一种基于多点位移计锚固区段状态的围岩变形情景预测方法与流程

本发明涉及地下工程施工期围岩内部变形监测与预测，尤其是一种基于多点位移计锚固区段状态的围岩变形情景预测方法。

背景技术：

1、地下洞室开挖卸荷后，围岩应力发生重分布，伴随节理裂隙张开、松弛圈持续扩展，在开挖扰动、地下水、支护时序共同作用下产生随时间、掌子面位置动态变化的内部分层变形。多点位移计可获取钻孔不同锚固深度的位移数据，是识别围岩内部变形集中区域、判断松弛深度的重要监测仪器，广泛应用于抽水蓄能输水洞室、交通隧道、矿山巷道等地下工程。

2、现有围岩变形预测方案大多直接将多点位移计各个独立锚固测点作为预测对象，缺少对相邻锚固点之间岩体区段的定向刻画，无法将预测结果定位到钻孔内部真实发生变形的岩体分层，测点输出和实际岩体变形单元无法一一对应。针对多工作面并行掘进、存在岔洞与多条连通洞室的复杂地下工程，现有技术普遍采用选取距离监测断面最近的单一工作面代表全部施工扰动的简化处理方式，舍弃其他可达工作面的扰动贡献，不能反映多工作面叠加扰动效应。同时多数预测方法未在预测截点处严格区分已经实际发生的历史施工事件和尚未实施的未来计划施工事件，容易将事后获知的实际施工信息泄露至历史输入，造成预测效果虚高，无法复现工程现场真实预测条件。

3、鉴于此有必要提出一种基于多点位移计锚固区段状态的围岩变形情景预测方法以解决或至少缓解上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于多点位移计锚固区段状态的围岩变形情景预测方法，以解决现有技术以独立测点为预测对象、简化多工作面叠加扰动、历史与未来施工条件边界混淆、情景模拟可复现性差，难以实现岩体区段维度可溯源的多情景围岩变形预测的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于多点位移计锚固区段状态的围岩变形情景预测方法，包括如下步骤：

3、获取同一多点位移计的累计位移，由相邻锚固点界定岩体区段，在统一位移方向及累计基准下计算所述相邻锚固点的同步位移差，形成带岩体区段唯一标识的锚固区段状态；

4、按施工时刻已形成的洞室轴线边构建有效连通图，沿所述有效连通图分别计算各可达工作面至所述岩体区段所在监测断面的路径长度，结合工作面轨迹及支护事件形成带工作面标识的开挖-支护事件坐标；

5、将截至当前预测时刻的所述锚固区段状态和所述开挖-支护事件坐标组成历史条件；

6、按各施工情景的计划边形成时刻、计划工作面轨迹及计划支护完成时刻，更新各预测时距的未来有效连通图和未来开挖-支护事件坐标，组成未来条件；

7、将所述历史条件分别与各所述未来条件输入预训练的区段预测模型，得到与所述施工情景、所述预测时距及所述岩体区段唯一标识对应的相对变形预测量。

8、优选地，所述获取同一多点位移计的累计位移，由相邻锚固点界定岩体区段，在统一位移方向及累计基准下计算所述相邻锚固点的同步位移差，形成带岩体区段唯一标识的锚固区段状态，包括：

9、获取同一多点位移计各锚固点的累计位移及锚固深度，按锚固深度递增顺序确定相邻锚固点，由所述相邻锚固点界定岩体区段并建立岩体区段唯一标识；

10、根据钻孔轴向及零点调整记录，将所述累计位移转换至统一位移方向及累计基准；

11、对观测时刻相同或观测时间差不超过预设配对时差的相邻锚固点有效累计位移进行配对，将浅部锚固点的累计位移减去深部锚固点的累计位移，得到同步位移差；

12、根据所述同步位移差及相邻有效观测的实际时间差计算区段平均相对变形速率，将所述同步位移差、所述区段平均相对变形速率与所述岩体区段唯一标识关联，形成锚固区段状态。

13、优选地，所述按施工时刻已形成的洞室轴线边构建有效连通图，沿所述有效连通图分别计算各可达工作面至所述岩体区段所在监测断面的路径长度，结合工作面轨迹及支护事件形成带工作面标识的开挖-支护事件坐标，包括：

14、提取截至施工时刻已实际形成的洞室轴线边，将所述岩体区段所在监测断面及各工作面映射至所述洞室轴线边，构建有效连通图；

15、根据工作面轨迹确定各可达工作面相对于所述监测断面的通过状态，根据所述通过状态确定方向系数；

16、根据所述有效连通图及所述方向系数，计算各可达工作面至所述监测断面的路径长度和赋向路径坐标，计算公式如下：

17、

18、

19、其中，表示工作面至监测断面所在断面的路径长度；表示监测断面在有效连通图中的映射位置，表示工作面在时刻的位置，表示仅使用时刻已激活有效边的路径长度算子；表示工作面在时刻的方向系数，表示工作面的赋向路径坐标；

