本发明涉及长大tbm隧道施工风险预警，尤其涉及一种长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法及预警装置。
背景技术：
1、随着国家对西部偏远山区开发力度的增加，长大tbm隧道的数量显著增加，破碎带围岩塌方是长大tbm隧道施工中常见的地质灾害。岩石强度和岩体完整程度作为表征岩体质量特性的重要参数，是工程岩体质量分级的主要判定依据，也是tbm掘进性能的重要评判指标，在现场施工过程实现掌子面岩石强度和完整性的快速准确判断至关重要。然而受刀盘、护盾等机械结构的限制，tbm在掘进过程中无法直接观察到掌子面的围岩情况，也难以快速地对围岩质量特性进行现场试验和评估。目前，传统的岩石强度测试方法和岩体完整性系数获取方法均是掘进后现场取样测试，属于tbm停机的事后行为，不具有实时性，难以给tbm提供在掘岩体特征的在线判识与预警。
2、现有技术中的中国专利文献：202210138184.2中公开了一种用于估算tbm在掘岩体强度并分级预警的方法，属于tbm隧道施工技术领域，包括以下步骤：建立tbm在掘岩体等效强度rec和贯入度指数fpi的通用关系模型；将该模型应用于tbm掘进施工中，根据tbm实时采集的掘进参数，对tbm在掘岩体的完整性系数kv进行实时估算，按照给出的分级标准和预警值，对tbm在掘岩体进行分级及预警。
3、但上述方案在实施过程中，至少存在如下技术问题：目前，长大tbm隧道施工存在施工风险评估精度差、预警方式不完善等问题，不能准确的为施工提供前方地质风险，极易造成严重经济损失和人员伤亡。因此，亟需提出一种长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法及预警装置。
技术实现思路
1、鉴于以上技术问题，本公开提供了一种长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法及预警装置，解决了现有技术中长大tbm隧道施工存在施工风险评估精度差、预警方式不完善等问题，不能准确的为施工提供前方地质风险，极易造成严重经济损失和人员伤亡的技术问题。
2、根据本公开的一个方面，提供一种长大tbm隧道破碎围岩塌方预警方法，包括如下步骤:
3、步骤一，建立历史数据库：整理隧道历史破碎围岩塌方案例多源数据，并根据多源数据建立云端tbm隧道破碎围岩塌方多源异构数据库；
4、步骤二，建立预测模型：建立破碎围岩塌方风险预测模型；所述预测模型包括超前风险预测模型和临近风险预测模型；
5、步骤三，搭建隧道内网络：利用有线无线网络交互技术，搭建隧道内网络，以保证数据的稳定上传；
6、步骤四，探测地质情况：在掌子面前方布设超前地质预报设备，间隔开展hsp和/或tsp超前地质预报测试，得出超前地质预报监测数据；
7、步骤五，超前风险初步判识：将步骤四中得出的超前地质预报监测数据上传至云端数据库，并将其带入步骤二训练完成的超前风险预测模型中，得出前方地质破碎围岩塌方风险等级，完成超前风险初步判识；
8、步骤六，现场实时监测：布设围岩实时监测仪器、tbm掘进参数监测传感器，对tbm掘进参数、围岩特征情况进行实时监测，得出实时监测数据；
9、步骤七，临近风险实时预警：将步骤七得出的实时监测数据上传至云端数据库，并将其带入步骤二训练完成的临近风险实时预测模型中，得出破碎围岩塌方实时风险等级，完成临近风险实时预警；
10、步骤八，结果推送：将步骤五中超前风险初步判识结果、和步骤八中的临近风险实时预警结果经隧道内网络推送至tbm主机室，并根据破碎围岩塌方实时风险等级触发现场报警设备。
11、在本公开的一些实施例中，所述步骤一中多源数据包括灾害地点勘资料、超前地质预报资料、实时掘进参数数据、实时围岩监测参数数据。
12、在本公开的一些实施例中，在所述步骤一中还包括数据预处理的步骤：设置阈值，数据清洗单元筛除历史数据库中的异常数据。
13、在本公开的一些实施例中，所述步骤二中建立预测模型包括如下步骤：
14、a. 导入数据库数据：将步骤一中数据库导入支持向量机，所述数据库包括训练集数据和测试集数据；
15、b. 数据归一化：对步骤a数据库中的数据进行归一化处理，以消除不同量级带来的影响；
