一种基于盾构数据的掘进状态调控方法与流程

1.本发明涉及全断面隧道掘进机施工控制技术领域，具体涉及一种基于盾构数据的掘进状态调控方法。


背景技术：

2.随着地下与空间工程的不断发展，盾构法被广泛应用于隧道的修建并被不断完善，多种盾构工法如双模盾构等的出现使得盾构的地层适应性不断增多，而掘进参数是反馈盾构掘进状态的重要指标，然而掘进参数间具有复杂的关联性，如盾构推力的增大将导致盾构扭矩的增大以及盾构掘进速度的增大，螺旋输送机转速的增大将导致排土能耗增大，螺旋输送机扭矩增大等，因此单个掘进参数对盾构掘进状态的评价将不具备代表性，对单个参数的调控也将不能充分调整盾构掘进状态，如盾构扭矩的减小可能是因为盾构渣土改良效果变好或者推力减小导致的。一个合理的盾构掘进状态评价方法将为盾构掘进精细化控制及渣土改良研究等提供理论基础，并具有重要意义。
3.根据已有研究或工程经验，我们可以将盾构总推力分为两部分，分别定义为抵抗推力与掘进推力，抵抗推力包括盾壳与地层的摩阻力、地层主动水土压力、盾尾与管片间的摩阻力以及后接台车的牵引阻力，其大小主要受盾构埋深和地层属性影响，埋深大或地层稳定性差则主动水土压力和盾壳侧面受到的土压力大，则盾构与地层间摩阻力也大；掘进推力则定义为除去抵抗推力后，盾构主动作用于掌子面上的力，其大小主要受刀盘刀具结构形式、地层强度、渣土改良状态和设定的推进速度有关。同理，盾构扭矩可分为抵抗扭矩和掘进扭矩，抵抗扭矩包括刀盘侧摩阻力、土仓渣土与刀盘面板间的摩擦扭矩、地层主动土压力产生的摩擦扭矩和搅拌棒搅拌扭矩。掘进扭矩为除去抵抗扭矩后的盾构扭矩，掘进扭矩主要受到掘进推力、刀盘结构形式、地层属性和渣土改良状态的影响。可见，由于消除了不必要因素的影响，掘进推力与掘进扭矩比总推力与总扭矩能更好反映盾构状态，依托掘进推力、掘进扭矩、抵抗推力和抵抗扭矩对盾构掘进状态进行评价也将具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是提供一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其能实现盾构精细化控制以及盾构掘进风险预测。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，包括如下步骤：
6.s1、收集盾构开始掘进推力增长段数据进行处理，获得掘进推力、掘进扭矩、抵抗推力和抵抗扭矩；
7.所述盾构开始掘进推力增长段数据为每环盾构开始掘进总推力增大时段内的掘进数据，所收集数据包括盾构总推力、总扭矩及时间；所述处理包括绘制盾构扭矩随总推力变化的曲线图(如图1)，所述抵抗推力为对盾构扭矩无贡献的部分推力，抵抗扭矩为不随盾构推力增大的部分扭矩，所述掘进推力为导致盾构扭矩增大的推力，所述掘进扭矩为因盾构推力增大而产生的扭矩。
8.s2、对比上一环抵抗推力或其建议值，评价地层稳定性并调控土仓压力；
9.s3、盾构正常掘进时，实时处理盾构掘进数据，获得盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的盾构掘进状态指标实时值，完善盾构掘进数据库；
10.所述盾构正常掘进为盾构开始掘进后推力不再增大并稳定在一定范围的掘进状态，所述盾构贯入指数为掘进推力与掘进速度的比值，所述刀盘扭矩系数为掘进扭矩与掘进推力的比值，所述螺机扭矩系数为螺机扭矩与转速的比值。
11.s4、实时分析盾构掘进状态，判断刀具磨损、结泥饼等施工风险；
12.根据盾构贯入指数的大小判断地层强度以及刀具对当前地层的切削能力，根据刀盘扭矩系数的大小判断当前掘进地层强度或黏附属性，根据螺机扭矩系数的大小及盾构出渣口渣土状态判断盾构渣土改良效果；将盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的实时值对比上一环或相应参数建议值，实时分析地层属性以及渣土改良状态的变化，以评价当前刀具磨损或结泥饼等风险。
13.s5、采用渣土改良实时调控盾构掘进状态。
14.根据风险合理调控渣土改良参数，以使盾构掘进处于合理的状态。
15.s6、重复s1-s5步骤，直至盾构掘进结束。
附图说明
16.图1为本发明所提供的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法的流程图；
17.图2为本发明的盾构开始掘进推力增长段的掘进参数处理图；
18.图3为单环盾构贯入指数变化示例图；
19.图4为单环盾构刀盘扭矩系数变化示例图；
20.图5为单环盾构螺机扭矩系数变化示例图。
具体实施方式
21.下面将通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，包括如下步骤：
23.s1、收集盾构开始掘进推力增长段数据进行处理，获得掘进推力、掘进扭矩、抵抗推力和抵抗扭矩；
