一种基于案例推理的盾构选型方法与流程

1.本发明涉及盾构工程选型技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于案例推理的盾构选型方法。


背景技术：

2.盾构法是建造地下隧道最先进的施工方法之一，盾构是根据工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来“量身定做”的。不同于其他设备，盾构的核心技术不仅是设备本身的机电工业设计还在于设备如何适用于各类工程地质。盾构施工的成功率主要取决于盾构的选型，决定于盾构是否适应现场的施工环境，盾构的选型正确与否直接决定着盾构施工的成败。
3.以往传统的盾构掘进装备选型，是通过收集地质勘察报告、水文地质、设计文件、周边环境等资料，经领域专家开会讨论，根据以往工程建设经验和科学推理确定本工程适用的盾构掘进装备的主要参数。传统的选型方法的工作量大、评估周期长，且需要人为进行，评估过程缺乏科学判断容易引入主观性因素，不利于盾构机掘进装备选型结果的判断，容易引发工程风险的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于案例推理的盾构选型方法，其通过对以往的盾构工程进行存储，在新建工程时通过检索以往的相似工程可快速精准的制备施工方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于案例推理的盾构选型方法，其改进之处在于包括以下步骤：
6.s01.收集以往的盾构工程信息，在以往盾构工程信息中提取影响盾构选型的特征参数并存储进案例库；
7.s02.提取新建盾构工程中影响盾构选型的特征参数；
8.s03.根据新建盾构工程中提取的特征参数在案例库中进行检索，根据检索结果的相似度大小选取相似的以往盾构工程作为推荐的方案；
9.s04.根据新建盾构工程的实际施工需求，对筛选出的推荐选型方案进行修改调整，输出为最终方案；
10.s05.按照最终方案进行施工，施工完成后将工程实例存储进案例库。
11.上述技术方案中所述步骤s03中检索过程中判断新建盾构工程和相似的盾构工程是否需要调整施工方案，若需要调整施工方案，则在根据新建盾构工程的需求调整后作为新的案例存储进案例库；若无需调整，则根据新建盾构工程的实际施工需求进行调整后存储进案例库。
12.上述技术方案中所述步骤s03中按照施工场地的土层、岩层以及土岩复合层三个类别进行检索。
13.上述技术方案中所述土层的检索分为三个部分，分别为颗粒级配分类、建设指标以及岩土指标；土层按照颗粒级配分为多个类别；建设指标为盾构直径和盾构深埋，盾构深埋即盾构在地面以下的深度；岩土指标是首先根据颗粒的级配曲线把地层类型划分为不同类别，然后基于各类地层盾构施工的典型适应性问题进行岩土指标的分析，提取地层特征参数，其中地层的特征参数为稠度指数、开挖面水头、渗透系数、等效石英含量、限制粒径以及最大粒径。
14.上述技术方案中所述岩层的检索分为三个部分，分别为抗压强度分类、建设指标以及岩土指标；抗压强度分类为岩层按照围岩坚固性系数分为多个类别；建设指标为盾构直径和盾构深埋，盾构深埋即盾构在地面以下的深度；岩土指标是首先根据抗压强度把地层类型划分为不同类别，然后基于各类地层盾构施工的典型适应性问题进行岩土指标的分析，提取地层特征参数，其中地层特征参数为完整性系数、岩溶发育情况以及地下水情况用开挖面水头，岩溶发育情况用线溶率表示。
15.上述技术方案中所述土岩复合层的检索为根据土层和岩层分别按照颗粒级配和抗压强度的分类，判断复合地层中土层与岩层的类型，然后根据复合地层中土层和岩层的复合比例进行检索。
16.上述技术方案中所述盾构直径的相似度用下式表达：其中，x，y分别表示新建盾构工程与案例库中以往盾构工程的盾构直径，区间[α,β]表示盾构直径的取值范围，根据具体情况而定。
[0017]
