[发明专利]以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法

摘要

本发明公开了一种以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法，包括：确定岩体可掘进性的敏感参数R_c、K_v、α和渗水量；采用模糊聚类理论建立样本模糊聚类模型；对工程项目样本进行聚类分析，从而得到样本聚类结果；根据获得的样本聚类结果以及每个参数对ROP的影响，将样本可掘进性级别划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级；进一步细化，最终得出TBM施工围岩可掘进性分级。本发明方法针对现有TBM施工领域缺乏系统完整的地质预测及性能预测实施方法这现状，提出依据施工样本数据，建立TBM施工条件下的隧洞围岩系统化分类方法，旨在准确预测特定地质条件下的TBM掘进性能，指导确立各项施工参数，并预期对TBM刀盘的设计提供定量依据。

主权项

一种以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定岩体可掘进性的敏感参数，包括：岩石单轴抗压强度R_c、岩石完整性系数K_v、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量；步骤2、采用模糊聚类理论建立样本模糊聚类模型，包括：1)建立数据矩阵U：设论域U＝{x₁,x₂,x₃,…x₁₀₀}为被分类域，其中x_i为被分类对象，每个对象包括四个指标用以表示该对象的特征，即：x_i＝{x_i1,x_i2,x_i3,x_i4}，其中，x_i表示数据矩阵中的第i个样本，x_i1表示岩石单轴抗压强度R_c，x_i2表示岩石完整性系数K_v，x_i3表示岩体结构面与隧道轴线夹角α，x_i4表示渗水量，得到原始数据矩阵为：$X={\left(\begin{array}{cccc}45& 0.61& 60& 5\\ 45& 0.62& 62& 9\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ 52& 0.70& 65& 3\\ 48& 0.71& 69& 8\end{array}\right)}_{100*4}$2)对原始数据矩阵行标准化处理：运用平移极差变换将矩阵数据压缩至[0 1]的范围，其变换公式如下：$x_{\mathrm{ik}}^{\′\′}=\frac{x_{\mathrm{ik}}^{\′}-\underset{1\≤i\≤100}{\min }\left\{x_{\mathrm{ik}}^{\′}\right\}}{\underset{1\≤i\≤100}{\max }\left\{x_{\mathrm{ik}}^{\′}\right\}-\underset{1\≤i\≤100}{\min }\left\{x_{\mathrm{ik}}^{\′}\right\}},$其中，(k＝1,2,…,4),则:0≤x″_ik≤1；3)建立模糊相似矩阵：在上述步骤1)所建立的原始数据矩阵中选取样本x_i和x_j，并定义两者的相似程度为r_ij＝R(x_i,x_j)，其中：i,j＝1,2,....100；采用直接距离法确定相似程度r_ij＝1‑c·d(x_i,x_j)，其中，c为适当选取参数，且0＜c＜1，d(x_i,x_j)表示样本x_i与样本x_j的欧式距离：设0≤r_ij≤1，取c＝0.1；所得的模糊相似矩阵如下：该模糊相似矩阵为对角型矩阵；4)运用直接聚类法实现样本数据的分类，即根据建立的模糊相似矩阵进行数据的逐次分类：首先，定义λ₁＝1，λ为聚类指数，且范围是0≤λ≤1，λ₁为λ最大值，对每一个x_i样本作相似类，即将满足r_ij＝1的x_i和x_j归为一类，构成相似类，在不同的相似类中将有公共元素的相似类合并，从而构成λ₁＝1水平上的等价类；然后，定义λ₂为次大值，且0≤λ₂＜λ₁，依据上述方法，即对每一个x_i样本作相似类，即将满足r_ij＝1的x_i和x_j归为一类，构成相似类，在不同的相似类中将有公共元素的相似类合并，得到λ₂水平上的等价类；以此类推，直至合并到X为一类为止；至此，已将样本数据进行了模糊分类，建立了模糊聚类模型；步骤3、对工程项目样本进行聚类分析，从而得到样本聚类结果：基于上述模糊聚类理论，将一工程项目中的100个样本进行聚类分析，并以Euclidean距离模型表示最终聚类结果，以聚类树状图显示样本聚类的动态过程，经过逐次分类最终合并为一类；步骤4、岩体可掘进性分级的初步划定：根据步骤3获得的样本聚类结果以及步骤1确定的岩石单轴抗压强度R_c、岩石完整性系数K_v、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量对掘进速率ROP的影响，将样本可掘进性级别划分为三个级别，包括Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，并确定每一级岩体岩石单轴抗压强度R_c、岩石完整性系数K_v、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量的范围值以及所对应的掘进速率ROP值，初步划定围岩可掘进性分级如下：步骤5、岩体可掘进性分级的进一步精简划定根据步骤4初步划定的岩体可掘进性分级，利用SPSS软件对各级岩体的性质参数进行敏感性分析，得出TBM施工围岩可掘进性分级如下：该TBM施工围岩分级方法中，岩石单轴抗压强度R_c的单位为Mpa，岩体结构面与隧道轴线夹角α的单位为°，渗水量的单位为L/min﹒10m，掘进速率ROP的单位为m﹒h^‑1。