一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法技术

本发明专利技术涉及一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，属地下隧道工程施工技术领域。为定量优化土压平衡式盾构机掘进参数，以掘进效率作为最优化分析目标函数，通过对实测数据进行符号回归和线性回归，得到有限样本下的掘进效率预测方程。通过计算有限样本下的掘进效率预测方程系数随掘进地层饱和单轴抗压强度变化的连续函数，得到适用于土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测方程。进而通过分步取点法在给定定义域内进行最优化计算，结合对掘进速率的校核，得到适用于掘进硬质岩的土压平衡式盾构机优化掘进参数。本发明专利技术基于工程勘察资料和施工数据，计算过程简明，方法合理，实用性强，可以有效提高土压平衡式盾构机的掘进效率。

A fast method to optimize the parameters of EPB shield machine

【技术实现步骤摘要】
一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法
本专利技术属于全断面隧道掘进机掘进参数优化
，特别涉及一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法。
技术介绍
1)一种硬岩掘进机的掘进效率预测方法(申请号：201610755946.8)该方法未给出掘进效率的具体定义，且将掘进效率的影响因素限定为五类地质特征，没有考虑其他掘进参数对掘进效率的影响。2)TBM掘进参数优化方法(申请号：201910231527.8)该方法以最小比能耗为目标函数，功函数的积分变量均为位移及转角，力和扭矩方程只能通过既有实测值得到折线方程，无法对未掘进区域进行预测和提前优化。3)复合地层情况下盾构掘进参数的优化方法(申请号：201610003385.6)和4)《复合地层下盾构掘进速率模型的建立与优化》(李杰,付柯,郭京波,etal.复合地层下盾构掘进速率模型的建立与优化[J].现代隧道技术,2017(3).)在适用性和计算原理上存在局限。适用性方面，掘进速率预测方程仅适用于一种地层，当地层条件改变时方程不再同等适用。计算原理方面，对比文献3)分别对掘进速率和刀盘扭矩进行优化，但没有进行掘进速率和刀盘扭矩的耦合优化，即掘进速率最优值所对应的掘进参数组和刀盘扭矩最优值对应的掘进参数组不相同，没有给出最终的、综合考虑掘进速率和刀盘扭矩的优化结论；对比文献4)单纯以掘进速率为优化对象而没有考虑设备损耗和负载能力的制约。此外，对比文献3)和对比文献4)的约束条件没有给出明确的计算公式，难以通过K-T法进行求解。5)《复杂富水地层下盾构机掘进速率模型建立与参数优化》(王强.复杂富水地层下盾构机掘进速度模型建立与参数优化[J].水利规划与设计,2019(08):73-78.)以掘进速率为单一最优化目标函数，没有考虑设备负载能力和损耗对掘进效率的制约，而且掘进速率预测方程只适用于一种地层，在适用性和原理正确性上存在局限。此外，对比文献5)以局部优化法进行最优化计算，计算结果受初值的设定影响极大，导致工程适用性低。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术提出了一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，为定量优化土压平衡式盾构机掘进参数，将掘进速率与刀盘扭矩之比，作为最优化分析目标函数，具体包括如下步骤：步骤一、建立掘进效率统计样本定义掘进效率β为掘进速率v除以刀盘扭矩T，如式(1)。T直接反映设备运转状态，β体现了掘进速率与刀盘驱动电机负载能力之间的关系。结合隧道试掘进时盾构机自动记录的掘进参数和既往工程的掘进参数数据，将同一时刻实测得到的掘进速率v、刀盘扭矩T、有效推力F、土仓压力p、刀盘转速n作为同一组掘进参数。统计试掘进阶段内各记录时刻的β、F、p、n作为掘进效率统计样本。步骤二通过符号回归和线性回归得到针对有限样本的掘进效率预测方程对地层饱和单轴抗压强度Rc不同的各地层中盾构机的掘进效率β分别进行符号回归，将在后台运行符号回归算法的计算机上运算时间少于1分钟且拟合精度r2高于0.7的针对β的拟合方程作为候选方程。统计各地层的候选方程，自变量n2、p、np、pF均共同存在于各地层的候选方程中的至少一个方程中，因此以n2、p、np、pF作为有限样本下的掘进效率预测方程的自变量，如式(2)，通过有限样本下的掘进效率预测方程针对掘进效率统计样本重新进行线性回归，得到属于各地层的方程系数；β*为有限样本下的掘进效率预测值。β*＝a1n2+a2p+a3np+a4pF+a5(2)步骤三掘进效率预测方程延拓在有限样本条件下得到的式(2)中的方程系数是针对有限种类地层的离散的方程系数，需要对离散的方程系数所对应的方程进行延拓，才能得到适用于一般性地层的方程。以步骤一中得到的有限样本下的不同掘进地层中掘进效率预测方程的系数为应变量，以掘进地层饱和单轴抗压强度Rc为自变量进行线性和非线性回归，得到方程系数随Rc变化的连续函数，如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)所示。因为样本均为硬质岩中取得，所以掘进效率预测方程延拓也在硬质岩范围内，即Rc≥30MPa。a1＝116.588-99.614Rc0.038,Rc≥30MPa(3)a2＝46.522-12.532Rc0.313,Rc≥30MPa(4)a3＝0.093Rc-4.414,Rc≥30MPa(5)a4＝1.135×10-6Rc-6.976×10-5,Rc≥30MPa(6)如式(8)，将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)代入式(2)，得到适用于土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测方程，β**为土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测值。步骤四确定优化计算式及边界条件掘进参数优化计算式如式(9)所示，pΩ、ΘΩ、ΨΩ分别反映了正常掘进地层Ω时土仓压力、有效推力、刀盘转速的允许波动范围，即[pmin,pmax]、[Fmin,Fmax]、[nmin,nmax]。步骤五分步取点法计算β**较大值最优化问题影响因素均已量化且边界较明确，宜采用线性等分获得待选掘进参数最优值网格，对网格节点进行分步取点法逐步运算。将pΩ、ΘΩ、ΨΩ分别作为空间直角坐标系相互正交的x、y、z坐标轴上的定义域，得到β**的空间定义域。建立第一步网格，分别将pΩ、ΘΩ、ΨΩ作m1等分并在所有等分点处作等分点所在坐标轴的法平面，各法平面相交形成β**空间定义域的第一步网格，任意一个第一步网格节点满足式(10)、式(11)、式(12)。根据地层勘查资料确定掘进地层Rc后，将点代入式(8)，得到β**的空间定义域内各第一步网格节点对应的β**。将β**的空间定义域内各第一步网格节点对应的β**按大小降序排列，得第一步网格节点β**数列。取第一步网格节点β**中最大的前20％的β**所对应的网格节点作为第一步网格优势点。建立第二步网格，对每个第一步网格优势点，取以该点为体心且在x、y、z轴投影长度分别为的长方体并将长方体各边作m2等分，作各等分点所在坐标轴的法平面，各法平面相交形成该第一步网格优势点的第二步网格，任意一个第二步网格节点满足式(13)、式(14)、式(15)。根据地层勘查资料确定掘进地层Rc后，将点代入式(8)，得到所有第二步网格节点对应的β**。将第一步网格优势点对应的β**和所有第二步网格节点对应的β**汇总并取β**最大的前10％所对应的网格节点作为初选优化参数点。步骤六掘进速率校核。刀盘上分布有正滚刀和边滚刀，正滚刀平行于掘进方向安装，而边滚刀与掘进方向之间存在不为零的边滚刀安装角度。有效推力近似均分到每把滚刀上的与掘进方向平行的力为F/N，正滚刀和边滚刀所受与掘进方向平行的力近似平均为F/N，其中正滚刀数量为Nfc具，边滚刀数量为Nlc，刀具总数为N具，如式(16)所示。根据力的平衡，刀盘所受地层阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、建立掘进效率统计样本/n定义掘进效率β为掘进速率v除以刀盘扭矩T，如式(1)；T直接反映设备运转状态，β体现了掘进速率与刀盘驱动电机负载能力之间的关系；/n