上述技术方案中所述盾构深埋为区间值，新建盾构工程与案例库中以往盾构工程的盾构深埋的相似度用下式表达：其中，x1和x2表示x区间的最小值和最大值，y1和y2表示y区间的最小值和最大值。
[0018]
上述技术方案中在得出盾构埋深和盾构直径的相似度后，然后通过如下公式确定新建盾构工程与案例库中以往盾构工程之间关于建设指标的全局相似度：其中，sim(x,y)∈[0,1]为建设指标全局相似度，f(xi,yi)为实例属性局部相似度。
[0019]
上述技术方案中在对特征参数进行相似度计算时，由于参数集的各分量之间量级存在显著差异，因此两个变量的离散度具有很大差异，采用马氏距离计算修正尺度不一致的问题：其中，s为协方差矩阵，当协方差矩阵为单位矩阵时，马氏距离则简化为欧氏距离。
[0020]
本发明的有益效果是：本发明提供的方法其采用收集以往的盾构工程信息，并提取其特征参数，在后续新建盾构工程时，通过提取新建工程的特征参数在案例库中进行对比检索，可快速精准的筛选出选型方案，并且如果案例库内没有相近的方案，则会在新建盾
构工程完成后将工程信息存储进案例库内，案例库为动态案例库且保持增量学习，为后续新建工程的盾构选型提供便捷。
附图说明
[0021]
图1为本发明一种基于案例推理的盾构选型方法的方法流程图。
[0022]
图2为本发明一种基于案例推理的盾构选型方法的流程框图。
[0023]
图3为本发明一种基于案例推理的盾构选型方法中对土层检索的框图。
[0024]
图4为本发明一种基于案例推理的盾构选型方法中颗粒的级配曲线实施例图。
[0025]
图5为本发明一种基于案例推理的盾构选型方法中对岩层检索的框图。
[0026]
图6为本发明一种基于案例推理的盾构选型方法中案例库的信息储存实施例图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0028]
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
[0029]
参照图1，如图所示，本发明提供了一种基于案例推理的盾构选型方法，包括以下步骤：
[0030]
s01.收集以往的盾构工程信息，在以往盾构工程信息中提取影响盾构选型的特征参数并存储进案例库。参照图6中所示，图6提供了一案例库的信息储存实施例图，其中具体将工程信息分类为基本信息、盾构选型信息、地质条件、施工数据、试验信息以及施工故障，其中对各类信息还具有下方的细分类目。盾构的核心技术不仅是设备本身的机电工业设计还在于设备如何适用于各类工程地质。盾构施工的成功率主要取决于盾构的选型，决定于盾构是否适应现场的施工环境，盾构的选型正确与否直接决定着盾构施工的成败。因此其信息的分类按照影响盾构选型的特征参数进行分类，如图中所示的，其划分有盾构的刀盘系统、推进系统、出渣系统等，还有盾构案例工程中的地质条件，如土层类型、稠度指数等，施工数据分类有土仓压力、刀盘转速以及推进速度等。
[0031]
s02.同样的，按照上述的方式，提取新建盾构工程中影响盾构选型的特征参数，其特征参数类别与案例库中存储的以往盾构工程信息中的特征参数一致，新建盾构工程与案例库中的特征参数类别一致有利于检索的精确性。
[0032]
s03.根据新建盾构工程中提取的特征参数在案例库中进行检索，根据检索结果的相似度大小选取相似的以往盾构工程作为推荐的方案。
[0033]
s04.根据新建盾构工程的实际施工需求，对筛选出的推荐选型方案进行修改调整，输出为最终方案。由于施工中不会存在两个一模一样的工程，且影响盾构选型的因素很多，因此，推荐的选型方案也需要根据实际施工需求作出调整，推荐的选型方案可基本满足
选型需求。
[0034]
s05.按照最终方案进行施工，施工过程中根据现场要求和施工需求作出的调整均记录下来，施工完成后将工程实例存储进案例库。
[0035]
本发明提供的方法可快速精准的进行盾构工程选型，且具有动态知识库和增量学习的特点，可一直学习新的施工案例，加大案例库，为后续新建盾构工程的盾构选型提供学习案例。
[0036]
