專利名稱：一種地下工程圍巖類別的識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下工程圍巖類別的識別方法。
背景技術(shù)：
圍巖分類是進行地下工程設(shè)計和施工的基礎(chǔ)，是評價圍巖穩(wěn)定性、設(shè)計斷面形狀、施工方式和支撐、襯砌等的重要依據(jù)。
地下圍巖如隧洞圍巖分類的方法有很多種，其原理基本上是采用工程經(jīng)驗類比法或根據(jù)位移監(jiān)測所獲得的信息來判別其穩(wěn)定性，進而進行分類。通常，在獲得隧洞圍巖位移監(jiān)測結(jié)果后進行的數(shù)據(jù)處理過程中滲透了較多的人為因素，使得處理結(jié)果帶有較多的人為干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡便、處理結(jié)果準確的地下工程類別的識別方法。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在錨桿受到瞬態(tài)縱向激振時的數(shù)學(xué)力學(xué)模型中，動力參數(shù)可以取代錨固介質(zhì)與圍巖對錨桿的作用，所以錨固介質(zhì)與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)與動力參數(shù)有著直接的相關(guān)性。如果對完整錨桿系統(tǒng)的動力參數(shù)進行識別，建立從圍巖的質(zhì)量參數(shù)到動力參數(shù)的映射關(guān)系，是錨桿錨固系統(tǒng)動力響應(yīng)問題從振動理論模型到實際工程的一座橋梁。大家都知道，錨桿在其長期服役過程中，被錨桿加固的圍巖可能由于受到自然或人為的擾動而產(chǎn)生力學(xué)性狀的改變，可見，由完整錨桿動力響應(yīng)得到的動力參數(shù)的變化可反映出圍巖質(zhì)量參數(shù)的改變，從而可進一步動態(tài)地確定圍巖的類別。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種地下工程圍巖類別的識別方法，其特征在于它首先采用結(jié)構(gòu)動測技術(shù)獲取完整錨桿系統(tǒng)的動測信號，然后對動測信號進行擬合分析以獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)，然后通過經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別系統(tǒng)進行圍巖類別的檢測。
具體地說，上述識別方法采用以下步驟進行A.應(yīng)力波發(fā)生器激發(fā)產(chǎn)生低應(yīng)變動力信號作用于處于圍巖內(nèi)完整錨桿的頂部；B.加速度傳感器獲取經(jīng)錨桿底部反射回來的聲波脈沖動測信號，并將此信號傳送給信號接收裝置；C.信號接收裝置將信號傳送到微處理機進行信號擬合分析，提取結(jié)構(gòu)動力參數(shù)；D.上步處理得到的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)輸入到經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行識別，得到錨桿所處圍巖的類別。
本發(fā)明所述的信號擬合分析采用遺傳算法。對于已測得的完整錨桿動力響應(yīng)信號，在一定范圍內(nèi)隨機選取若干組動力參數(shù)α、β與αb、βb作為初始解，進行完整錨桿系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析，可得這些動力參數(shù)因子所對應(yīng)的錨桿速度動力響應(yīng)函數(shù)ss′(i)，并與已測得的錨桿速度動力響應(yīng)信號ss(i)作對比，進行分析比較，優(yōu)選出適應(yīng)值較大的動力參數(shù)作父代。對父代進行交叉和變異等一系列遺傳算法的操作，又得到若干組動力參數(shù)作為子代，再進行前述數(shù)值計算，并對適應(yīng)度函數(shù)進行判別，如此循環(huán)反復(fù)，當適應(yīng)度函數(shù)最趨近于1時，便可得到計算結(jié)果與原始信號最為接近的一組動力參數(shù)，即為最優(yōu)解。本發(fā)明的信號擬合分析之所以采用遺傳算法，主要是確定適應(yīng)度函數(shù)、遺傳操作方法及終止準則。具體方法如下1、確定動力參數(shù)因子取值范圍即解空間的范圍錨桿的動力參數(shù)包括桿側(cè)剛度與阻尼因子、桿底剛度與阻尼因子。它們?nèi)Q于砂漿和圍巖的力學(xué)性質(zhì)，并隨錨桿設(shè)計參數(shù)的不同而不同。因此可根據(jù)不同類別的圍巖、不同標號的砂漿以及不同的錨桿設(shè)計參數(shù)對動力參數(shù)的取值范圍進行估計。
