(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210821618.9 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 北京交通大 学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 李旭　武雷杰　李锦辉　李建斌　 王玉杰　王双敬　王琳　刘立鹏　 原继东　 (74)专利代理 机构 北京市商 泰律师事务所 11255 专利代理师 黄晓军 (51)Int.Cl. G06Q 10/06(2012.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) (54)发明名称 一种基于TBM实时破岩数据的软弱破碎围岩 感知方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于TBM实时破岩数据的 软弱破碎围岩感知方法。 该方法将已有数据划分 为软弱破碎围岩数据集和非软弱破碎围岩数据 集。 首先， 利用重合度的概念计算了破岩指标 (TPI、 FPI、 WR和AF)在两个 数据集上的划分阈值； 其次， 基于单一指标的权重提出综合指标η， 并 计算综合指标η在两个数据集上的区分阈值， 建 立了软弱围岩的识别模型； 然后， 依据贝叶斯定 理和η建立了软弱围岩的定量计算模 型。 在使用 时， 根据当前TBM上升段的数据， 计算得到η， 进 而定量计算模型得到当前掌子面围岩的软弱破 碎概率， 并进行塌方预警。 本发明方法可 以实时 感知当前掌子面围岩是否软弱破碎； 采用基于贝 叶斯理论的统计学方法， 满足了TBM安全、 高效、 经济的施工目的。 权利要求书4页 说明书14页 附图3页 CN 115239108 A 2022.10.25 CN 115239108 A 1.一种基于TBM实时破岩数据的软弱破碎围岩感知方法， 其特 征在于， 包括： 根据全断面硬岩隧道掘进机实时掘进过程中的加载阶段数据和TBM破岩指标定义计算 多个软弱破碎岩体FWM指标； 计算每个FWM指标的区分阈值， 根据单个FWM指标和对应的判断阈值对掌子面围岩条件 是否软弱破碎进行初步判定； 根据当前桩号的多个FWM指标数值计算基于权重方法的FWM综合指标， 将FWM综合指标 与其阈值进行对比， 根据软弱围岩定性判别模型对掌子面围岩条件是否软弱破碎作进一步 判定； 根据软弱围岩定量判别模型和FWM综合指标数值， 计算掌子面围岩为软弱破碎围岩的 概率； 根据软弱破碎围岩的概 率对当前掌子面进行塌方 预警。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述的根据全断面硬岩隧道掘进机TBM实 时掘进过程中的加载阶段 数据和TBM破岩指标定义计算多个软弱破碎岩体FWM指标， 包括： 获取TBM掘进当前桩号的加载阶段的5种基本破岩数据， 刀盘扭矩T、 总推进力F、 推进速 度v、 刀盘转速n和刀盘贯入度p数据， 并对这5种基本破岩数据进行异常数据清洗， 规则如 下： 式中， T、 F、 n、 v、 p分别代表刀盘扭矩、 总推进力、 刀盘转速、 推进速度和贯入度； 等号左 边表示经过清洗后， 形状为5 ×n的数组， 其中n表示数据样本数目， 等号右边表示保留满足 条件的数组， i表示第i秒； 计算当前桩号各 FWM指标数值， 计算公式如下 所示： F＝AF×p+BF                   (5) 其中， TPI为扭矩切深指数， 表示TBM滚刀贯入岩体1mm所需的扭矩； FPI为场切深指数， 表示TBM滚刀贯入 单位岩体所需的推力； W R为功能比率， 表 示单位时间内扭矩做功与推力做 功的比值； AF为推力和贯入度的拟合系数， BF为推力与贯入度关系的拟合截距,以上4个指 标为FWM指标。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述的计算每个FWM指标的判断阈值， 利用 单个FWM指标和对应的判断阈值对掌子面围岩条件是否属于软弱破碎进行初步判定， 包括： 根据施工记录的地质情况， 将TBM掘进数据划分为软弱 破碎围岩FWM数据集和非软弱破 碎围岩non‑FWM数据集；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115239108 A 2根据FWM指标在 FWM数据集和non‑FWM数据集上的分布情况， 计算每个FWM指标的区分阈 值， 其计算公式如下： Xc＝ μ2+β σ2＝ μ1‑β σ1                    (6) 式中， Xc表示某个FWM指标的阈值， μ1和σ1表示指标X在non ‑FWM数据集中的均值和 标准 差； μ2和σ2表示FWM指标X在FWM数据集中的均值和标准差； β 代表重合度指标， 其值越大， 表示 FWM指标X在两个数据集上的区分度越明显； IFW表示判别结果， 1表示当前掌子面属于软弱 破碎岩体， 0表示当前掌子面属于非软弱 破碎岩体。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述的根据当前桩号的多个FWM指标数值 计算基于权重方法 的FWM综合指标， 将FWM综合指标与其阈值进行对比， 根据软弱围岩定性 判别模型对掌子面围岩条件是否软弱破碎作进一 步判定， 包括： 根据TPI、 FPI、 WR和AF对应的重合度β， 计算各 FWM指标的权 重， 如下所示： 其中， i代 表不同的FWM指标； wi和βi分别代表第i个FWM指标的权 重和重合度指标； 根据各FWM指标的重合度β 所占的权重以及各FWM指标在FWM数据集中的分布， 计算FWM 综合指标， 公式如下： η＝∑ ηi＝∑[1‑Φi， 2(xi)]wi          (10) 其中， η表示FWM综合指标； ηi代表第i个指标所作的贡献； xi表示在某桩号处第i个指标 的取值； Φi,2表示第i个指标在FWM数据集中的累计概 率密度函数； 根据软弱围岩定性判别模型对掌子面围岩 情况作进一 步判定， 公式如下： 其中， IFW表示判别结果； ηc表示 η 的判别阈值； 1表示当前掌子面为软弱破碎围岩； 0表示 当前掌子面 为非软弱破碎围岩。 5.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述的根据当前桩号的多个FWM指标数值 计算基于 权重方法的FWM综合指标， 包括： 假定Φi,2服从正太分布， η 的计算公式简化 为： 其中， Ψ表示标准正太分布的累计概率密度 函数， μi,2和σi,2表示第i个FWM指标在FWM数 据集上的均值和标准差 。 6.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述的利用软弱围岩定量判别模型和FWM权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115239108 A 3