本公开实施例涉及数据处理，尤其涉及一种隧道围岩塌方预测与识别方法及介质。
背景技术：
1、目前，在隧道工程施工中，塌方是一种经常发生的灾害事故。为了确保施工安全，需要对围岩和支护结构进行大量监测，包括隧道周边的位移以及支护结构的内部受力情况。隧道围岩位移监控对隧道工程的安全和可持续性至关重要，尤其是对于一些较为软弱的围岩。其次，对于采集的监测数据需要进行分析预测，以把握围岩大致的变形趋势。最后，收集的监测数据，应建立一套完整的综合评价体系，对于潜在发生塌方的区域做出灾害识别，以提前预警，保障隧道施工的安全进行。
2、目前，应用广泛的隧道围岩位移监控方法为每间隔一定进尺设置位移计以监测围岩的位移。这种监测方法需要耗费大量精力埋设监测器件，同时需逐一采集测点的数据，效率低下，耗时费力。同时，该方法采集的数据难以在空间上连续反映围岩的变形情况。对于围岩变形的评价，仅从单点应力应变监测值考量无法全面地评价围岩的变形趋势和稳定性。因此，如何快速、高效地测量围岩的变形值，并基于时序的变形监测数据对围岩的未来形变趋势进行预测，建立综合评价模型，基于变形、应力等指标对围岩的稳定性做出综合评估，实现围岩塌方的预测和识别对于隧道施工安全具有重要意义。
3、可见，亟需一种评估效率、精准度和适应性强的隧道围岩塌方预测与识别方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本公开实施例提供一种隧道围岩塌方预测与识别方法及介质，至少部分解决现有技术中存在评估效率、精准度和适应性较差的问题。
2、第一方面，本公开实施例提供了一种隧道围岩塌方预测与识别方法，包括：
3、步骤1，以预设频率在预设时间段内扫描n次，获取目标隧道区间内围岩的实测点云数据，构建真实围岩轮廓曲面；
4、步骤2，根据真实围岩轮廓曲面和设计点云数据构建的标准围岩轮廓曲面计算目标隧道区间内每个基本单元的n个偏移值；
5、步骤3，根据每个偏移值计算基本单元对应的n个形变值；
6、步骤4，根据n个形变值得到各个基本单元的n-1组的参考时间序列，基于参考时间序列，采用灰色预测法预测基本单元在n+1次的预测形变值；
7、步骤5，基于预测形变值，根据摩尔-库伦准则反演基本单元的应力值；
8、步骤6，基于预测形变值和应力值，结合围岩的材料强度理论建立围岩基本单元稳定状态综合评价模型，对每个基本单元的稳定性进行评估；
9、步骤7，对目标隧道区间的所有基本单元进行步骤3至步骤6，得到目标隧道区间围岩稳定性的风险评级结果。
10、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤1具体包括：
11、步骤1.1，采用三维激光扫描仪，获取该隧道区间的一定时间间隔下的实测点云数据集data＝{pcd1,pcd2,...,pcdn}，其中，pcdn表示第n次隧道区间的扫描点云数据；
12、步骤1.2对于任一点云数据pcdn，通过采样、滤波和平滑处理后，三维重构得到目标隧道区间的真实围岩轮廓曲面。
13、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤2具体包括：
14、步骤2.1，根据目标隧道区间的设计点云数据构建标准围岩轮廓曲面，将其作为基准面，并将真实围岩轮廓曲面和标准围岩轮廓曲面配准；
15、步骤2.2，将真实围岩轮廓曲面按照预设格式划分为多个基本单元；
16、步骤2.3，依次计算基本单元区域内的点云到基准面的法向距离，取基本单元内所有点云计算法向距离的平均值作为该基本单元的偏移值。
17、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述形变值的表达式为
18、sn＝pn-pn-1，
19、其中，sn为该基本单元第n次扫描时的形变值，pn为该基本单元第n次的偏移值。
20、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤4具体包括：
21、步骤4.1，将参考时间序列进行一次累加并基于此生成均值序列z(1)＝(z(1)(2),z(1)(3),...,z(1)(n))，其中z(1)(k)＝0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1)，式中k＝2,3,…,n；
22、步骤4.2，采用灰色预测法建立灰色预测模型gk(1,n,p)，其中，1代表累加级数1次，n代表所建立的灰色微分方程是n次微分方程，p代表其中的冥次函数控制主参数为p，基于均值序列得到灰色预测模型的时间序列函数，并根据时间序列函数得到响应预测函数，其中，所述时间序列函数的表达式为
23、
24、其中，x1(0)为时序数据，xi(0)为第i个时序数据，z1(1)为与x1(0)对应的均值序列值，τ为时间延迟参数，k为时序数据的长度，p,γi,β为待优化参数，a,bi,c,d为系数参数；
25、所述响应预测函数的表达式为
26、
27、其中，[p(k-τ)]β为响应增减量；
28、步骤4.3，构建求解待优化参数p与γ对应的矩阵方程：
29、p＝(btb)-1bty
30、其中：
31、
32、步骤4.4，基于粒子群算法建立目标函数，寻找待优化参数p与γ的最优解其中，所述目标函数的表达式为
33、
34、步骤4.5，将矩阵方程p与最优解代入响应预测函数，计算n+1次的预测形变值。
35、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤5具体包括：
36、步骤5.1，根据莫尔-库伦准则反演基本单元的应力值，由围岩的三向应力知：
37、