在實際操作中，可采用試算的辦法，即擴大取值范圍而動力參數(shù)的反演結(jié)果基本不變時，取最小的范圍為解空間的范圍。本發(fā)明根據(jù)砂漿、圍巖以及錨桿的力學(xué)參數(shù)確定動力參數(shù)因子的取值范圍為桿側(cè)阻尼因子1～100，桿底阻尼因子0.5～3；桿側(cè)剛度因子100～500，桿底阻尼因子500～2000；2、對種群進行隨機初始化，種群規(guī)模取30，對各種群進行低應(yīng)變動力響應(yīng)分析，得到響應(yīng)函數(shù)ss′(i)，數(shù)學(xué)模型見參考文獻；3、與已測得的錨桿速度動力響應(yīng)信號ss(i)作對比，分析比較確定父代，對父代進行交叉和變異等一系列遺傳算法的操作，得到若干組動力參數(shù)作為子代，計算適應(yīng)度函數(shù)Fn=11+Y,Y=Σi|ss′(i)-ss(i)|2;]]>4、當適應(yīng)度函數(shù)趨近于1時，且最優(yōu)子代的適應(yīng)度值逐漸趨近于平均值時，計算結(jié)果接近于實測值，為最優(yōu)解，程序終止。
本發(fā)明的遺傳算法采用排序選擇，分別用算術(shù)交叉、啟發(fā)式交叉、單點交叉等交叉算子進行交叉操作，再采用非均勻變異操作產(chǎn)生下一代；終止準則是判斷程序是否停止的依據(jù)，一般可取最大迭代數(shù)(即子代數(shù))100～300。
本發(fā)明所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中輸入?yún)?shù)為完整錨桿桿側(cè)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，輸出參數(shù)則為圍巖類別。本發(fā)明的訓(xùn)練樣本是根據(jù)均勻設(shè)計所設(shè)計的30組數(shù)值試驗方案通過有限元數(shù)值仿真計算得到。這些均為現(xiàn)有的成熟技術(shù)。識別結(jié)果如下

本發(fā)明為圍巖類別提供了一種新的識別方法，它可以克服傳統(tǒng)判別過程中人為因素的干擾，同時還可以實現(xiàn)圍巖類別的動態(tài)識別，這對于隧洞的設(shè)計施工提供了可靠的依據(jù)。通過本發(fā)明可以達到如下工程的應(yīng)用1、通過現(xiàn)場圍巖類別的動態(tài)測定來復(fù)核原來圍巖的設(shè)計類別，并把測定結(jié)果(信息)反饋到設(shè)計中，從而進一步修改和完善原設(shè)計的支護參數(shù)，并進而指導(dǎo)后續(xù)的施工，這樣可使得設(shè)計和施工更符合或接近現(xiàn)場實際，也能夠適應(yīng)多變的地質(zhì)條件和各種不同的施工條件。
2、將圍巖類別跟蹤調(diào)研測試結(jié)果及時、迅速地反饋給業(yè)主、施工、監(jiān)理單位和現(xiàn)場設(shè)計代表，以便達成共識和及時調(diào)整與優(yōu)化施工方案，提高了效率。由于及時掌握了圍巖的動態(tài)，并采取相應(yīng)的措施，從而大大減少了災(zāi)害事故發(fā)生率及工程返工時間。
3、在隧道施工和支護工程中，及時地掌握了圍巖的真實狀態(tài)，了解了圍巖的松馳范圍，能夠客觀、真實為隧道圍巖的穩(wěn)定性做出綜合評價。
4、對隧道工程施工進行動態(tài)圍巖類別的測定，使隧道工程的設(shè)計和施工運作納入科學(xué)的動態(tài)管理中，使隧道工程始終處于良好的運行狀態(tài)，確保地下工程的順利實施，以保證高水平、高質(zhì)量地完成隧道工程施工。


圖1本發(fā)明實施例的原理框圖；圖2本發(fā)明實施例中信號擬合分析提取結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的流程框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述，但本發(fā)明并不僅限于此。
