[发明专利]一种隧道掌子面稳定性精细化评价方法

权利要求书

1.一种隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在隧道两侧各布设一台相机，采用双目摄影技术采集掌子面图像；

S2、基于采集的多张所述掌子面图像获得掌子面三维空间变形；

S3、将掌子面图像划分网格，基于各网格中心点变形，对各网格进行合并，获得多个掌子面区域以及各掌子面区域的围岩等级；

S4、基于预先构建的掌子面等效变形与各区域变形间的线性关系，计算当前掌子面的对应等效变形，所述线性关系基于塑性应变能等效思想构建；

S5、判断所述对应等效变形与容许变形和极限变形的关系，获得掌子面稳定性评价结果，所述容许变形和极限变形基于机器学习手段获得。

2.根据权利要求1所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，步骤S1中，所述相机与掌子面间距离为30m至50m。

3.根据权利要求1所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，所述掌子面三维空间变形通过以下步骤计算获得：

基于两台相机拍摄的同期图像，采用SGBM算法对两幅同期图像进行视差计算；

根据平行双目视觉的几何关系，计算得到图像的三维空间信息；

基于多张图片对比，计算掌子面三维空间变形。

4.根据权利要求1所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，所述对各网格进行合并具体为：

基于多次观测的各网格中心点变形值组建变形矩阵，采用经验正交分析方法计算变形矩阵的第一特征向量，采用密度聚类算法对第一特征向量中各变形数据进行自动聚类，基于聚类结果合并各网格。

5.根据权利要求4所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，所述第一特征向量的获取步骤包括：

对原始的变形矩阵X做标准化处理，求解协方差矩阵A＝XX^T，采用Jacobi法，求解协方差矩阵A的全部特征值及对应的特征向量，选取获得第一特征向量。

6.根据权利要求1所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，所述各掌子面区域的围岩等级基于以下方式确定：

采用图像处理技术，提取对应区域内节理产状、掌子面粗糙程度、围岩色彩信息和渗漏水面积信息，确定各区域的围岩等级。

7.根据权利要求1所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，所述线性关系的构建具体为：

1)建立分区掌子面计算模型，标记为模型1，各区域参数按照所述围岩等级进行取值；

2)采用强度折减法，对模型参数进行同步折减，直至计算不收敛，统计并计算各划分区域的塑性应变能；

3)建立均质掌子面计算模型，标记为模型2，基于各区域的所述围岩等级进行全断面BQ值计算，并选取模型参数；

4)采用强度折减法，对模型参数进行同步折减，直至计算不收敛，计算模型的总应变塑性能；

5)基于能量等效原则，判断是否存在E＝E1+E2+…+En，n为分区数，若是，则执行步骤6)，若否，则返回步骤3)；

6)记录模型1各区域变形Δ1、Δ2、…、Δn，作为各区域变形的特征值，记录模型2最大挤出变形Δ作为掌子面变形特征值，构建一组样本{Δ1,Δ2,L,Δn,Δ}；

7)多次重复步骤1)至步骤6)，构建样本库，采用拟合方法得到掌子面等效变形与各分区变形值间的线性关系：

Δ＝β₁·Δ1+β₂·Δ2+L+β_n·Δn

式中，β₁,β₂,L,β_n为变形权重值。

8.根据权利要求1所述的隧道掌子面稳定性精细化评价方法，其特征在于，所述极限变形通过掌子面极限变形预测模型计算获得，所述掌子面极限变形预测模型的模型参数通过机器学习手段训练确定，该掌子面极限变形预测模型表征隧道埋深、断面尺寸和掌子面围岩强度分布与掌子面失稳时极限变形的对应关系。