為圍巖三維穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)以及為施工方案制定、動(dòng)態(tài)調(diào)整提供建議，解決了上述
技術(shù)介紹
中提到的問(wèn)題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：一種鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法，包括如下步驟：
[0006]S1、基于現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆進(jìn)參數(shù)樣本，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建掌子面智能分級(jí)模型；
[0007]S2、利用鑿巖臺(tái)車定位系統(tǒng)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系確定各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間；
[0008]S3、結(jié)合隧道工程實(shí)際，將鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間縱向分段、橫向分塊
?
分層
?
分區(qū)；
[0009]S4、基于構(gòu)建好的掌子面智能分級(jí)模型，實(shí)現(xiàn)不同層次各尺度三維精細(xì)化分級(jí)。
[0010]優(yōu)選的，所述步驟S1中的鉆進(jìn)參數(shù)包括鉆進(jìn)速度、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力。
[0011]優(yōu)選的，所述步驟S2中的利用鑿巖臺(tái)車定位系統(tǒng)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系確定各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間，具體包括如下：
[0012]S21、通過(guò)鑿巖臺(tái)車搭載的掃描儀完成定位，自動(dòng)求解裝備定位里程；
[0013]S22、通過(guò)鑿巖臺(tái)車臂架控制系統(tǒng)，臺(tái)車自動(dòng)記錄各鉆頭起始位置的6個(gè)位姿參數(shù)以及鉆孔實(shí)時(shí)深度；
[0014]S23、基于鑿巖臺(tái)車定位里程、各鉆孔起始位置的6個(gè)位姿參數(shù)以及各鉆孔深度，求解炮孔各深度鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)；
[0015]S24、基于鉆進(jìn)參數(shù)三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)，將原始并不均勻分布的炮孔鉆進(jìn)參數(shù)插值為均勻分布的三維空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)；
[0016]S25、根據(jù)三維空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，利用射線法對(duì)全里程序列的每一個(gè)里程切面按照設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓進(jìn)行自動(dòng)修剪，僅保留設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓以內(nèi)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟S23中的6個(gè)位姿參數(shù)分別為：x、y、z、α、β、γ，各位姿參數(shù)表示隧道坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)或歐拉角。
[0018]優(yōu)選的，所述步驟S23中求解炮孔各深度鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)具體包括：將炮孔坐標(biāo)系向隧道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化關(guān)系公式如下：
[0019][0020]m
i
＝m0+x
i
??
式(2)
[0021][0022]式中，x
i
、y
i
、z
i
為第i個(gè)深度的隧道坐標(biāo)系下坐標(biāo)，單位(m)；d
i
為第i個(gè)深度的炮孔深度，單位(m)；x0、y0、z0為炮孔起始位置(深度為0m處)隧道坐標(biāo)系下坐標(biāo)，單位(m)；M為對(duì)應(yīng)鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，α、β、γ為對(duì)應(yīng)鉆孔(鉆桿)歐拉角，單位(rad)；m
i
為第i個(gè)深度對(duì)應(yīng)隧道里程，單位(m)；m0為臺(tái)車定位里程，單位(m)。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟S3中的結(jié)合隧道工程實(shí)際，將鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間縱向分段、橫向分塊
?
分層
?