38、其中，c为围岩的内凝聚力，为围岩的摩擦角，对于圆形洞室而言径向应力σr对应小主应力σ3，环向应力σθ对应大主应力σ1；
39、步骤5.2，计算围岩的实时应变，取围岩的径向厚度为d，基于n+1次的预测形变值si(n+1),计算该时刻围岩的应变为：
40、
41、步骤5.3，计算n+1次扫描时岩石基本单元的环向应力，根据岩石的本构关系：σ＝ε·e，式中，e为岩石的弹性模量，进一步求解出围岩的径向应力σr,i(n+1)＝εi(n+1)·e，式中，σr,i(n+1)表示第i个基本单元第n+1刻的径向应力，由σθ与σr之间的关系，求解出该基本单元第n+1次的环向应力σθ,i(n+1)。
42、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤6具体包括：
43、步骤6.1，定义评价对象为各基本单元；
44、步骤6.2，结合围岩的材料强度理论定义多个评价指标，据此形成指标体系，其中，所述评价指标包括围岩应变的平均变化率、围岩应变的瞬时变化率与平均变化率相对差、围岩的自稳定系数和围岩的抵抗系数；
45、步骤6.3，根据先验知识确定指标体系对应的指标权重；
46、步骤6.4，构建评价对象的评价集，结合规范及现场围岩力学试验，确定各评价指标对应各评价状态的临界值，记为临界矩阵
47、其中，所述评价集为v＝{较稳定，一般稳定，较不稳定，极不稳定}；
48、步骤6.5，基于指派法和临界矩阵计算评价对象的评价指标数据隶属度，并据此构建隶属度矩阵；
49、步骤6.6，根据隶属度矩阵计算评价对象的评判矩阵，据此对围岩的稳定性进行评估。
50、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤6.5具体包括：
51、步骤6.5.1，将较稳定状态定义为极小型，则指标x1相对于较稳定状态的隶属度计算原则按下式计算：
52、
53、步骤6.5.2，将一般稳定状态定义为中间型，则指标x1相较于一般稳定状态的隶属度计算原则按下式计算：
54、
55、步骤6.5.3，将较不稳定状态定义为中间型，则指标x1相较于较不稳定状态的隶属度计算原则按下式计算：
56、
57、步骤6.5.4，将极不稳定状态定义为极大型，则指标x1相较于极不稳定状态的隶属度计算原则按下式计算：
58、
59、步骤6.5.5，构建评价对象的隶属度矩阵
60、
61、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤6.6具体包括：
62、根据隶属度矩阵计算得到评判矩阵为
63、b＝ω·m＝[b1,b2,b3,b4]
64、其中，ω表示权重系数矩阵；
65、按照最大隶属度原则，以b中的最大值所对应的状态作为基本单元的预测状态。
66、第二方面，本公开实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的隧道围岩塌方预测与识别方法。
67、本公开实施例中的隧道围岩塌方预测与识别方案，包括：步骤1，以预设频率在预设时间段内扫描n次，获取目标隧道区间内围岩的实测点云数据，构建真实围岩轮廓曲面；步骤2，根据真实围岩轮廓曲面和设计点云数据构建的标准围岩轮廓曲面计算目标隧道区间内每个基本单元的n个偏移值；步骤3，根据每个偏移值计算基本单元对应的n个形变值；步骤4，根据n个形变值得到各个基本单元的n-1组的参考时间序列，基于参考时间序列，采用灰色预测法预测基本单元在n+1次的预测形变值；步骤5，基于预测形变值，根据摩尔-库伦准则反演基本单元的应力值；步骤6，基于预测形变值和应力值，结合围岩的材料强度理论建立围岩基本单元稳定状态综合评价模型，对每个基本单元的稳定性进行评估；步骤7，对目标隧道区间的所有基本单元进行步骤3至步骤6，得到目标隧道区间围岩稳定性的风险评级结果。
68、本公开实施例的有益效果为：通过本公开的方案，基于三维激光点云扫描获取围岩轮廓，并实现围岩轮廓的重建，具备快速、高效、无接触的优点；基于改进灰色预测算法，构建灰色预测模型，适用于振荡型数据的预测分析，实现围岩的变形发展趋势。对于短时时间序列，灰色预测具有良好的鲁棒性和准确性；构建一套完善、客观的综合评价模型，实现隧道围岩的塌方风险评级。
1.一种隧道围岩塌方预测与识别方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,所述步骤1具体包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述步骤2具体包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于,所述形变值的表达式为
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于,所述步骤4具体包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于,所述步骤5具体包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于,所述步骤6具体包括：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于,所述步骤6.5具体包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于,所述步骤6.6具体包括：
10.一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行前述权利要求1-9中任一项所述的隧道围岩塌方预测与识别方法。