20、将各可达工作面的工作面标识、所述路径长度及所述赋向路径坐标分别组成开挖事件子坐标；

21、根据支护事件的作用区间确定作用于所述监测断面的支护状态，将所述支护状态与各所述开挖事件子坐标组成带所述工作面标识的开挖-支护事件坐标。

22、优选地，所述提取截至施工时刻已实际形成的洞室轴线边，将所述岩体区段所在监测断面及各工作面映射至所述洞室轴线边，构建有效连通图，包括：

23、根据工作面轨迹确定施工时刻的工作面位置，将所述岩体区段所在监测断面映射至洞室轴线模型；

24、当所述工作面位置位于洞室轴线边内部时，在所述工作面位置设置动态节点，将所述洞室轴线边划分为已形成子边和未形成子边；

25、提取所述已形成子边及截至所述施工时刻已完整形成的洞室轴线边作为有效边，并将各工作面映射至对应的有效边，基于所述有效边的连接关系构建有效连通图。

26、优选地，所述将截至当前预测时刻的所述锚固区段状态和所述开挖-支护事件坐标组成历史条件，包括：

27、以当前预测时刻为截点，从所述锚固区段状态中提取截至所述截点已取得且观测时刻不晚于所述截点的区段记录；

28、从所述开挖-支护事件坐标中提取截至所述截点已取得且事件发生时刻不晚于所述截点的事件记录；

29、按照所述岩体区段唯一标识对应的监测断面，将所述区段记录与所述事件记录关联，并保留所述事件记录中的工作面标识；

30、按观测时刻及事件发生时刻排列关联后的所述区段记录和所述事件记录，组成历史条件。

31、优选地，所述按各施工情景的计划边形成时刻、计划工作面轨迹及计划支护完成时刻，更新各预测时距的未来有效连通图和未来开挖-支护事件坐标，组成未来条件，包括：

32、获取当前预测时刻冻结的各施工情景的施工计划版本，确定计划边形成时刻、计划工作面轨迹及计划支护完成时刻；

33、在各预测时距对应的预测时刻，将所述计划边形成时刻不晚于所述预测时刻的计划边与当前预测时刻的所述有效连通图组合，形成未来有效连通图；

34、沿所述未来有效连通图，根据所述计划工作面轨迹形成各可达工作面的未来开挖事件子坐标，并将所述计划支护完成时刻不晚于所述预测时刻的支护事件置为完成状态；

35、将各所述未来开挖事件子坐标和对应的支护状态组成未来开挖-支护事件坐标，与所述未来有效连通图组成对应施工情景的未来条件。

36、优选地，所述将所述历史条件分别与各所述未来条件输入预训练的区段预测模型，得到与所述施工情景、所述预测时距及所述岩体区段唯一标识对应的相对变形预测量，包括：

37、在所述当前预测时刻对应的各所述施工情景之间，保持预训练的区段预测模型的参数及所述历史条件不变；

38、按照所述岩体区段唯一标识，将所述历史条件分别与各所述未来条件配对，形成保留工作面标识的模型输入；

39、根据所述模型输入及所述预测时距，通过所述区段预测模型输出与所述施工情景、所述预测时距及所述岩体区段唯一标识对应的相对变形预测量，计算公式如下：

40、

41、其中，表示未来预测时距后的变形预测量，表示输出条件分位数的区段变形映射，表示截至的历史区段状态及已发生事件，表示情景在预测区间内按计划时刻激活的未来事件，表示岩体区段索引，示预测时距，表示分位水平，满足；表示训练得到的模型参数。

42、优选地，所述根据所述模型输入及所述预测时距，通过所述区段预测模型输出与所述施工情景、所述预测时距及所述岩体区段唯一标识对应的相对变形预测量之后，还包括：

43、通过所述区段预测模型，分别生成各所述施工情景及所述预测时距对应的区段相对变形量、区段相对变形速率和区段相对变形加速度的绝对值预测上分位；

44、在所述区段相对变形量或所述区段相对变形速率的绝对值预测上分位超过对应的预设变形控制值或预设速率控制值时，生成包含所述岩体区段唯一标识、所述施工情景及预计超限时刻的风险提示。

45、优选地，所述生成包含所述岩体区段唯一标识、所述施工情景及预计超限时刻的风险提示之后，还包括：

46、获取前置支护验收状态，在所述前置支护验收状态为验收完成时，分别在各所述施工情景内筛选连续预设数量的预测时段，所述预测时段均满足所述区段相对变形量、所述区段相对变形速率和所述区段相对变形加速度的绝对值预测上分位分别不超过所述预设变形控制值、预设稳定速率阈值和预设稳定加速度阈值；

47、将筛选得到的各组连续预测时段中最早的起始时刻，确定为对应施工情景下封闭支护或二次衬砌稳定候选时间窗的起始时刻。

48、优选地，所述区段预测模型采用状态空间模型、正则化回归模型、树模型或时序网络模型中的一种。

49、与现有技术相比，本发明所提供的具有如下的有益效果：

50、本发明所提供的一种基于多点位移计锚固区段状态的围岩变形情景预测方法，利用同一多点位移计的相邻锚固点界定岩体区段并赋予岩体区段唯一标识，在统一位移方向与累计位移基准下构建锚固区段状态，将离散锚固测点观测数据转化为岩体分层单元的相对变形状态，使模型输入与预测输出直接对应钻孔内部真实岩体区段，便于识别围岩内部变形集中区段；依据各施工时刻实际开挖成型的洞室轴线边构建有效连通图，沿洞室实际通路计算各可达工作面至监测断面的路径长度，完整保留全部工作面标识，摒弃仅选取最近工作面代表扰动的简化假设，充分考虑分叉洞室多工作面并行掘进产生的叠加扰动；以当前预测时刻作为严格时间分界隔离历史条件与各施工情景的未来条件，避免事后施工信息泄露，还原现场仅可获取历史监测数据及冻结版施工计划的真实工况；同一轮预测中不同施工情景复用训练完成的区段预测模型及参数，仅替换未来施工条件，使情景间预测结果差异仅来源于开挖支护计划，保障多方案对比的客观性和可复现性，同时输出结果同步绑定施工情景、预测时距、岩体区段唯一标识，预测结果可反向溯源，可为风险研判、支护方案评估提供标准化数据支撑，适用于抽水蓄能输水洞室、交通隧道、矿山巷道等布设多点位移计的各类地下洞室工程。