一种软岩隧道超前地应力测试及反演预测方法及设备与流程

本发明涉及地质工程模拟领域，特别涉及一种软岩隧道超前地应力测试及反演预测方法及设备。

背景技术：

1、在软岩隧道掘进的计算机辅助设计领域，现有的模拟软件通常通过有限元或有限差分方法建模围岩应力分布，并集成光纤或电缆传感阵列数据进行实时传输应变与波速信号；然而，在掌子面推进的数值模拟过程中，钻孔周缘岩体蠕变-溶胀导致模型边界条件不稳定，线缆数据链路易受剪切拉伸干扰而中断计算迭代，致使模拟精度下降。为减少干扰，不少设计软件转而采用无缆内置存储式传感器数据导入，待掘进模拟到达监测段尾端再行回收融合；两类方案均难在掌子面高速推进的动态模拟中获得跨面连续曲线，由此在卸荷应力剧变阶段形成计算真空，导致应力场反演偏差。

2、动态卸荷峰值实时捕捉与同步反演计算耦合缺失：掌子面逼近未开挖软岩的模拟时，卸荷-再分配峰值在极短时间内跃迁；线缆一旦受损或传感器数据封存后独立记录，模拟数据链路瞬间中断；反演算法只能依据遗留片段外推应力场，未包含卸荷峰值及其后续黏塑-渗流耦合效应，预测结果与真实应力快速偏离。支护设计模型随即建立在失真基准上，围岩变形模拟得不到即时校正，喷护与初期支护易出现过张、开缝甚至失稳的虚拟失效。本发明旨在构建跨掌子面连续数据采集、快速反演联动的计算机辅助应力测试-预测模型，突破线缆易损与存储式滞后的计算瓶颈，实现软岩隧道掘进模拟中卸荷峰值的即时捕捉与精准预测。

3、综上所述，现有技术无法实现在掌子面高速推进的动态过程中获得跨面连续曲线和软岩隧道掘进过程中动态卸荷峰值的即时捕捉与精准预测的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的无法实现在掌子面高速推进的动态过程中获得跨面连续曲线和软岩隧道掘进过程中动态卸荷峰值的即时捕捉与精准预测的不足，提供一种软岩隧道超前地应力测试及反演预测方法及设备。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种软岩隧道超前地应力测试及反演预测方法，包括以下步骤：

4、s1：在掌子面侧壁与拱顶沿超前钻孔铺设光纤-电敏混合链；并以当前掌子面为基准，沿隧道掘进方向建立掘进推进坐标。

5、s2：根据预设采样间隔，通过所述混合链采集三向微应变以及孔内渗压生成耦合原始序列。

6、s3：利用时间滑窗对齐所述耦合原始序列，提取候选峰；根据所述候选峰生成峰值索引链；将所述峰值索引链以及所述掘进推进坐标注入反演端，根据预设反演步长，生成统一时标序列。

7、s4：根据所述峰值索引链、所述时标序列以及所述预设反演步长，生成当前掌子面沿掘进方向的预应力云图；并根据所述预应力云图推进当前掘进步距。

8、s5：在当前掘进步距结束时，生成掌子面激光位移场；将所述预应力云图以及所述掌子面激光位移场进行比对，输出差异图谱。

9、s6：根据所述差异图谱对所述预设采样间隔以及所述预设反演步长进行更新后进入s1,直至不再产生掘进步距。

10、作为本发明的优选方案，所述s1中所述超前钻孔以及所述光纤-电敏混合链分别为：

11、所述超前钻孔为在每一掘进步距的起始时间窗口内，在当前掌子面侧壁与拱顶沿掘进方向按预设长度钻得的用于地质勘察的孔；所述起始时间窗口的起点为前一掘进步距完成信号产生时刻，终点为当前掘进步距开始推进并使当前掌子面沿隧道掘进方向产生位移的时刻；对于首个掘进步距，所述起始时间窗口的起点为首个超前钻孔开始施工的时刻。

12、所述光纤-电敏混合链由光纤链段与电敏链段交替串联形成并固定于钻孔壁。

13、所述光纤链段负责分布式应变监测。

14、所述电敏链段负责点式压力检测。

15、作为本发明的优选方案，所述s2中所述生成耦合原始序列包括以下步骤：

16、s21：根据预设采样间隔，利用所述光纤链段通过布拉格光栅反射采集三向微应变，同时利用所述电敏链段通过压阻传感器采集孔内渗压；并以固定间隔频率在相同时间戳下同步记录形成时间序列。