實施例一種地下工程圍巖類別的識別方法，其特征在于它首先采用結(jié)構(gòu)動測技術(shù)獲取完整錨桿系統(tǒng)的動測信號，然后對動測信號進行擬合分析以獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)，然后通過經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別系統(tǒng)進行圍巖類別的檢測。
具體地說，首先將應(yīng)力波發(fā)生器激發(fā)產(chǎn)生聲波信號作用于處于圍巖內(nèi)的完整錨桿的頂部；再利用加速度傳感器獲取經(jīng)錨桿底部反射回來的應(yīng)力波動測信號，并將此信號傳送給信號接收裝置；信號接收裝置再將信號傳送到微處理機進行信號擬合分析，提取結(jié)構(gòu)動力參數(shù)；最后將提取得到的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)輸入到經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行識別，得到錨桿所處圍巖的類別。
在本例中，本發(fā)明根據(jù)砂漿、圍巖以及錨桿的力學(xué)參數(shù)確定動力參數(shù)因子的取值范圍為桿側(cè)阻尼因子1～100，桿底阻尼因子0.5～3；桿側(cè)剛度因子100～500，桿底阻尼因子500～2000；然后對種群進行隨機初始化，種群規(guī)模取30，對各種群進行低應(yīng)變動力響應(yīng)分析，得到響應(yīng)函數(shù)ss′(i)，數(shù)學(xué)模型見參考文獻；將所得的響應(yīng)函數(shù)ss′(i)與已測得的錨桿速度動力響應(yīng)信號ss(i)作對比，分析比較確定父代，對父代進行交叉和變異等一系列遺傳算法的操作，得到若干組動力參數(shù)作為子代，計算適應(yīng)度函數(shù)Fn=11+Y,Y=Σi|ss′(i)-ss(i)|2;]]>4、當適應(yīng)度函數(shù)趨近于1時，且最優(yōu)子代的適應(yīng)度值逐漸趨近于平均值時，計算結(jié)果接近于實測值，為最優(yōu)解，程序終止。
本例的遺傳算法采用排序選擇，分別用算術(shù)交叉、啟發(fā)式交叉、單點交叉等交叉算子進行交叉操作，再采用非均勻變異操作產(chǎn)生下一代；終止準則是判斷程序是否停止的依據(jù)，一般可取最大迭代數(shù)(即子代數(shù))100～300，而本例采用的試算辦法，取反演結(jié)果基本不變的最優(yōu)子代數(shù)為迭代次數(shù)，取200。
經(jīng)過上述信號分析提取的圍巖的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)為完整錨桿桿側(cè)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，將其輸入至微處理機，與先已輸入微處理機中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別系統(tǒng)進行判別，以得到錨桿所處圍巖的類別。識別結(jié)果如下

參考文獻[1]陳建功，張永興，李英民.完整錨桿低應(yīng)變動力響應(yīng)問題的半解析解及分析.世界地震工程.2004(9)[2]陳建功，張永興.完整錨桿縱向振動問題的求解與分析.地下空間.2003(9)。
權(quán)利要求
1.一種地下工程圍巖類別的識別方法，其特征在于它首先采用結(jié)構(gòu)動測技術(shù)獲取完整錨桿系統(tǒng)的動測信號，然后對動測信號進行擬合分析以獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)，然后通過經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別系統(tǒng)進行圍巖類別的檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的地下工程圍巖類別的識別方法，其特征在于它采用以下步驟進行A.應(yīng)力波發(fā)生器激發(fā)產(chǎn)生瞬態(tài)低應(yīng)變動力信號作用于處于圍巖內(nèi)完整錨桿的頂部；B.