24.所述盾构开始掘进推力增长段数据为盾构开始掘进总推力增大时段内的掘进数据，所收集数据包括盾构总推力、总扭矩及时间；所述处理包括绘制盾构扭矩随总推力变化的曲线图(如图1)，所述抵抗推力为对盾构扭矩无贡献的部分推力，抵抗扭矩为不随盾构推力增大的部分扭矩，所述掘进推力为导致盾构扭矩增大的推力，所述掘进扭矩为因盾构推力增大而产生的扭矩。
25.s2、对比上一环抵抗推力或其建议值，评价地层稳定性并调控土仓压力；
26.s3、盾构正常掘进时，实时处理盾构掘进数据，获得盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的盾构掘进状态指标实时值，完善盾构掘进数据库；
27.所述盾构正常掘进为盾构开始掘进后推力不再增大并稳定在一定范围的掘进状态，所述盾构贯入指数为掘进推力与掘进速度的比值，所述刀盘扭矩系数为掘进扭矩与掘进推力的比值，所述螺机扭矩系数为螺机扭矩与转速的比值。
28.s4、实时分析盾构掘进状态，判断刀具磨损、结泥饼等施工风险；
29.根据盾构贯入指数的大小判断地层强度以及刀具对当前地层的切削能力，根据刀盘扭矩系数的大小判断当前掘进地层强度或黏附属性，根据螺机扭矩系数的大小及盾构出渣口渣土状态判断盾构渣土改良效果；将盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的实时值对比上一环或相应参数建议值，实时分析地层属性以及渣土改良状态的变化，以评价当前刀具磨损或结泥饼等风险。
30.s5、采用渣土改良实时调控盾构掘进状态。
31.根据风险合理调控渣土改良参数，以使盾构掘进处于合理的状态。
32.s6、重复s1-s5步骤，直至盾构掘进结束。
33.表1不同环盾构掘进状态及地层情况
[0034][0035]
通过统计分析各盾构隧道工程在穿越相应地层时的掘进参数，获得各地层掘进状态参数的代表值如表1所示，当盾构开始掘进时，实时获取盾构掘进参数，通过计算机绘制盾构推力增长段的盾构扭矩随总推力的变化图，示例如图2所示，获得盾构抵抗推力和抵抗扭矩，由于单环掘进距离较短，单环抵抗推力和抵抗扭矩被认为在盾构掘进时保持不变，而掘进推力和掘进扭矩随着盾构的掘进不断变化。
[0036]
结合出渣及地勘资料确定地层类型为中风化含砾粗砂岩，则查询表1可知刀盘扭矩系数、地层贯入指数和螺机扭矩系数建议值分别为0.478、171.379、3.133。盾构正常掘进时，实时获取盾构总推力和总扭矩，结合抵抗推力和抵抗扭矩计算盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数，并与相应建议值进行对比，如某时刻盾构贯入指数大于建议值10％，则应注意盾构穿越地层强度增大，刀具贯入能力降低，此时应适当降低盾构掘进速度，增大渣土改良效果，以减小刀具磨损风险，否则相反；当盾构刀盘扭矩系数大于建议值10％时，则可以说明地层-刀盘间摩擦系数增大，此时应适当减小盾构掘进速度、增大渣土改良效果，减小刀盘刀具的磨损风险，否则相反；当螺机扭矩系数大于建议值10％时，则说明由于地层变化或则渣土含水率变化等原因，此时渣土改良效果较差，应检查出渣口渣土类型及状态，考虑是否需要更换渣土改良剂，同时应增大渣土改良剂用量，以增大渣土改良效果，否则相反。以上参数变化警告通过相应的软件及终端设备实现。如图3-5所示，盾构掘进中监测到刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数均在建议值附近波动，基本小于建议值10％，而盾构贯入指数开始掘进和结束掘进时较大，大于建议值10％，说明地层强度较大，此时增大了渣土改良效果和加强对刀盘的冲刷注水，以减小减小刀具磨损。
[0037]
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、收集盾构开始掘进推力增长段数据进行处理，获得掘进推力、掘进扭矩、抵抗推力和抵抗扭矩；所述盾构开始掘进推力增长段数据为盾构开始掘进总推力增大时段内的掘进数据，所收集数据包括盾构总推力、总扭矩及时间；所述处理包括绘制盾构扭矩随总推力变化的曲线图(如图1)，所述抵抗推力为对盾构扭矩无贡献的部分推力，抵抗扭矩为不随盾构推力增大的部分扭矩，所述掘进推力为导致盾构扭矩增大的推力，所述掘进扭矩为因盾构推力增大而产生的扭矩。s2、对比上一环抵抗推力或其建议值，评价地层稳定性并调控土仓压力；s3、盾构正常掘进时，实时处理盾构掘进数据，获得盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的盾构掘进状态指标实时值，完善盾构掘进数据库；所述盾构正常掘进为盾构开始掘进后推力不再增大并稳定在一定范围的掘进状态，所述盾构贯入指数为掘进推力与掘进速度的比值，所述刀盘扭矩系数为掘进扭矩与掘进推力的比值，所述螺机扭矩系数为螺机扭矩与转速的比值。