一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法

本发明涉及隧道围岩探测，尤其涉及一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法。

背景技术：

1、隧道施工建设的过程中，所引发的隧道工程灾害往往会对隧道施工起到较大影响，可能拖慢隧道施工进度或危及施工人员安全，因此对隧道地质灾害的提前预测判识是十分重要的，本方法主要着眼于对隧道施工过程中掌子面前方未开挖部分区域的地质参数推断以及针对岩爆灾害的预测判识功能。

2、其中，岩爆是指在地下工程和矿山开采过程中，由于地应力集中而导致岩石突然释放能量的一种灾害性现象。它的主要特征包括岩石的突然断裂和碎裂、冲击波的产生以及岩石或矿体的突然喷出和崩落。其发生的主要原因为高地应力，在高地应力及硬岩环境下，围岩所赋存的应力在隧道开挖扰动后进行重分布，当围岩所承载的应力到达极限时，可能导致岩爆灾害的发生，因此可知，岩爆灾害的主要影响因素包括隧道区域的地应力大小以及围岩的岩体强度，其中，围岩的岩体强度又取决于围岩本身所含岩石的岩石硬度、围岩的地下水情况以及围岩的完整程度。因此需要对施工围岩的地质参数进行探测，现一般采用tsp工法进行数据探测，但是tsp工法探测长度有限，不能快速对整个围岩的地质数据进行快速探测，为此提出一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法。

2、本发明采用以下技术方案实现：一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、采集掌子面前方未开挖tsp数据和掌子面后方已开挖地质数据；

4、步骤s2、将采集的数据划分形成数据集；

5、步骤s3、将数据集进行条件概率计算，得到条件概率；

6、步骤s4、利用贝叶斯推断模型对数据集进行先验概率计算，得到先验概率；

7、步骤s5、利用贝叶斯推断模型对数据集进行第一次后验概率计算，得到第一次后验概率；

8、步骤s6、将第一次后验概率作为先验概率，并将数据集输入贝叶斯推断模型中进行第二次后验概率；

9、步骤s7、重复步骤s5和步骤s6利用贝叶斯推断模型数据集进行多次计算；

10、步骤s8、根据步骤s7计算的内容选取概率最高的状态作为推断结果。

11、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s1中掌子面前方未开挖tsp数据包括纵波波速、横波波速、泊松比、密度、静态杨氏模量、动态杨氏模量以及直达波波速；掌子面后方已开挖地质数据包括岩石坚硬程度、地下水情况、完整程度及地应力。

12、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s2中以掌子面后方已开挖地质数据参数结合掌子面前方未开挖tsp数据进行数据集划分；

13、其中，以掌子面后方已开挖地质数据参数中岩石坚硬程度、地下水情况、完整程度及地应力为参照，将数据集划分为d1、d2和d3三组数据集，掌子面后方已开挖地质数据参数指标所对应的掌子面前方未开挖tsp数据种类选择情况如下：

14、岩石坚硬程度：d1：动态杨氏模量、d2：纵波波速、d3：密度；

15、地下水情况：d1：横波波速、d2：纵波波速、d3：直达波波速；

16、完整程度：d1：纵波波速、d2：泊松比、d3：静态杨氏模量；

17、地应力：d1：直达波波速、d2：泊松比、d3：密度。

18、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s3包括以下步骤：

19、步骤a1、频率分布：

20、确定掌子面后方已开挖地质数据参数和对应的掌子面前方未开挖tsp数据出现的频率；

21、步骤a2、比例转换：

22、将联合出现频率转换为概率，从而得到条件概率。

23、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s4中根据数据集d1、数据集d2和数据集d3中采集的掌子面后方已开挖地质数据参数指标，实现对掌子面后方已开挖地质数据参数指标的先验概率计算，从而得到先验概率。

24、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s5中利用贝叶斯推断方法将数据集d1进行初始更新，从而得到第一次后验概率数据。