参照图2中所示，图2为本发明基于案例推理的盾构选型方法的流程框图。步骤s03中检索过程中判断新建盾构工程和相似的盾构工程是否需要调整施工方案，若需要调整施工方案，则在根据新建盾构工程的需求调整后作为新的案例存储进案例库；若无需调整，则根据新建盾构工程的实际施工需求进行调整后存储进案例库。在提供便捷精准的推荐盾构选型方案的同时还可一直动态学习新的选型方案，增加新的盾构选型方案，为后续的新建工程盾构选型提供检索案例。
[0037]
对于盾构工程中盾构选型的检索过程，具体的方式为：步骤s03中按照施工场地的土层、岩层以及土岩复合层三个类别进行检索。以施工场地中土层、岩层以及土岩复合层的参数作为检索依据，提供适配的盾构选型方案。
[0038]
参照图3，其中的土层的检索分为三个部分，分别为颗粒级配分类、建设指标以及岩土指标。土层按照颗粒级配分为i～iv四个类别。例如：i类为小于200目的颗粒多于60％，其地层主要由高塑性的黏土颗粒及粉土颗粒组成，包含少部分粉砂颗粒。工程特性为软黏土具有高含水量、低剪切强度和高灵敏度等特征，硬黏土则呈现相对较高的强度，较强的粘性，施工主要风险为粘土对金属的粘附性，表现为施工中发生的结泥饼以及堵塞现象。ii类为小于200目的颗粒在30％-60％，其地层为粉质黏土、粉土及细砂。工程特性为粘聚力较低，自稳性差，强度较低。施工主要风险为开挖面失稳，存在涌水涌砂风险，有较低风险出现堵塞或刀具磨损现象。iii类为小于200目的颗粒在12％-30％之间，并且小于4目的颗粒在50％以上。该地层主要为砾砂、砾石等粗颗粒，具有无粘性，高渗透性，高硬度的特性。施工风险为该地层对盾构中到高风险的磨损问题。iv类为小于200目的颗粒在12％以下并且小于4目的颗粒在15％-50％之间，其主要由砾石、卵石以及部分漂石构成。具有缺少细颗粒，大部分为大颗粒的特性。施工风险存在于刀具磨损，排渣困难及后期沉降。并如图4所示，按照土层中颗粒级配分类绘制级配曲线。
[0039]
建设指标为盾构直径和盾构深埋，盾构深埋即盾构在地面以下的深度。
[0040]
岩土指标是首先根据颗粒的级配曲线把地层类型划分为不同类别，然后基于各类地层盾构施工的典型适应性问题进行岩土指标的分析，提取地层特征参数，其中地层的特征参数为：稠度指数ic，塑性指数为i
p
＝w
l-w
p
，稠度指数为其中wl表示液限，wp表示塑限，w表示天然含水量。开挖面水头he(m)、渗透系数k(cm/s)、等效石英含量eqc，其中：vi是矿物的百分含量，ri是矿物质与石英rosiwal硬度的比值、限制粒径d60(mm)以及最大粒径dmax(mm)。
[0041]
参照图5，岩层的检索分为三个部分，分别为抗压强度分类、建设指标以及岩土指标。抗压强度分类为岩层按照围岩坚固性系数分为i～iv四个类别。例如：i类为单轴抗压强
度《30mpa，坚固性系数《3，其为极软岩，在施工中不存在破岩问题。ii类为单轴抗压强度在30mpa～60mpa，坚固性系数为3～6，其为软岩，在施工过程中基本不存在破岩问题。iii类为单轴抗压强度在60mpa～100mpa之间，坚固性系数6～10，其为次硬岩，正常施工情况下可较为顺利破岩。iv类为单轴抗压强度在100mpa～150mpa之间，坚固性系数10～15，其为硬岩，在施工过程中需严格控制施工参数，并考虑深孔爆破辅助。
[0042]
建设指标为盾构直径和盾构深埋，盾构深埋即盾构在地面以下的深度。
[0043]
岩土指标是首先根据抗压强度把地层类型划分为不同类别，然后基于各类地层盾构施工的典型适应性问题进行岩土指标的分析，提取地层特征参数，其中地层特征参数为完整性系数kv、岩溶发育情况cr以及地下水情况用开挖面水头he，岩溶发育情况用线溶率表示。
[0044]
其中完整性系数分为i～v五个类别，i类为kv《0.15，完整程度为破碎。ii类为0.15≤kv《0.35，完整性差。iii类为0.35≤kv《0.55，中等完整。iv类为0.55≤kv≤0.75，其较为完整。v类为kv》0.75，结构完整。