s4、实时分析盾构掘进状态，判断刀具磨损、结泥饼等施工风险；根据盾构贯入指数的大小判断地层强度以及刀具对当前地层的切削能力，根据刀盘扭矩系数的大小判断当前掘进地层强度或黏附属性，根据螺机扭矩系数的大小及盾构出渣口渣土状态判断盾构渣土改良效果；将盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的实时值对比上一环或相应参数建议值，实时分析地层属性以及渣土改良状态的变化，以评价当前刀具磨损或结泥饼等风险。s5、采用渣土改良实时调控盾构掘进状态。根据风险合理调控渣土改良参数，以使盾构掘进处于合理的状态。s6、重复s1-s5步骤，直至盾构掘进结束。2.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s2所述盾构抵抗推力建议值，为盾构试验段掘进过程中获得的相应地层的具有代表性的建议值或根据工程经验、理论分析及其他途径获得的建议值。3.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s2所述评价地层稳定性为通过本环抵抗推力或抵抗推力与埋深的比值与相应建议值间的差异性评价，当本环抵抗推力或抵抗推力与地层埋深之比大于相应建议值时，说明地层稳定性较差，需要较大的支护力，否则相反。4.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s3所述实时处理盾构掘进数据，为盾构实时总推力减去抵抗推力以获得实时掘进推力，盾构实时总扭矩减去抵抗扭矩以获得实时掘进扭矩，并收集螺旋输送机扭矩和转速。5.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s3所述完善盾构掘进数据库，为综合各工程盾构掘进数据的数据库，数据库所记录数据包括：盾构参数、地层参数及盾构掘进状态；所述盾构机参数包括盾构机型号、结构、尺寸、重量、管片宽度等，所述地层参数包括地层类型及参数、富水情况，隧道埋深等，所述盾构掘进状态包括盾构贯入指数、刀盘扭矩系数、螺机扭矩系数、盾构掘进数据、渣土坍落度；所述数据库能统计出各盾构掘进状态的代表值，如剔除异常值后的均值，当盾构在相应地层中以相
同盾构参数掘进时，可通过数据库进行盾构掘进代表性状态查询，并可将各指标作为该盾构掘进状态的建议值。6.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s4所述实时分析盾构掘进状态，为通过对比盾构掘进状态指标与建议值的相对大小，以判断各风险的大小，如盾构贯入指数大于建议值的10％，则说明地层强度增大，刀盘扭矩系数增大，则说明地层可切削性下降，螺机扭矩系数增大，则说明盾构出渣困难。7.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s4所述判断刀具磨损、结泥饼等施工风险，当盾构贯入指数大于建议值的阈值时，则说明地层强度较大，刀具有较大磨损风险；当刀盘扭矩系数大于建议值的阈值且穿越地层为黏土地层时，则说明地层黏附性较大，盾构有较大结泥饼风险。8.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，步骤s5所述采用渣土改良实时调控盾构掘进状态，当刀盘扭矩系数大于建议值时，应加大渣土改良效果，使刀盘扭矩系数恢复建议值附近，当盾构贯入指数较大时，应检查刀盘磨损情况，若刀盘磨损较小，则可通过渣土改良如添加泡沫剂以润滑刀盘刀具，增大其切削和破碎效果，以减小盾构贯入指数，当螺机扭矩系数较大，说明螺机中渣土堆积较多或渣土改良效果不佳，当适度出渣后发现螺机扭矩系数依然很大时，应增大渣土改良效果，以使螺机扭矩系数降低到建议值范围内。9.按照权利要求1所述的一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，其特征在于，所述盾构的类型、模式以及尺寸等不受限制，所述方法适用于各种掘进机而不限于盾构。

技术总结
本发明公开了一种基于盾构数据的掘进状态调控方法，所述方法包括以下步骤：收集盾构开始掘进推力增长段数据进行处理，获得掘进推力、掘进扭矩、抵抗推力和抵抗扭矩；对比上一环或试验段盾构抵抗推力建议值，评价地层稳定性并调控土仓压力；盾构正常掘进时，实时处理盾构掘进数据，获得盾构贯入指数、刀盘扭矩系数和螺机扭矩系数的盾构掘进状态指标实时值，完善盾构掘进数据库，并实时分析盾构掘进状态，监测和判断刀具磨损、结泥饼等施工风险，同时采用渣土改良实时调控盾构掘进状态。采用渣土改良实时调控盾构掘进状态。采用渣土改良实时调控盾构掘进状态。


技术研发人员：朱汉标 辛志勇 郑响凑 阳林 王树英 逄明卿 王瑞 田海洋 李吉 孙强 黄喆 刘笑竹 黄金勇
受保护的技术使用者：中铁五局集团电务工程有限责任公司 中铁投资集团有限公司 长春市轨道交通集团有限公司
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/7