【技术特征摘要】
1.一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立掘进效率统计样本
定义掘进效率β为掘进速率v除以刀盘扭矩T，如式(1)；T直接反映设备运转状态，β体现了掘进速率与刀盘驱动电机负载能力之间的关系；



结合隧道试掘进时盾构机自动记录的掘进参数和既往工程的掘进参数数据，将同一时刻实测得到的掘进速率v、刀盘扭矩T、有效推力F、土仓压力p、刀盘转速n作为同一组掘进参数；统计试掘进阶段内各记录时刻的β、F、p、n作为掘进效率统计样本；
步骤二、通过符号回归和线性回归得到针对有限样本的掘进效率预测方程
对地层饱和单轴抗压强度Rc不同的各地层中盾构机的掘进效率β分别进行符号回归，将在后台运行符号回归算法的计算机上运算时间少于1分钟且拟合精度r2高于0.7的针对β的拟合方程作为候选方程；
统计各地层的候选方程，自变量n2、p、np、pF均共同存在于各地层的候选方程中的至少一个方程中，因此以n2、p、np、pF作为有限样本下的掘进效率预测方程的自变量，如式(2)，通过有限样本下的掘进效率预测方程针对掘进效率统计样本重新进行线性回归，得到属于各地层的方程系数；
β*为有限样本下的掘进效率预测值；
β*＝a1n2+a2p+a3np+a4pF+a5(2)
步骤三、掘进效率预测方程延拓
在有限样本条件下得到的式(2)中的方程系数是针对有限种类地层的离散的方程系数，需要对离散的方程系数所对应的方程进行延拓，才能得到适用于一般性地层的方程；
以步骤一中得到的有限样本下的不同掘进地层中掘进效率预测方程的系数为应变量，以掘进地层饱和单轴抗压强度Rc为自变量进行线性和非线性回归，得到方程系数随Rc变化的连续函数，如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)所示；因为样本均为硬质岩中取得，所以掘进效率预测方程延拓也在硬质岩范围内，即Rc≥30MPa；
a1＝116.588-99.614Rc0.038,Rc≥30MPa(3)
a2＝46.522-12.532Rc0.313,Rc≥30MPa(4)
a3＝0.093Rc-4.414,Rc≥30MPa(5)
a4＝1.135×10-6Rc-6.976×10-5,Rc≥30MPa(6)



如式(8)，将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)代入式(2)，得到适用于土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测方程，β**为土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测值；



步骤四、确定优化计算式及边界条件
掘进参数优化计算式如式(9)所示，pΩ、ΘΩ、ΨΩ分别反映了正常掘进地层Ω时土仓压力、有效推力、刀盘转速的允许波动范围，即[pmin,pmax]、[Fmin,Fmax]、[nmin,nmax]；



步骤五、分步取点法计算β**较大值
最优化问题影响因素均已量化且边界较明确，宜采用线性等分获得待选掘进参数最优值网格，对网格节点进行分步取点法逐步运算；
将pΩ、ΘΩ、ΨΩ分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彤，韩爱民，施烨辉，徐成华，汤国毅，程荷兰，王建军，苏明，王金铭，李闯，李璇，翟维骏，张心远，
申请(专利权)人：南京坤拓土木工程科技有限公司，南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32