土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统及方法，包括数据存储模块、数据采集模块；数据存储模块和数据采集模块均与数据筛选和后处理模块相连，数据筛选和后处理模块与风险评价模块相连，风险评价模块的输出端分别与地面移动端设备、风险预警模块的输入端和地铁盾构信息管理系统的输入端相连，风险预警模块的输出端还经风险处理模块与地铁盾构信息管理系统相连，地铁盾构信息管理系统的输出端与地面移动端设备相连。本发明专利技术采用上述土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统及方法，通过对盾构刀盘泥饼成因的微观机理进行分析，确定明确的结泥饼的判据，在此基础上建立量化的风险评价模型，对于盾构施工的顺利开展具有工程价值。展具有工程价值。展具有工程价值。

【技术实现步骤摘要】
土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统及方法


[0001]本专利技术涉及盾构掘进安全评估
，尤其涉及土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统及方法。

技术介绍

[0002]随着盾构施工法应用面的扩大，在复合地层的掘进过程中，盾构设备发生工程事故的概率也大大增加。其中，以螺旋输送机故障、喷涌、结泥饼和盾构姿态偏离等最为常见，是影响盾构施工进度的主要因素。其中盾构结泥饼是指盾构设备在掘进过程中刀盘削切下来的细小粘性颗粒、碎屑等，在多重因素作用下重新汇聚在盾构设备上形成半固结或固结状态的块状体。并且在盾构机穿越粘土类地层、粘土质砂土地层、泥岩、泥质粉砂岩、母岩为花岗岩的残积土层、全风化岩层和强风化岩层及其复合地层时，容易在刀盘面板、中心牛腿及刀箱内形成泥饼。泥饼的形成会导致刀盘刀具不充分工作、刀盘扭矩和盾构机运行阻力不断上升，降低盾构的掘进速度。甚至会导致螺旋机卡死无法正常运送渣土，给工程带来巨大的经济损失。
[0003]然而，由于对于泥饼现象以往的研究尚存在不足之处，土压平衡盾构刀盘结泥饼现象在施工过程中仍屡见不鲜。具体存在以下问题：
[0004]1、在盾构刀盘结泥饼成因方面，部分文献将研究角度集中在对成因的定性分析和施工经验总结上，缺乏从内在机理方面进行较为深入的研究。
[0005]2、泥饼的形成尚缺乏具体的科学评价指标和对科学判据的提炼，工程师多从自身经验出发结合盾构设备参数反馈进行开仓检查。
[0006]通过上述研究往往无法避免泥饼的产生，同时较低的准确性、对事故的预测的滞后性均导致施工过程中不必要的经济损失的增加。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供一种土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统及方法，通过对盾构刀盘泥饼成因的微观机理进行分析，确定明确的结泥饼的判据，在此基础上建立量化的风险评价模型，对于盾构施工的顺利开展具有工程价值。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统，包括：
[0009]土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，用于确定对刀盘结泥饼存在影响的掘进参数，掘进参数包括地质条件参数、盾构选型参数和施工因素参数；
[0010]数据存储模块，用于基于土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，收集并存储地质条件参数和盾构选型参数；
[0011]数据采集模块，用于基于土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，收集盾构掘进过程中产生的施工因素参数；
[0012]数据筛选和后处理模块，用于将掘进参数转化成可分析的数据序列；
[0013]风险评价模块，用于基于熵权法
‑
模糊综合评价方法进行风险评价；
[0014]风险预警模块，用于根据风险评价结果生成结泥饼的预警信息；
[0015]风险处理模块，用于根据风险来源和结泥饼风险等级，生成响应措施；
[0016]地铁盾构信息管理系统，用于实时监测盾构掘进状态并进行人工纠正；
[0017]地面移动端设备，用于响应人工纠正的处理结果；
[0018]数据存储模块和数据采集模块均与数据筛选和后处理模块的输入端相连，数据筛选和后处理模块的输出端与风险评价模块的输入端相连，风险评价模块的输出端分别与地面移动端设备、风险预警模块的输入端和地铁盾构信息管理系统的输入端相连，风险预警模块的输出端还经风险处理模块与地铁盾构信息管理系统的显示单元相连，地铁盾构信息管理系统的输出端与地面移动端设备相连。
[0019]优选的，风险评价模块包括掘进参数权重计算模块和风险确定模块；