[0045]
其中的岩溶发育情况用线溶率表示，并按线溶率划分为i～iv四个类别，其中i类为线溶率cr》15％，属于强烈发育。ii类为线溶率10％≤cr《15％，发育程度为中等发育。iii类为5％≤cr《10％，发育程度为弱发育。iv类为cr《5％，发育程度为微弱发育。
[0046]
而对于土岩复合层，土岩复合层的检索为根据土层和岩层分别按照前文中颗粒级配和抗压强度的分类，判断复合地层中土层与岩层的类型，然后根据复合地层中土层和岩层的复合比例进行检索。
[0047]
通过对前文中所述的土层、岩层以及土岩复合层进行检索，将前文中土层、岩层以及土岩复合层中所提及的各项信息作为特征进行检索，可快速精准的推荐出盾构的选型方案。并且选型方案若有修改也按照前文中所提及的各项信息，将案例存储进案例库，以供后面新建盾构工程时对盾构选型提供参考依据。
[0048]
对于土层和岩层中的盾构直径检索，盾构直径的相似度用下式表达：其中，x，y分别表示新建盾构工程与案例库中以往盾构工程的盾构直径，区间[α,β]表示盾构直径的取值范围，根据具体情况而定。
[0049]
对于土层和岩层中的盾构深埋检索，由于盾构深埋为区间值，新建盾构工程与案例库中以往盾构工程的盾构深埋的相似度用下式表达：其中，x1和x2表示x区间的最小值和最大值，y1和y2表示y区间的最小值和最大值。
[0050]
在通过上述方式得出盾构埋深和盾构直径的相似度后，然后通过如下公式确定新建盾构工程与案例库中以往盾构工程之间关于建设指标的全局相似度：其中，sim(x,y)∈[0,1]为建设指标全局相似度，f(xi,yi)为实例属性局部相似度。
[0051]
在对特征参数进行相似度计算时，由于参数集的各分量之间量级存在显著差异，例如稠度指数取值一般为0～1，而等效石英含量的取值范围为0～100，因此两个变量的离
散度具有很大差异，采用马氏距离计算修正尺度不一致的问题：其中，s为协方差矩阵，当协方差矩阵为单位矩阵时，马氏距离则简化为欧氏距离。
[0052]
综上所述，本发明通过将盾构工程中的影响盾构选型的信息按照土层、岩层以及土岩复合层三个大类别进行检索。并对三个大类别中细分为多个小类别特征，将以往盾构工程中影响盾构选型的特征按照分类中的提取出来并对应于每个工程进行存储，当后续有新建盾构工程中，同样以前文中所述的分类进行特征参数提取，然后通过新建盾构工程和以往盾构工程中特征参数的对比，在以往的盾构工程中推荐出相似的盾构选型方案。在新建盾构工程完工之后，按照其参考的盾构选型方案以及实际施工过程中作出的调整和修改，将完工的盾构工程信息按照特征参数划分存储进案例库，以供后面新建盾构工程时提供参考依据。
[0053]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于包括以下步骤：s01.收集以往的盾构工程信息，在以往盾构工程信息中提取影响盾构选型的特征参数并存储进案例库；s02.提取新建盾构工程中影响盾构选型的特征参数；s03.根据新建盾构工程中提取的特征参数在案例库中进行检索，根据检索结果的相似度大小选取相似的以往盾构工程作为推荐的方案；s04.根据新建盾构工程的实际施工需求，对筛选出的推荐选型方案进行修改调整，输出为最终方案；s05.按照最终方案进行施工，施工完成后将工程实例存储进案例库。2.根据权利要求1所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述步骤s03中检索过程中判断新建盾构工程和相似的盾构工程是否需要调整施工方案，若需要调整施工方案，则在根据新建盾构工程的需求调整后作为新的案例存储进案例库；若无需调整，则根据新建盾构工程的实际施工需求进行调整后存储进案例库。3.根据权利要求1所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述步骤s03中按照施工场地的土层、岩层以及土岩复合层三个类别进行检索。