隧道富水砂层隧道洞内智能控制注浆的控制方法与流程

本发明涉及隧道工程，具体为隧道富水砂层隧道洞内智能控制注浆的控制方法。

背景技术：

1、在富水砂层地质环境下的隧道施工过程中，注浆加固是改良地层性能、阻断地下水通道并保障开挖安全的关键工序。目前的注浆作业通常采用超前小导管或深孔注浆工艺，主要依赖于plc控制系统或人工经验进行操作。在常规的控制逻辑中，系统通过采集注浆泵出口的压力值、流量值以及钻机的运行参数来监测作业状态，并根据预先设定的恒定阈值或简单的比例积分微分算法（pid）调节注浆速度与压力，以期在钻进过程中完成浆液的注入与地层加固。

2、然而，富水砂层具有极强的非均质性与流变性，地质条件的微小变化往往会在传感器采集端引发显著的随机噪声与瞬态波动。现有的控制方法通常缺乏对多源数据时空一致性的深度处理以及对非稳态噪声的自适应抑制机制，在面对复杂地层反馈时，难以准确区分真实的工况突变（如压力骤升、地层变硬）与瞬时的信号干扰（如传感器抖动、管路脉动）。这种信号识别能力的缺失导致控制系统容易将被干扰的波动信号误判为有效的状态改变，进而引发控制指令的频繁跳变或错误的模式切换，无法在强干扰环境下维持注浆过程的连续性与态势评估的准确性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了隧道富水砂层隧道洞内智能控制注浆的控制方法，解决了隧道富水砂层注浆过程控制精度不足、钻注协同性差以及缺乏对复杂地质工况自适应能力的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：隧道富水砂层隧道洞内智能控制注浆的控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s100：多源信息同步感知与采集步骤；通过传感器网络采集注浆过程参数、钻具运行参数以及地层响应参数，通过硬件时钟信号对采集的注浆过程参数、钻具运行参数以及地层响应参数打上统一的时间戳，并对打上时间戳后的数据进行有效性校验；

4、步骤s200：多层次信息融合与实时态势评估步骤；将校验后的注浆过程参数、钻具运行参数以及地层响应参数进行时间对齐与空间对齐，基于预设的自适应滤波算法清洗对齐后的数据，计算关键特征参数，并结合预置的专家规则库与模糊逻辑输出态势评估报告，所述态势评估报告包含定性诊断结论与综合风险等级；

5、步骤s300：智能协同控制决策与指令生成步骤；根据所述态势评估报告的结果，从预设的主从协同模式、安全优先协同模式以及全局优化协同模式中确定当前控制模式，并生成控制指令集；

6、步骤s400：指令分发与执行器协同执行步骤；将所述控制指令集分发至钻具的驱动器、注浆泵的驱动器及调节阀的驱动器，驱动所述钻具、所述注浆泵及所述调节阀协同动作，并实时监控执行偏差；

7、步骤s500：闭环反馈与系统优化步骤；将步骤s100至步骤s400执行过程中产生的全量过程数据上传至云平台，接收所述云平台反馈的、基于所述全量过程数据挖掘优化后的参数组合及专家规则库，并应用至步骤s200及步骤s300中。

8、优选的，所述步骤s200中，基于预设的自适应滤波算法清洗对齐后的数据具体包括：监测观测残差序列，当监测到观测残差的加权范数超过预设阈值时，判定发生数据突变，所述自适应滤波算法自动减小测量噪声协方差矩阵的权重，并增大过程噪声协方差矩阵的权重；

9、所述步骤s200中，输出所述态势评估报告前执行态势时序锁定逻辑：当识别出新的工况时，要求所述新的工况的特征信号连续存在的时间超过确认时间窗后，才更新所述态势评估报告并允许切换控制模式，在所述确认时间窗内保持上一时刻的控制策略不变。

10、优选的，所述步骤s300中，当所述态势评估报告的结果为正常钻进或地层变化时，确定的所述当前控制模式为所述主从协同模式，所述主从协同模式的控制逻辑为：以钻具进给速度为主令信号，通过线性关系计算目标注浆流量，所述线性关系中包含动态自适应比例系数和基础流量；

11、根据地层诊断结果在线动态调整所述动态自适应比例系数：首先基于钻头扭矩与钻具进给速度的比值计算实时地层硬度指数，随后根据所述实时地层硬度指数与区域历史平均硬度的偏差更新所述动态自适应比例系数；当所述实时地层硬度指数增大时，按比例增大所述动态自适应比例系数，以增加单位进尺的注浆量。

12、进一步的，所述动态自适应比例系数的更新逻辑遵循如下关系：以基准比例系数为基础，根据调节增益因子以及实时地层硬度指数相对于区域历史平均硬度的变化率进行调整；当实时地层硬度指数高于区域历史平均硬度时，动态自适应比例系数在基准比例系数的基础上增加。