[0020]掘进参数权重计算模块，用于基于熵权法和收集的掘进参数计算掘进参数权重矩阵；
[0021]风险确定模块，用于基于模糊综合评价方法对刀盘结泥饼风险进行分级别分析。
[0022]优选的，数据存储模块为web端服务器。
[0023]土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，包括以下步骤：
[0024]S1、构建土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，确定对刀盘结泥饼存在影响的掘进参数；
[0025]S2、利用数据存储模块收集地质条件参数和盾构选型参数，并利用数据采集模块收集施工因素参数，并将收集的掘进参数传输给数据筛选和后处理模块；
[0026]S3、利用数据筛选和后处理模块对掘进参数进行预处理，去除噪点，并填充缺失值；
[0027]S4、利用风险评价模块用于基于熵权法
‑
模糊综合评价方法进行风险评价；
[0028]S5、基于风险评价模块反馈的结泥饼风险等级，将匹配信息分别传递给地面移动端设备、风险预警模块和地铁盾构信息管理系统；
[0029]S6、风险预警模块根据接收的结泥饼风险等级生成结泥饼的预警信息，并将结泥饼的预警信息传递给风险处理模块，由风险处理模块根据风险来源和结泥饼风险等级，生成响应措施并和预警信息一同传递给地铁盾构信息管理系统；
[0030]S7、地铁盾构信息管理系统显示单元实时监测盾构掘进状态，并将人工纠正后的处理结果提供给地面移动端设备，指导现场施工。
[0031]优选的，在步骤S1中，掘进参数包括地质条件参数、盾构选型参数和施工因素参数，且从地层剖面图和盾构线路详勘报告中获取地质条件参数；从盾构机刀盘图和参数表获取盾构选型参数；从地铁盾构信息管理系统中采集历史盾构施工因素参数；
[0032]其中，地质条件参数包括粘粒含量、塑性指数、液性指数、抗崩解系数；
[0033]盾构选型参数包括刀具系统参数和非刀具系统参数，其中，刀具系统参数包括刀具间距、刀具高差、刀具类型、刀具开口率，非刀具系统参数包括螺旋器相对伸入长度、搅拌棒数量、冲刷口数量；
[0034]施工因素参数包括掘进模式控制参数、掘进参数控制参数、渣土改良参数和温度控制参数，其中，掘进模式控制参数包括启动扭矩、渣土液面高度、停机时间，掘进参数控制
参数包括土仓压力、刀盘扭矩、总推力、推进速度、螺旋机转速，渣土改良参数包括注入比FIR、发泡率FER、泡沫半衰期，温度控制参数包括渣土温度。
[0035]优选的，在步骤S2中，数据采集模块收集盾构机掘进线路上每一环的施工因素参数。
[0036]优选的，在步骤S3中，地质条件参数和施工因素参数采用相邻参数线性插值的方法填充缺失值；
[0037]对于施工因素参数每一环中存在的离群点，首先采用下式进行标准化：
[0038][0039]式中，μ
j
为第j环施工因素参数均值；σ
j
为第j环的施工因素参数标准差；x
ij
为第j环内施工参数的第i次实测值；Z
ij
为标准化后的第j环内施工参数的第i次实测值；
[0040]而后采用统计学3σ原则将数据距离平均值超过3倍标准差的统计点剔除：
[0041]Z
ij
≤μ
j
±
3σ
j...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统，其特征在于：包括：土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，用于确定对刀盘结泥饼存在影响的掘进参数，掘进参数包括地质条件参数、盾构选型参数和施工因素参数；数据存储模块，用于基于土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，收集并存储地质条件参数和盾构选型参数；数据采集模块，用于基于土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，收集盾构掘进过程中产生的施工因素参数；数据筛选和后处理模块，用于将掘进参数转化成可分析的数据序列；风险评价模块，用于基于熵权法
‑
模糊综合评价方法进行风险评价；风险预警模块，用于根据风险评价结果生成结泥饼的预警信息；风险处理模块，用于根据风险来源和结泥饼风险等级，生成响应措施；地铁盾构信息管理系统，用于实时监测盾构掘进状态并进行人工纠正；地面移动端设备，用于响应人工纠正的处理结果；数据存储模块和数据采集模块均与数据筛选和后处理模块的输入端相连，数据筛选和后处理模块的输出端与风险评价模块的输入端相连，风险评价模块的输出端分别与地面移动端设备、风险预警模块的输入端和地铁盾构信息管理系统的输入端相连，风险预警模块的输出端还经风险处理模块与地铁盾构信息管理系统的显示单元相连，地铁盾构信息管理系统的输出端与地面移动端设备相连。2.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统，其特征在于：风险评价模块包括掘进参数权重计算模块和风险确定模块；掘进参数权重计算模块，用于基于熵权法和收集的掘进参数计算掘进参数权重矩阵；风险确定模块，用于基于模糊综合评价方法对刀盘结泥饼风险进行分级别分析。3.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统，其特征在于：数据存储模块为web端服务器。4.如上述权利要求1
