[發明專利]一種基于樁錘激震和k近鄰算法的地下溶洞探測方法

在審

• 申請號: 202010410594.9
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111551985A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 陳敬松;周立成;李浩祖;劉方剛;劉澤佳;湯立群;周玉鋒;劉逸平;蔣震宇;楊帥;彭寅;羅德泉;李杏林;任明龍
• 申請（專利權）人: 廣州市高速公路有限公司;華南理工大學;廣州廣佛肇高速公路有限公司
• 主分類號: G01V1/143
• 分類號: G01V1/143;G01V1/28;G01V1/30
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發明公開了一種基于樁錘激震和k近鄰算法的地下溶洞探測方法，首先，建立包含不同溶洞尺寸與位置的模型庫，而模型中的溶洞位置與尺寸則為標簽；其次，對模型庫進行有限元計算，在樁錘激震下獲得不同溶洞工況的地表特定位置的加速度響應；再次，對加速度響應數據進行特征提取，將提取的特征與標簽組合成數據庫，并隨機劃分訓練集與測試集，將訓練集輸入k近鄰算法進行機器學習，得到初步的基于k近鄰算法的溶洞探測模型；最后，根據預測精度調整模型參數，獲得最佳的基于k近鄰算法的溶洞探測模型。本發明方法可有效實現對地下溶洞位置和幾何尺寸的準確識別，且較現有的溶洞探測技術具有成本更低、效率更高的優點。

技術領域

本發明涉及溶洞探測的技術領域，尤其是指一種基于樁錘激震和k近鄰算法的地下溶洞探測方法。

背景技術

溶洞是指可溶性巖石在喀斯特作用下形成的空間，廣泛存在于我國各個省市，尤其是西南地區。地下溶洞對基礎工程施工的安全性造成嚴重的威脅，在輕微的土層擾動作用下可能會發生坍塌，在灌注混凝土時也容易發生漏漿、塌孔等事故，從而造成經濟損失甚至威脅施工人員的生命安全。因此，發展高效的溶洞探測技術，可以為施工前期土層地質狀況的評估提供可靠的技術保障，并為之后的施工方案提供指導，進而保證基礎工程的施工安全。

目前，溶洞探測技術主要包括淺層地震波反射法、高密度電阻率法、鉆孔雷達法、管波測試法等地質勘查手段，其原理是利用彈性波、電場、地磁波或者聲波等在不同地層下的分布或者傳播規律以預測地下溶洞的位置。當前，傳統的溶洞探測技術仍然面臨探測效率低、成本高、不易于大面積應用等技術瓶頸。例如，經典的淺層地震法則需要利用炸藥等人工震源作為激勵源產生地震波，既增加了成本也造成了一定的危險性；高密度電阻率法在接地條件較差的地方產生的誤差較大；鉆孔雷達法設備昂貴，成本較高，難以大面積應用；管波測試法雖然不需要鉆孔，但該方法無法準確獲得溶洞的位置與尺寸，僅能用于預測溶洞的埋深。因此，發展一種安全、可靠、低成本、高效的地下溶洞探測方法就變得十分重要。此外，施工現場中通過傳感器獲得的不同位置、不同時刻的響應數據不僅數量龐大，且由于外界環境干擾數據呈現出復雜多變的特點。因此，開發一種高效算法對這些龐大的數據集進行分析和數據挖掘，是實現低成本、高效率的地下溶洞探測技術的必要手段。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提出了一種基于樁錘激震和k近鄰算法的地下溶洞探測方法，該方法利用樁基施工中的樁錘激震作為激震源，并采用此激震源作用下的地表加速度響應作為k近鄰算法的輸入，對地下溶洞的位置和幾何尺寸進行識別。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種基于樁錘激震和k近鄰算法的地下溶洞探測方法，包括以下步驟：

1)利用有限元仿真的手段，對有無溶洞及不同位置與尺寸的溶洞多種工況下的響應信息進行分析，確定能夠探測的溶洞位置和尺寸范圍，隨后在此范圍內建立包含不同溶洞尺寸與位置的模型庫，而模型中的溶洞位置與尺寸則為標簽；

2)對建立的模型庫進行有限元計算，在樁錘激震下獲得不同溶洞工況的地表特定位置的加速度響應數據；

3)對地表特定位置的加速度響應數據進行分析，提取相應的特征，而后將提取的特征與標簽組合成數據庫，將數據庫隨機分成訓練集與測試集，其中，訓練集的數量要比測試集多，隨后再將訓練集輸入k近鄰算法進行機器學習，獲得初步的基于k近鄰算法的溶洞探測模型；

4)將測試集輸入初步的基于k近鄰算法的溶洞探測模型進行預測，將預測結果與測試集所對應的標簽進行對比，從而得到預測精度，而后根據預測精度調整模型的參數k，以得到最佳的基于k近鄰算法的溶洞探測模型，并將其應用于地下溶洞探測當中。

在步驟1)中，建立模型庫時使用無限元單元作為土層的邊界單元來模擬半無限體，避免彈性波在邊界處反射。

在步驟2)中，選擇在距離打樁激震點半徑范圍為5m至10m的圓周上均勻布置不少于4個加速度傳感器進行數據采集。