16、c. 超参数寻优：使用遗传算法和粒子群算法对支持向量机的超参数进行优化；
17、d. 模型建立和训练：建立svm模型，使用遗传算法ga对svm模型进行训练，得到ga-svm结果；使用交叉验证cv对svm模型进行训练，得到cv-svm结果；使用粒子群优化pso对svm模型进行训练，得到pso-svm结果；
18、e. 模型测试：将步骤d中训练好的svm模型代入测试集数据，评估模型性能；
19、f. 结果输出：输出ga-svm、cv-svm和pso-svm的结果；
20、模型建立完成。
21、在本公开的一些实施例中，所述步骤三中隧道内网络包括有线网络单元和无线网络单元：有线网络单元包括光纤所述光纤一端连接隧道外组网、另一端连接主机室；所述无线网络单元包括隧道内区域铺设的无线ap，为监测设备提供无线网络。
22、在本公开的一些实施例中，所述步骤四中每100m开展一次hsp和/或tsp超前地质预报测试，测试参数包括围岩级别、围岩完整程度、节理发育情况。
23、在本公开的一些实施例中，所述步骤八中报警设备包括铺设在隧道内的落石传感器，所述落石传感器电连接控制器的信号接收端，所述控制器的信号输出端连接蜂鸣报警器和至少两种闪烁模式的警示灯。
24、一种长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警装置，适用于上述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法，包括超前信息监测模块，所述超前信息监测模块包括震源器件和地震波传感器，所述震源器件为击打锤或炸药，所述地震波传感器间隔布设在隧道两边和顶部，所述地震波传感器经无线传输器件连接三维成像仪；以获取掌子面前方超前地质信息、训练超前风险预测模型和临近风险预测模型；
25、还包括实时信息监测模块，所述实时信息监测模块包括挂设在隧洞内的一层网格状防护层，所述网格状防护层的节点处安装张力传感器，张力传感器电连接张力读出器，所述张力读出器电连接控制器的信号接收端，所述控制器的信号输出端连接预警模块，所述预警模块包括蜂鸣报警器和至少两种闪烁模式的警示灯；以检测掌子面前方落石并提供塌方预警；
26、所述超前信息监测模块和实时信息监测模块经预处理模块通过网络模块连接案例库模块，所述预处理模块内部设置得以筛除异常数据的阈值，以存储历史破碎围岩塌方案例；所述网络模块包括有线网络单元和无线网络单元，所述有线网络单元包括光纤，所述光纤一端连接隧道外组网、另一端连接主机室；所述无线网络单元包括隧道内区域铺设的无线ap，为监测设备提供无线网络。
27、所述网格状防护层包括钢丝支撑的棱形网格状防护层，包括经线边和纬线边，在所述经线边和纬线边上设有拉力调整部件，所述拉力调整部件包括调整盒，所述调整盒内安装空心的固定柱和两个转动柱，转动柱处于单根的所述经线边和纬线边的两侧，所述固定柱的上方卡装转动杆，所述转动杆上安装得以穿过固定柱钉入岩体的螺钉。
28、所述螺钉和所述固定柱间设有膨胀体以形成膨胀螺钉式固定。
29、本发明的有益效果在于：
30、1.通过建立历史数据库，整合了灾害地点勘资料、超前地质预报资料、实时掘进参数数据和实时围岩监测参数数据，为风险预测提供了丰富的信息来源。
31、2.建立的超前风险预测模型和临近风险预测模型可以对破碎围岩塌方的风险进行评估，有助于提前发现潜在的安全隐患。
32、3.通过设置阈值和数据清洗，提高了数据质量，为模型提供了准确的输入，从而提高了预测的准确性。
33、4.使用遗传算法和粒子群算法对svm的超参数进行优化，提高了模型的性能和泛化能力。
34、5.通过布设监测仪器和传感器，实现了对tbm掘进参数和围岩特征的实时监测，结合实时预警模型，可以快速响应并采取预防措施。
35、6.利用有线无线网络交互技术搭建的隧道内网络，确保了数据的稳定上传和实时预警信息的快速传递。
36、7.通过hsp和/或tsp超前地质预报测试，提前获取地质情况，为风险预测提供了重要的超前信息。
37、8.根据风险等级触发现场报警设备，实现了快速有效的现场警示。
38、9.将预测结果和预警信息推送至tbm主机室，便于操作人员及时获取信息并做出决策。