4.根据权利要求3所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述土层的检索分为三个部分，分别为颗粒级配分类、建设指标以及岩土指标；土层按照颗粒级配分为多个类别；建设指标为盾构直径和盾构深埋，盾构深埋即盾构在地面以下的深度；岩土指标是首先根据颗粒的级配曲线把地层类型划分为不同类别，然后基于各类地层盾构施工的典型适应性问题进行岩土指标的分析，提取地层特征参数，其中地层的特征参数为稠度指数、开挖面水头、渗透系数、等效石英含量、限制粒径以及最大粒径。5.根据权利要求4所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述岩层的检索分为三个部分，分别为抗压强度分类、建设指标以及岩土指标；抗压强度分类为岩层按照围岩坚固性系数分为多个类别；建设指标为盾构直径和盾构深埋，盾构深埋即盾构在地面以下的深度；岩土指标是首先根据抗压强度把地层类型划分为不同类别，然后基于各类地层盾构施工的典型适应性问题进行岩土指标的分析，提取地层特征参数，其中地层特征参数为完整性系数、岩溶发育情况以及地下水情况用开挖面水头，岩溶发育情况用线溶率表示。6.根据权利要求5所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述土岩复合层的检索为根据土层和岩层分别按照颗粒级配和抗压强度的分类，判断复合地层中土层与岩层的类型，然后根据复合地层中土层和岩层的复合比例进行检索。7.根据权利要求5所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述盾构直径的相似度用下式表达：其中，x，y分别表示新建盾构工程与案例库中以往盾构工程的盾构直径，区间[α,β]表示盾构直径的取值范围，根据具体情况而定。8.根据权利要求7所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：所述盾构深埋为区间值，新建盾构工程与案例库中以往盾构工程的盾构深埋的相似度用下式表达：
其中，x1和x2表示x区间的最小值和最大值，y1和y2表示y区间的最小值和最大值。9.根据权利要求8所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：在得出盾构埋深和盾构直径的相似度后，然后通过如下公式确定新建盾构工程与案例库中以往盾构工程之间关于建设指标的全局相似度：其中，sim(x,y)∈[0,1]为建设指标全局相似度，f(x
i
,y
i
)为实例属性局部相似度。10.根据权利要求9所述的一种基于案例推理的盾构选型方法，其特征在于：在对特征参数进行相似度计算时，由于参数集的各分量之间量级存在显著差异，因此两个变量的离散度具有很大差异，采用马氏距离计算修正尺度不一致的问题：其中，s为协方差矩阵，当协方差矩阵为单位矩阵时，马氏距离则简化为欧氏距离。

技术总结
本发明公开了一种基于案例推理的盾构选型方法，涉及盾构工程选型技术领域；包括以下步骤：S01.收集以往的盾构工程信息，在以往盾构工程信息中提取影响盾构选型的特征参数并存储进案例库；S02.提取新建盾构工程中影响盾构选型的特征参数；S03.根据新建盾构工程中提取的特征参数在案例库中进行检索，根据检索结果的相似度大小选取相似的以往盾构工程作为推荐的方案；S04.根据新建盾构工程的实际施工需求，对筛选出的推荐选型方案进行修改调整，输出为最终方案；S05.按照最终方案进行施工，施工完成后将工程实例存储进案例库。施工完成后将工程实例存储进案例库。施工完成后将工程实例存储进案例库。


技术研发人员：程池浩 吴振元 陈明辉 蒋玮毅 王晓娟 刘明芳 施晓彬 龙桂华 任丽玮 李贱生 张伟
受保护的技术使用者：深圳市市政工程总公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/16