17、其中，所述三向微应变包括：轴向微应变、径向微应变、切向微应变。

18、s22：通过所述轴向微应变、所述径向微应变、所述切向微应变以及所述孔内渗压按时间戳对齐构建耦合原始序列。

19、所述耦合原始序列为通过向量内积融合的四维向量序列。

20、作为本发明的优选方案，所述s3包括以下步骤：

21、s31：利用固定宽度时间滑窗和移位步长，对所述耦合原始序列进行移位对齐并形成对齐序列。

22、所述移位步长根据所述耦合原始序列长度均匀分布。

23、s32：将峰值捕获算子引入所述对齐序列，通过多尺度savitzky-golay平滑削弱高频噪声，并计算所述时间滑窗内一阶导数以及二阶导数。

24、s33：通过所述一阶导数以及所述二阶导数筛选出候选峰，并形成候选峰组，筛选规则如下。

25、一阶导数零交叉且二阶导数为负时则判定对应序列的峰值为候选峰。

26、s34：引入局部百分位能量阈值筛选所述候选峰组，并以形态学顶帽滤波复核筛选结果，最终输出候选峰集合。

27、s35：对所述候选峰组中的候选峰提取峰值特征。

28、所述峰值特征包括能量突变特征和相位-振幅错位特征。

29、s36：将所述能量突变特征和相位-振幅错位特征输入预训练的随机森林模型，输出峰真系数；按预设阈值筛除其伪峰，保留高可信级别峰值并形成峰值索引链。

30、s37：将所述峰值索引链与所述掘进推进坐标按时间顺序配对，注入所述反演端。

31、s38：根据所述预设反演步长，将峰值索引链的索引值与掘进推进坐标的距离值结合，生成统一时标序列。

32、作为本发明的优选方案，所述s35中所述能量突变特征和所述相位-振幅错位特征分别包括：

33、所述能量突变特征包括熵差跃迁因子。

34、熵差跃迁因子提取方法为：通过多分辨率谱熵分解提取瞬时谱熵，以前一稳定窗谱熵中位为参考计算差值并经双曲正切函数压缩获得。

35、所述相位-振幅错位特征包括相振错位指标。

36、相振错位指标提取方法为：通过hilbert变换提取瞬时相位与瞬时振幅，计算瞬时振幅一阶差分与瞬时相位二阶差分的滑动内积均值并取绝对值获得。

37、作为本发明的优选方案，所述s4包括以下步骤：

38、s41：从所述峰值索引链提取对应时标序列的应力观测值，依次将每一时刻所述应力观测值嵌入卡尔曼状态更新，根据所述预设反演步长生成当前掌子面沿掘进方向的预应力云图。

39、其中，所述应力观测值包括：轴向微应变、径向微应变、切向微应变以及孔内渗压。

40、s42：根据所述预应力云图推进当前掘进步距。

41、作为本发明的优选方案，所述s5包括以下步骤：

42、s51：监测掘进步距完成信号，根据所述信号读取所述预应力云图。

43、s52：通过激光扫描仪在掘进步距完成时测量掌子面位移分布，生成掌子面激光位移场并与所述预应力云图坐标对齐。

44、其中，所述掌子面激光位移场为包含网格节点的三维位移网格，每一网格节点对应一个空间位置及其位移值。

45、s53：计算预应力云图中应力值与掌子面激光位移场中位移值的点对点差异值。

46、s54：将所述差异值映射到掌子面激光位移场的网格上，以颜色梯度表示并形成差异图谱。

47、作为本发明的优选方案，所述s6包括以下步骤：

48、s61：从所述差异图谱中提取差异矩阵，通过主成分投影计算峰值偏离量，并生成峰值偏离量序列。

49、s62：对所述峰值偏离量序列应用指数加权移动平均生成误差势能曲面。

50、s63：计算所述误差势能曲面的局部梯度，通过分段对数映射更新所述预设采样间隔以及所述预设反演步长。

51、s64：将更新后的采样间隔与反演步长分别返送至采集端与反演端后进入s1，直至不再产生掘进步距。

52、作为本发明的优选方案，所述s64所述采样间隔以及所述反演步长分别作用于采集端和反演端。

53、其中，所述采样间隔用于调节采集端的采集密度；所述反演步长用于调节反演端的求解粒度。

54、所述采集端的作用为通过混合链采集三向微应变以及孔内渗压；所述反演端的作用为通过时标序列的生成以及卡尔曼状态更新生成当前掌子面沿掘进方向的预应力云图。

55、一种软岩隧道超前地应力测试及反演预测设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行以上任一项所述一种软岩隧道超前地应力测试及反演预测方法。

56、与现有技术相比，本发明的有益效果：

57、本发明在隧道掌子面铺设光纤-电敏混合链采集应变与渗压数据并形成连续序列，通过滑窗对齐和峰值捕获提取可靠索引，比对云图与实际位移输出偏差图谱，依据偏差自适应调整采样频率与计算步长并返送指令更新采集与反演过程；精准捕捉软岩卸荷峰值跃迁，动态刷新应力预测结果，直接指导支护设计优化锚喷布局与衬砌厚度，彻底避免数据中断引发的预测失真和支护滞后，导致围岩过张或失稳风险大幅下降，掘进进度显著加快；同时，计算资源高效分配，误差迭代收敛，确保长期施工中预测准确率保持高位，为复杂地质环境提供可靠决策支撑。