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原文传递隧道地质数字钻进精细化识别方法研究

论文题名：	隧道地质数字钻进精细化识别方法研究
关键词：	隧道地质;数字钻进;能量理论;界面识别;不良地质体;围岩分级
摘要：	我国基础设施建设中有大量隧道工程，隧道的突水涌泥灾害严重的限制了施工进程，由于隧道掌子面前方地质体不明、勘察资料根本不能完全准确反映施工前方的地质情况，给现场施工带来很大盲目性，因而经常出现难以预知的地质灾害，包括突水突泥在内的坍塌、岩爆和有害气体等，隧道开挖导致的工程灾害具有无法选择性、多元性、难治理性及突发性，万一灾害发生，轻则冲毁机器、器材，淹没隧道，正常施工中断;重则引起重大人员伤亡，造成巨大经济损失，甚至部分地下工程会因此被迫改线或停建，成为了严重影响施工进程的因素。常规的钻孔取芯岩土工程勘察手段费时、费力、成本极高，而地球物理探测方法存在信息解译不确定性与多解性的缺点，且一种物探方法无法同时解决界面识别、不良地质体识别和围岩分级问题。针对以上难题，提出了隧道地质数字钻进精细化识别方法，以探寻钻进参数与地层信息之间的相关性指标为主线，以可钻性指标、钻进能量和钻进参数数据为核心，以仿生k-medoids算法和量子遗传-RBF神经网络为方法，以参数采集系统的设计和数据的转换为基础，实现对地层的界面识别、不良地质体识别和围岩分级，并在工程实践中得到了检验和应用，取得了一系列的创新研究成果: 　　(1)优化钻进能量转换公式，将忽略的钻头水功能量添加到钻进能量计算公式中，同时考虑到钻进比功和机械比能在反映岩石可钻性时存在的误差，为了更为准确的反映岩土体的客观实际情况，提出了加权比功概念，并用功效系数法和粗糙集理论，确定了加权比功公式中的权重值，定义了加权比功公式。　　(2)设计了数字钻进信息采集系统，改进了实验载体钻机中的参数采集装置，重新设计了钻进深度、钻进速度、扭矩、压力和转速等参数的采集方法，改进了数据转换系统，采用DSP微处理器进行钻进信息的数模和模数转换，并基于钻进能量和加权比功概念生成可利用的数字钻进能量信息，同时建立数字钻进信息存储及分析系统，实现对数字钻进信息的存储和分析。　　(3)利用基于钻进速度-转数-推进力耦合的可钻性指标的界面识别方法，将采集的地层深度、钻进速度、扭矩、转速和推进力等钻进信息进行分析处理，得到了钻探地层内的界面信息，并结合地质分析，确定了界面之间的围岩风化程度等级和围岩岩性。　　(4)针对数字钻进信息采集系统得到的大量数据，利用数字钻进能量理论将其转换并生成钻进能量和加权比功数据集，然后采用仿生k-medoids聚类算法，将大量的钻进能量和加权比功数据进行聚类分析，高效准确地对不良地质体进行了识别。　　(5)针对围岩分级问题，基于量子遗传-RBF（径向基函数）神经网络算法，提出了数字钻进围岩分级方法，此方法以数字钻进技术为基础，从钻进参数中提取有用信息，构建围岩分级指标体系，并采用量子计算原理对遗传算法进行改进，通过量子位编码和量子旋转门更新种群，以此来确定RBF神经网络的参数，建立了基于量子遗传算法-RBF神经网络的围岩分级系统。　　(6)针对青岛胶州湾隧道F4-4断层，开展了不良地质数字钻进精细化识别方法研究，利用数字钻进系统采集的钻进速度、扭矩、转速、推进力、钻进能量和加权比功等参数，实现了对隧道F4-4断层内部的界面识别、不良地质体识别和围岩分级。
作者：	田昊
专业：	岩土工程
导师：	邬爱清;李术才
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文