加速度傳感器獲取經(jīng)完整錨桿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)反射回來的應(yīng)力波動測信號，并將此信號傳送給信號接收裝置；C.信號接收裝置將信號傳送到微處理機進行信號擬合分析，提取結(jié)構(gòu)動力參數(shù)；D.上步處理得到的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)輸入到經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行識別，得到錨桿所處圍巖的類別。
3.如權(quán)利要求2所述的地下工程圍巖類別的識別方法，其特征在于所述的信號擬合分析采用遺傳算法，A.首先確定錨桿的動力參數(shù)取值范圍即解空間的范圍，它根據(jù)砂漿、圍巖以及錨桿的力學(xué)參數(shù)確定動力參數(shù)因子的取值范圍為桿側(cè)阻尼因子1～100，桿底阻尼因子0.5～3；桿側(cè)剛度因子100～500，桿底阻尼因子500～2000；B.然后對種群進行隨機初始化，種群規(guī)模取30，對各種群進行低應(yīng)變動力響應(yīng)分析，得到響應(yīng)函數(shù)ss′(i)；C.與已測得的錨桿速度動力響應(yīng)信號ss(i)作對比，分析比較確定父代，對父代進行交叉和變異一系列遺傳算法的操作，得到若干組動力參數(shù)作為子代，計算適應(yīng)度函數(shù)Fn=11+Y,Y=Σi|ss′(i)-ss(i)|2;]]>D.當適應(yīng)度函數(shù)趨近于1時，且最優(yōu)子代的適應(yīng)度值逐漸趨近于平均值時，計算結(jié)果接近于實測值，即為提取的錨桿所處圍巖的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的最優(yōu)解，程序終止。
4.如權(quán)利要求2所述的地下工程圍巖類別的識別方法，其特征在于所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中輸入?yún)?shù)為完整錨桿桿側(cè)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，輸出參數(shù)為圍巖類別；當輸入的桿側(cè)阻尼系數(shù)Cs為0.18～0.3，桿側(cè)剛度系數(shù)Ks為0.15～0.32時，圍巖類別為I類；當輸入的桿側(cè)阻尼系數(shù)Cs為0.12～0.14，桿側(cè)剛度系數(shù)Ks為0.10～0.20時，圍巖類別為II類；當輸入的桿側(cè)阻尼系數(shù)Cs為0.10～0.13，桿側(cè)剛度系數(shù)Ks為0.08～0.18時，圍巖類別為III類；當輸入的桿側(cè)阻尼系數(shù)Cs為0.08～0.11，桿側(cè)剛度系數(shù)Ks為0.06～0.16時，圍巖類別為IV類；當輸入的桿側(cè)阻尼系數(shù)Cs為0.03～0.06，桿側(cè)剛度系數(shù)Ks為0.02～0.06時，圍巖類別為V類；以上桿側(cè)阻尼系數(shù)Cs的單位為107Kg/m2.s，桿側(cè)剛度系數(shù)Ks單位為1011N/m3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地下工程圍巖類別的識別方法。它首先采用結(jié)構(gòu)動測技術(shù)獲取完整錨桿系統(tǒng)的動測信號，然后對動測信號進行擬合分析以獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)，然后通過經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別系統(tǒng)進行圍巖類別的檢測。本發(fā)明為圍巖類別提供了一種新的識別方法，它可以克服傳統(tǒng)判別過程中人為因素的干擾，同時還可以實現(xiàn)圍巖類別的動態(tài)識別，這對于隧洞的設(shè)計施工提供了可靠的依據(jù)。
文檔編號E02D33/00GK1945279SQ20061005453
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者張永興, 陳建功, 王桂林, 吳曙光 申請人:重慶大學(xué)