‑
3任一项所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、构建土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，确定对刀盘结泥饼存在影响的掘进参数；S2、利用数据存储模块收集地质条件参数和盾构选型参数，并利用数据采集模块收集施工因素参数，并将收集的掘进参数传输给数据筛选和后处理模块；S3、利用数据筛选和后处理模块对掘进参数进行预处理，去除噪点，并填充缺失值；S4、利用风险评价模块用于基于熵权法
‑
模糊综合评价方法进行风险评价；S5、基于风险评价模块反馈的结泥饼风险等级，将匹配信息分别传递给地面移动端设备、风险预警模块和地铁盾构信息管理系统；S6、风险预警模块根据接收的结泥饼风险等级生成结泥饼的预警信息，并将结泥饼的预警信息传递给风险处理模块，由风险处理模块根据风险来源和结泥饼风险等级，生成响应措施并和预警信息一同传递给地铁盾构信息管理系统；S7、地铁盾构信息管理系统显示单元实时监测盾构掘进状态，并将人工纠正后的处理结果提供给地面移动端设备，指导现场施工。
5.根据权利要求4所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，其特征在于：在步骤S1中，掘进参数包括地质条件参数、盾构选型参数和施工因素参数，且从地层剖面图和盾构线路详勘报告中获取地质条件参数；从盾构机刀盘图和参数表获取盾构选型参数；从地铁盾构信息管理系统中采集历史盾构施工因素参数；其中，地质条件参数包括粘粒含量、塑性指数、液性指数、抗崩解系数；盾构选型参数包括刀具系统参数和非刀具系统参数，其中，刀具系统参数包括刀具间距、刀具高差、刀具类型、刀具开口率，非刀具系统参数包括螺旋器相对伸入长度、搅拌棒数量、冲刷口数量；施工因素参数包括掘进模式控制参数、掘进参数控制参数、渣土改良参数和温度控制参数，其中，掘进模式控制参数包括启动扭矩、渣土液面高度、停机时间，掘进参数控制参数包括土仓压力、刀盘扭矩、总推力、推进速度、螺旋机转速，渣土改良参数包括注入比FIR、发泡率FER、泡沫半衰期，温度控制参数包括渣土温度。6.根据权利要求4所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，其特征在于：在步骤S2中，数据采集模块收集盾构机掘进线路上每一环的施工因素参数。7.根据权利要求4所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，其特征在于：在步骤S3中，地质条件参数和施工因素参数采用相邻参数线性插值的方法填充缺失值；对于施工因素参数每一环中存在的离群点，首先采用下式进行标准化：式中，μ
j
为第j环施工因素参数均值；σ
j
为第j环的施工因素参数标准差；x
ij
为第j环内施工参数的第i次实测值；Z
ij
为标准化后的第j环内施工参数的第i次实测值；而后采用统计学3σ原则将数据距离平均值超过3倍标准差的统计点剔除：Z
ij
≤μ
j
±
3σ
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)最后重新统计均值归为该环的代表值。8.根据权利要求4所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：S41、构建掘进参数的量化评价标准，根据风险等级划分为低风险到高风险等多个等级；S42、构建土压平衡盾构刀盘结泥饼风险评价模型，计算掘进参数的权重因子并进行组合赋权，得到模糊评价法的权重集；S43、基于掘进参数的量化评价标准，构建模糊评价法的因素集、评语集、权重集和掘进参数的隶属度函数；S44、建立模糊综合评价矩阵，根据隶属度综合评判泥饼风险等级。9.根据权利要求8所述的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的风险预测系统的方法，其特征在于：在步骤S41中，根据地质条件、盾构选型和施工因素...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁小彬，杨辉泰，魏坤华，施钰，李世佳，任续锋，罗昌军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：