分區(qū)，具體包括如下：
[0024]S31、基于鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間，結(jié)合結(jié)構(gòu)面間距、錨桿間距、鋼架間距常見(jiàn)工況，按照縱向里程進(jìn)行分段；
[0025]S32、基于各分段鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間，結(jié)合炮孔間距和圍巖分級(jí)尺度，進(jìn)一步按照斷面型式及炮孔布置將其橫向劃分為若干塊；
[0026]S33、基于各分段鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間，進(jìn)一步根據(jù)橫向分塊設(shè)置情況，將其從
上到下或從左到右分為幾層；
[0027]S34、基于各分段鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間，進(jìn)一步結(jié)合橫向分塊設(shè)置情況，將其分為拱部、左邊墻、右邊墻3個(gè)區(qū)域。
[0028]優(yōu)選的，所述的基于構(gòu)建好的掌子面智能分級(jí)模型，實(shí)現(xiàn)不同層次各尺度三維精細(xì)化分級(jí)，具體包括：計(jì)算各塊、層、區(qū)的鉆進(jìn)參數(shù)均值作為各塊、層、區(qū)的鉆進(jìn)參數(shù)分級(jí)特征值，并調(diào)用圍巖智能分級(jí)模型進(jìn)行相應(yīng)圍巖級(jí)別計(jì)算，實(shí)現(xiàn)不同層次各尺度三維精細(xì)化分級(jí)。
[0029]另外，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)還提供了如下技術(shù)方案：一種鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)裝置，所述裝置包括：
[0030]掌子面智能分級(jí)模型構(gòu)建模塊：基于現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆進(jìn)參數(shù)樣本，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建掌子面智能分級(jí)模型；
[0031]鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間構(gòu)建模塊：利用鑿巖臺(tái)車定位系統(tǒng)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系確定各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間；
[0032]鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間劃分模塊：結(jié)合隧道工程實(shí)際，將鉆進(jìn)參數(shù)三維本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、基于現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆進(jìn)參數(shù)樣本，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建掌子面智能分級(jí)模型；S2、利用鑿巖臺(tái)車定位系統(tǒng)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系確定各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間；S3、結(jié)合隧道工程實(shí)際，將鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間縱向分段、橫向分塊
?
分層
?
分區(qū)；S4、基于構(gòu)建好的掌子面智能分級(jí)模型，實(shí)現(xiàn)不同層次各尺度三維精細(xì)化分級(jí)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法，其特征在于：所述步驟S1中的鉆進(jìn)參數(shù)包括鉆進(jìn)速度、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法，其特征在于：所述步驟S2中的利用鑿巖臺(tái)車定位系統(tǒng)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系確定各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間，具體包括如下：S21、通過(guò)鑿巖臺(tái)車搭載的掃描儀完成定位，自動(dòng)求解裝備定位里程；S22、通過(guò)鑿巖臺(tái)車臂架控制系統(tǒng)，臺(tái)車自動(dòng)記錄各鉆頭起始位置的6個(gè)位姿參數(shù)以及鉆孔實(shí)時(shí)深度；S23、基于鑿巖臺(tái)車定位里程、各鉆孔起始位置的6個(gè)位姿參數(shù)以及各鉆孔深度，求解炮孔各深度鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)；S24、基于鉆進(jìn)參數(shù)三維坐標(biāo)，利用插值技術(shù)，將原始并不均勻分布的炮孔鉆進(jìn)參數(shù)插值為均勻分布的三維空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)；S25、根據(jù)三維空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，利用射線法對(duì)全里程序列的每一個(gè)里程切面按照設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓進(jìn)行自動(dòng)修剪，僅保留設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓以內(nèi)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建鉆進(jìn)參數(shù)三維數(shù)據(jù)空間。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法，其特征在于：所述步驟S23中的6個(gè)位姿參數(shù)分別為：x、y、z、α、β、γ，各位姿參數(shù)表示隧道坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)或歐拉角。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆爆法隧道掌子面圍巖三維精細(xì)化分級(jí)方法，其特征在于：所述步驟S23中求解炮孔各深度鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)具體包括：將炮孔坐標(biāo)系向隧道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化關(guān)系公式如下：m
i
＝m0+x
i
??
式(2)式中，x
i
、y
i
、z
i
為第i個(gè)深度的隧道坐標(biāo)系下坐標(biāo)，單位(m)；d
i
為第i個(gè)深度的炮孔深度，單位(m)；x0、y0、z0為炮孔起始位置(深度為0m處)隧道坐標(biāo)系下坐標(biāo)，單位(m)；M為對(duì)應(yīng)鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，α、β、γ...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王明年，李澤星，童建軍，趙思光，夏覃永，易文豪，彭鑫，林鵬，孫鴻強(qiáng)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西南交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：