39、10.通过人为产生的地震波来探测掌子面前方的地质结构，能够提前发现破碎带、空洞或不稳定岩层，为施工团队提供必要的地质信息，以便采取相应的预防措施，避免塌方事故。三维成像仪将地震波传感器收集的数据转换成三维图像，直观地展示掌子面前方的地质状况，便于工程师理解和分析，提高决策的准确性。
40、11.在围岩出现微小变化时，张力传感器能够立即检测到防护层的张力变化，及时反映围岩的压力状态，为预警系统提供实时数据。张力读出器将传感器数据转换为可读格式，控制器则负责处理这些数据，一旦发现超出安全范围的异常情况，立即将信号发送给预警模块。不仅提高了施工安全性，也优化了施工流程，降低了因地质风险引起的事故率和成本。
41、12.通过蜂鸣报警器和不同模式的警示灯，向现场工作人员发出清晰的预警信号，确保人员安全，及时采取行动。预处理模块筛除异常数据，确保输入案例库的信息准确可靠，提升风险预测模型的训练效果和预警精度。
42、13.有线和无线网络单元的结合，保证了数据传输的稳定性和广覆盖，使远程监控成为可能，同时支持现场设备之间的互联互通。
43、14.收集并分析过去的塌方案例，为风险预测模型提供丰富的数据基础，通过学习这些案例，模型能够更加精准地识别潜在风险。
44、15.用一种拧动的方式实现对网格状防护层上经纬线的拉力的调节，有针对性的提高防护的效果。通过膨胀螺钉式固定，可以确保防护层与岩体表面紧密结合，提高防护层的稳定性。通过拉力调整部件，可以根据实际情况调整防护层的张力，以适应不同的岩体条件。使用钢丝支撑的防护层具有较好的耐久性，能够长期保持防护效果。总结网格状防护层通过其独特的结构设计和膨胀螺钉式固定方式，能够有效地加固岩体表面，防止岩石崩落或土体滑坡，适用于多种岩土工程中的加固需求。
1.一种长大tbm隧道破碎围岩塌方预警方法，其特征在于，包括如下步骤:
2.如权利要求1所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法，其特征在于：所述步骤一中多源数据包括灾害地点勘资料、超前地质预报资料、实时掘进参数数据、实时围岩监测参数数据。
3.如权利要求1所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法，其特征在于：在所述步骤一中还包括数据预处理的步骤：设置阈值，数据清洗单元筛除历史数据库中的异常数据。
4.如权利要求1所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法，其特征在于：所述步骤二中建立预测模型包括如下步骤：
5.如权利要求1所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法，其特征在于：所述步骤四中每100m开展一次hsp和/或tsp超前地质预报测试，测试参数包括围岩级别、围岩完整程度、节理发育情况。
6.一种长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警装置，适用于如权利要求1~5任一项所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警方法，其特征在于：包括超前信息监测模块，所述超前信息监测模块包括震源器件和地震波传感器，所述震源器件为击打锤或炸药，所述地震波传感器间隔布设在隧道两边和顶部，所述地震波传感器经无线传输器件连接三维成像仪；以获取掌子面前方超前地质信息、训练超前风险预测模型和临近风险预测模型；
7.如权利要求6所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警装置，其特征在于：所述网格状防护层包括钢丝支撑的棱形网格状防护层，包括经线边和纬线边，在所述经线边和纬线边上设有拉力调整部件，所述拉力调整部件包括调整盒，所述调整盒内安装空心的固定柱和两个转动柱，转动柱处于单根的所述经线边和纬线边的两侧，所述固定柱的上方卡装转动杆，所述转动杆上安装得以穿过固定柱钉入岩体的螺钉。
8.如权利要求7所述的长大tbm隧道施工破碎围岩塌方预警装置，其特征在于：所述螺钉和所述固定柱间设有膨胀体以形成膨胀螺钉式固定。