13、优选的，所述步骤s300中，当所述态势评估报告的结果为劈裂风险高或扰动超限时，确定的所述当前控制模式为所述安全优先协同模式，所述安全优先协同模式具有最高优先级并执行以下协同指令序列：

14、第一序列：向所述调节阀的驱动器发出快速关小指令，实现硬限幅；

15、第二序列：向所述注浆泵的驱动器发出指令，将所述注浆泵的工作模式从流量控制强制切换至压力控制，并将目标压力设定为安全值，使泵速下降；

16、第三序列：向所述钻具的驱动器发出暂停进给或微幅回撤指令。

17、在执行所述安全优先协同模式的协同指令序列后，进入试探性恢复阶段，所述试探性恢复阶段具体包括：

18、压力保持监测：在所述目标压力下维持预设的保压时间，若注浆流量持续为零，判定为完全堵塞并停机报警；若注浆流量逐渐恢复，判定为通道疏通；

19、阶梯式升压：判定通道疏通后，以预设的步长逐级提升所述注浆泵的输出频率，同时监测土体压力的响应；

20、模式回切：若在阶梯式升压过程中压力动态梯度始终低于安全阈值且持续时间超过稳定窗口期，将控制模式由压力控制切换回流量控制，并重新激活所述主从协同模式。

21、优选的，所述步骤s300中，当控制多个注浆点进行集群作业时，确定的所述当前控制模式为所述全局优化协同模式，所述全局优化协同模式包括冲突避让策略：通过分析各注浆点土体压力传感器的数据关联性判断浆液路径是否短路；

22、计算不同注浆点的注浆压力与土体压力在滑动时间窗口内的互相关系数，若所述互相关系数大于短路判定阈值且存在时间延迟在预设范围内，则判定两个注浆点之间存在浆液窜流通道，生成指令暂停其中一个注浆点的注浆。

23、具体的，所述互相关系数的计算逻辑为：计算第一注浆点的注浆压力与第二注浆点处的土体压力的协方差，计算注浆压力与土体压力的标准差乘积，将所述协方差除以所述标准差乘积得到互相关系数。

24、优选的，所述步骤s400中，在协同执行过程中包含死区补偿逻辑：实时比对所述控制指令集中的指令值与执行器反馈的实际值，若检测到发出微小动作指令后实际值无变化，判定执行器处于机械死区，自动叠加一个补偿偏置量到所述控制指令集中；若在设定时间内所述指令值与所述实际值的偏差持续超过安全容限，触发急停逻辑，切断主油路液压泵电源。

25、优选的，所述步骤s500中，接收所述云平台反馈的、基于所述全量过程数据挖掘优化后的参数组合及专家规则库具体包括：在正式应用优化后的参数组合及专家规则库前，先在边缘端开启影子模式验证；所述影子模式验证被配置为：在后台并行运行包含优化后权重的算法模型且不向外输出控制指令，比对所述算法模型的输出与当前实际指令的差异，并在验证通过后自动将所述算法模型切换为激活状态。

26、优选的，所述步骤s100中，采集的所述注浆过程参数包括注浆压力和注浆流量，采集的所述钻具运行参数包括钻具进给速度、钻进深度和钻头扭矩，采集的所述地层响应参数包括土体压力和地表沉降值；所述步骤s200中，构建的统一状态向量包含上述所有采集参数的实时值。

27、本发明提供了隧道富水砂层隧道洞内智能控制注浆的控制方法。具备以下有益效果：

28、1、本发明通过多源信息同步感知与多层次融合处理机制，对采集的参数进行时空对齐，利用基于观测残差序列的自适应滤波算法自动调整噪声协方差矩阵权重以保留真实突变特征，并结合态势时序锁定逻辑强制要求新工况信号持续满足确认时间窗要求，从而有效屏蔽了随机噪声干扰与瞬态波动，避免了控制系统因信号误判产生的频繁震荡，实现了复杂环境下注浆态势评估的鲁棒性与控制过程的稳定性。

29、2、本发明通过构建基于实时地层硬度反馈的主从协同控制模式，以钻具进给速度为主令信号，利用钻头扭矩与进给速度的比值解算地层硬度指数，依据该指数相对于历史平均值的偏差在线动态修正注浆流量与钻速的比例系数，在硬岩区域自动增大注浆量以填充裂隙，在软土区域限制流量以防止跑浆，从而实现了注浆策略与地质环境的实时动态匹配，有效保证了富水砂层各区段的浆液填充密实度与均匀性。

30、3、本发明通过配置安全优先协同模式及其配套的试探性恢复逻辑，在识别到劈裂或扰动超限风险时，自动触发包含调节阀快速限幅、注浆泵切换压力控制及钻具暂停进给的联动指令序列以阻断风险，并在压力稳定后执行包含流量监测与阶梯式升压的自动复位流程，从而实现了对突发高风险工况的快速响应与无人工干预的平滑修复，在防止地层结构破坏的同时减少了因异常停机造成的施工效率损失。