一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法技术

一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，包括：确定影响掘进总推力的参数；计算主控项及无量纲化总推力大小；将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。本发明专利技术对于地下装备掘进过程中的总推力计算快速准确。由于在满足量纲一致性原则的基础上，综合考虑地质环境、操作状态、装备结构等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度等的改变灵活调整总推力参数，为掘进机装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法
本专利技术涉及一种盾构掘进总推力的计算方法。特别是涉及一种基于量纲分析的盾构掘进总推力的计算方法。
技术介绍
近些年来，随着隧道及地下空间工程的快速发展，盾构施工法凭借安全、快速、优质等特点得到广泛应用。盾构的掘进总推力用于支持装备向前推进，是盾构装备中重要的性能参数。一方面，根据隧道直径、施工环境及掘进状态给出的掘进总推力预测值可以为装备正向设计提供指导，并为掘进过程中总推力的调控范围提供依据；另一方面，推进系统提供的动力控制不当可能导致重要机械部件损坏或地表塌陷等事故。目前盾构掘进总推力的计算方法主要围绕盾构各个部件的几何构型、受载状态与本构方程进行受力分析。为满足理想的理论建模条件，预估过程中会存在假定与近似等问题。比如为确定盾壳所受摩擦阻力大小，在计算过程中需假定界面间的摩擦系数，为确定护盾与周围地层的接触压力，理论建模会假定土压力沿埋深呈线性变化，但由于复杂的地质构造以及隧道开挖对地层的扰动，装备所受土压力的分布形式并非沿埋深呈线性关系。而且对于土体这类复杂材料，由于其物理力学性质深受土体成分、含水量、地质构造等因素影响，目前土体本构模型都只能模拟某种加载条件下某类土的主要特性，尚未有准确的本构关系来描述其在实际工程中受载的力学性质。这些问题都将导致掘进总推力预估不准确，总推力控制不当会严重降低施工效率，甚至导致出现卡盾、地层塌陷等事故。近年来，基于数据的各类挖掘算法可为海量工程数据反演识别分析及建模提供有力的技术条件。然而，现阶段数据挖掘手段如决策树、粒子群、遗传算法等均属于“输入-输出”的黑箱模型，无法解释内在因果关系。因此难以得到问题的共性解答，难以为盾构掘进总推力建立普适性高的预测模型。所以，建立一种准确的、普适性高的盾构掘进总推力预测方法，已成为本行业之急需。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，通过量纲分析以及统计工具，提供一种能够提供隧道掘进装备参数控制依据的盾构掘进总推力的计算方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，包括如下步骤：1)确定影响掘进总推力的参数；2)计算主控项及无量纲化总推力大小；3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。步骤1)所述的影响掘进总推力的参数包括：F,单位:kN为掘进总推力；E,单位:kpa为土体弹性模量；γ,单位:kN/m3为土体容重；H,单位:m为隧道埋深；l,单位:m为盾构长度；v,单位:m/s为掘进速度；K0为静止土压力系数；pe,单位:kpa为土舱压力；D,单位:m为盾构直径；ω,单位:r/min为刀盘转速。步骤2)所述的主控项有3个：I1、I2、I3，一个无量纲化总推力具体计算公式如下：式中，K0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；pe,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转速；l,单位:m为盾构长度；H,单位:m为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。步骤4)包括：将三个主控项I1、I2、I3作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用线性回归方法，得到主控项的系数α＝[α1,α2,α3]T的识别计算式如下：上式中的矩阵I与向量含义如下：矩阵I中第1列代表主控项I1、矩阵I中第2列代表主控项I2、矩阵I中第3列代表主控项I3，矩阵I与向量的第1～n行依次对应工程数据中第1～n个样本依据3个主控项I1、I2、I3和无量纲化总推力的计算公式所计算的值。步骤5)包括：将主控项系数识别结果α1、α2、α3与三个主控项I1、I2、I3分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型如下：式中，K0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；pe,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转速；l,单位:m为盾构长度；H,单位:m为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。本专利技术的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，对于地下装备掘进过程中的总推力计算快速准确。由于在满足量纲一致性原则的基础上，综合考虑地质环境、操作状态、装备结构等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度等的改变灵活调整总推力参数，为掘进机装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法做出详细说明。本专利技术的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，包括如下步骤：1)确定影响掘进总推力的参数；包括：F,单位:kN，为掘进总推力；E,单位:kpa，为土体弹性模量；γ,单位:kN/m3，为土体容重；H,单位:m，为隧道埋深；l,单位:m，为盾构长度；v,单位:m/s，为掘进速度；K0为静止土压力系数；pe,单位:kpa，为土舱压力；D,单位:m，为盾构直径；ω,单位:r/min，为刀盘转速。2)计算主控项及无量纲化总推力大小；包括：计算3个主控项I1、I2、I3，一个无量纲化总推力具体计算公式如下：式中，K0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m3，为土体容重；E,单位:kpa，为土体弹性模量；D,单位:m，为盾构直径；pe,单位:kpa，为土舱压力；v,单位:m/s，为掘进速度；ω,单位:r/min，为刀盘转速；l,单位:m，为盾构长度；H,单位:m，为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；包括：将三个主控项I1、I2、I3作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用线性回归方法，得到主控项的系数α＝[α1,α2,α3]T的识别计算式如下：上式中的矩阵I与向量含义如下：矩阵I中第1列代表主控项I1、矩阵I中第2列代表主控项I2、矩阵I中第3列代表主控项I3，矩阵I与向量的第1～n行依次对应工程数据中第1～n个样本依据3个主控项I1、I2、I3和无量纲化总推力的计算公式所计算的值。5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。包括：将主控项系数识别结果α1、α2、α3与三个主控项I1、I2、I3分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型如下：式中，K0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m3，为土体容重；E,单位:kpa，为土体弹性模量；D,单位:m，为盾构直径；pe,单位:kpa，为土舱压力；v,单位:m/s，为掘进速度；ω,单位:r/min，为刀盘转速；l,单位:m，为盾构长度；H,单位:m，为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。下面给出具体实例：下面结合实施例对本专利技术的总推力的计算方法做出详细说明。具体步骤如下：1、列出影响掘进总推力F的参数及具体数值：FEγHlvK0peDω8910.003000015.009.509.0038.570.31162.946.341.1511150.006294019.419.109.0034.290.36151.186.341.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)确定影响掘进总推力的参数；2)计算主控项及无量纲化总推力大小；3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)确定影响掘进总推力的参数；2)计算主控项及无量纲化总推力大小；3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。2.根据权利要求1所述的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，步骤1)所述的影响掘进总推力的参数包括：F,单位:kN为掘进总推力；E,单位:kpa为土体弹性模量；γ,单位:kN/m3为土体容重；H,单位:m为隧道埋深；l,单位:m为盾构长度；v,单位:m/s为掘进速度；K0为静止土压力系数；pe,单位:kpa为土舱压力；D,单位:m为盾构直径；ω,单位:r/min为刀盘转速。3.根据权利要求1所述的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，步骤2)所述的主控项有3个：I1、I2、I3，一个无量纲化总推力具体计算公式如下：式中，K0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；pe,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张茜，周思阳，亢一澜，蔡宗熙，侯振德，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12