25、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s6中以第一次后验概率作为先验概率对数据集d2进行第二次后验计算，从而得到第二次后验概率数据。

26、作为上述方案的进一步改进，所述步骤s1中掌子面前方未开挖tsp数据采用tsp法进行数据采集。

27、作为上述方案的进一步改进，所述贝叶斯推断模型包括：

28、

29、其中，：后验概率，给定数据d后，参数θ为真值的概率；

30、：似然函数，表示在参数θ为真时，数据d出现的概率；

31、：先验概率，指在没有观察到当前数据之前对参数θ的原有信念；

32、：边际似然，也称为标准化常数或证据因子，是观测数据d出现的总概率。

33、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

34、本发明在完成对先验概率以及条件概率的统计后，通过后验数据作为后一步的先验数据的方法，每输入一次观测到的d1、d2、d3状态，使先验概率结合三个物理状态的影响而生成后验概率，再用生成的后验概率作为先验概率，通过多次输入观测到的d1、d2、d3状态，使先验概率多次更新，实现先验概率结合观测状态影响的动态更新过程；而根据每次更新完毕的后验概率分布，通过选取岩石硬度状态中概率最高的状态作为推断结果；

35、对已开挖部分的隧道地质数据进行处理后作为先验，也就是对隧道后方的大体判断，之后使用tsp超前物探对掌子面后方的tsp数据进行收集，并将收集到的tsp数据作为观测数据输入推断模型中，输入的观测数据会根据tsp数据与地质数据之间的条件概率关系对先验产生影响从而得出后验，而后验则是对输入tsp数据所对应未开挖段的地质数据推断结果；然后再以更新后的后验作为先验，继续输入后续tsp数据，从而不断更新后验得到地质数据推断结果，实现了未开挖部分的地质数据的岩石坚硬程度、地下水情况、完整程度及地应力四项指标的推算，为隧道地质施工提供数据支撑。

技术特征：

1.一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s1中掌子面前方未开挖tsp数据包括纵波波速、横波波速、泊松比、密度、静态杨氏模量、动态杨氏模量以及直达波波速；掌子面后方已开挖地质数据包括岩石坚硬程度、地下水情况、完整程度及地应力。

3.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s2中以掌子面后方已开挖地质数据参数结合掌子面前方未开挖tsp数据进行数据集划分；

4.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：

5.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s4中根据采集的掌子面后方已开挖地质数据参数指标，实现对掌子面后方已开挖地质数据参数指标的先验概率计算，从而得到先验概率。

6.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s5中利用贝叶斯推断方法进行初始更新，从而得到第一次后验概率数据。

7.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s6中以第一次后验概率作为先验概率进行第二次后验计算，从而得到第二次后验概率数据。

8.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述步骤s1中掌子面前方未开挖tsp数据采用tsp法进行数据采集。

9.如权利要求1所述的一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，其特征在于，所述贝叶斯推断模型包括：

技术总结
本发明涉及隧道围岩探测技术领域，公开了一种基于多阶段数据贝叶斯推断的隧道地质参数推断方法，包括以下步骤：步骤S1、采集掌子面前方未开挖TSP数据和掌子面后方已开挖地质数据；步骤S2、将采集的数据划分形成数据集；步骤S3、将数据集进行条件概率计算，得到条件概率；步骤S4、利用贝叶斯推断模型对数据集进行先验概率计算，得到先验概率；步骤S5、利用贝叶斯推断模型对数据集进行第一次后验概率计算，得到第一次后验概率；步骤S6、将第一次后验概率作为先验概率。本发明实现了未开挖部分的地质数据的岩石坚硬程度、地下水情况、完整程度及地应力四项指标的推算，为隧道地质施工提供数据支撑。

技术研发人员：马春驰,王智康,谭贤君,王栋,周云,史守栋,贾哲强,张志厚,张志龙,杨科
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5