CN109356602B - 一种盾构机掘进状态的判断方法及系统 - Google Patents

一种盾构机掘进状态的判断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种盾构机掘进状态的判断方法及系统，涉及盾构施工领域。该方法通过对盾构推力和刀盘扭矩进行处理，消除掘进速率和刀盘转速的影响，同时提出标准推力和标准扭矩的概念，基于盾构机自身的掘进参数对掘进状态进行实时判别，通过分析数据快速方便的、准确的对盾构机掘进状态进行初步判断，可以及时调整盾构机掘进参数或采取相应施工措施，保证安全高效地进行隧道施工。

Description

一种盾构机掘进状态的判断方法及系统
技术领域
本发明涉及盾构施工领域，特别是涉及一种盾构机掘进状态的判断方法及系统。
背景技术
随着城市现代化的快速发展，交通拥堵问题日益显著，越来越多的城市通过修建地铁工程减少城市交通压力。由于盾构法隧道施工具有掘进效率高、施工安全和对周边环境影响小等优点，现已成为地铁隧道施工的主要施工方法。
盾构隧道掘进机，简称盾构机，在地下开挖会遇到各种各样的异常情况，例如土层性质的突变、盾构机刀盘结泥饼、出渣口堵塞等等。现有的盾构机掘进状态多依赖于盾构司机对原始掘进参数的经验判断，而经验判断法受司机主观意识的影响，难以定量判断。因此，不能及时准确的判断盾构机的掘进状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种对盾构机掘进状态的判断方法及系统，解决了无法及时准确的判断盾构机掘进状态的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种盾构机掘进状态的判断方法，包括：
获取盾构机自带的安全风险实时监控系统采集的所述盾构机的掘进参数；
通过引入每转切深对所述掘进参数进行转换和定义，得到盾构机掘进单位长度所需的盾构推力和盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力；所述掘进单位长度所需的盾构推力表示为标准推力
Figure BDA0001899962240000011
所述掘进单位切深所需的刀盘切向力表示为标准扭矩
Figure BDA0001899962240000012
通过所述标准推力
Figure BDA0001899962240000013
和所述标准扭矩
Figure BDA0001899962240000014
建立标准掘进参数特征空间，基于统计学原理得出所述标准推力和所述标准扭矩的函数关系；
通过所述标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对所述盾构机的掘进状态进行判断。
可选的，所述掘进参数包括：盾构推力和刀盘扭矩。
可选的，所述标准推力
Figure BDA0001899962240000025
具体为：
Figure BDA0001899962240000021
其中，F表示盾构推力，h表示每转切深。
可选的，所述标准扭矩
Figure BDA0001899962240000026
具体为：
Figure BDA0001899962240000022
其中，T表示刀盘扭矩，h表示每转切深，
Figure BDA0001899962240000027
表示刀盘扭矩的平均旋转力臂。
可选的，所述建立标准掘进参数特征空间包括：
以标准推力为横轴，以标准扭矩为纵轴，绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图，所述掘进参数表示为(xi，yi)，i表示任一所述掘进参数；
通过分析所述掘进参数，确定正常掘进状态曲线y(x)；
所述正常掘进状态曲线y(x)：y(x)＝a ln(x+b)+c；
其中，a、b、c为常数，根据所述盾构机掘进试验段的掘进参数数据回归分析得出。
可选的，所述确定正常掘进状态曲线y(x)之后还包括：根据区间估计理论，确定所述掘进参数的置信区间，置信水平为1-α，α＝0.01，得到所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)，所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)分别为：
Figure BDA0001899962240000023
Figure BDA0001899962240000024
其中，
Figure BDA0001899962240000028
为回归分析的残差算术平方根；u1-α/2为标准正态分布的1-α的上分位点；α为显著性水平，表示区间估计的不可靠率。
可选的，所述得到所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)之后还包括：根据所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)，确定盾构机掘进状态的正常掘进区、扭矩偏大区和推力偏大区。
可选的，所述通过所述标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对所述盾构机的掘进状态进行判断，具体包括：
当yi>y1(x)时，所述盾构机掘进状态属于扭矩偏大区，表示所述标准扭矩异常偏高；
当y2(x)≤yi≤y1(x)时，所述盾构机掘进状态属于正常掘进区，表示所述盾构机处于正常掘进状态；
当yi<y1(x)时，所述盾构机掘进状态属于推力偏大区，表示所述标准推力异常偏高；
其中，yi表示任一掘进参数点的标准扭矩。
一种盾构机掘进状态的判断系统，包括：
掘进参数获取模块，用于获取盾构机自带的安全风险实时监控系统采集的所述盾构机的掘进参数；
掘进参数转换模块，用于通过引入每转切深对所述掘进参数进行转换和定义，得到所述盾构机掘进单位长度所需的盾构推力和所述盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力；所述掘进单位长度所需的盾构推力表示为标准推力
Figure BDA0001899962240000031
所述掘进单位切深所需的刀盘切向力表示为标准扭矩
Figure BDA0001899962240000032
标准掘进参数特征空间建立模块，用于用于通过所述标准推力
Figure BDA0001899962240000034
和所述标准扭矩
Figure BDA0001899962240000033
建立标准掘进参数特征空间，基于统计学原理得出所述标准推力
Figure BDA0001899962240000035
和所述标准扭矩
Figure BDA0001899962240000036
的函数关系；
掘进状态判断模块，用于通过所述标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对所述盾构机的掘进状态进行判断。
可选的，所述标准掘进参数特征空间建立模块包括：
标准推力-标准扭矩坐标关系图绘制单元，用于绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图；
正常掘进状态曲线确定单元，用于通过分析所述掘进参数，确定正常掘进状态曲线；
正常掘进状态区域上下限确定单元，用于根据区间估计理论，确定所述掘进参数的置信区间，进而确定所述正常掘进状态区域的上限和所述正常掘进状态区域的下限；
掘进状态区域确定单元，用于通过所述正常掘进状态区域的上限和所述正常掘进状态区域的下限确定盾构机掘进状态的正常掘进区、扭矩偏大区和推力偏大区。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种盾构机掘进状态的判断方法及系统。该方法通过对盾构推力和刀盘扭矩进行二次处理，消除掘进速率和刀盘转速的影响，提出标准推力和标准扭矩的概念；基于盾构机自身的掘进参数对掘进状态进行实时判别，通过分析异常数据快速方便的、准确的对盾构机异常状态进行初步判断，可以及时调整盾构机掘进参数或采取相应施工措施，保证安全高效地进行隧道施工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1盾构机掘进状态的判断方法流程图；
图2为本发明实施例1标准推力-标准扭矩的坐标关系图；
图3为本发明实施例2盾构机掘进状态的判断系统图；
图4为本发明实施例3基于掘进参数的土层识别流程图；
图5为本发明实施例4的标准推力-标准扭矩坐标关系图。
其中，A为扭矩偏大点，B为推矩偏大点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例1盾构机掘进状态的判断方法流程图。参见图1，一种盾构机掘进状态的判断方法，包括：
步骤101，获取盾构机自带的安全风险实时监控系统采集的盾构机的掘进参数。
掘进参数包括：盾构推力和刀盘扭矩。
步骤102，通过引入每转切深对掘进参数进行转换和定义，得到盾构机掘进单位长度所需的盾构推力和盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力。盾构机掘进单位长度所需的盾构推力表示为标准推力
Figure BDA0001899962240000051
标准推力
Figure BDA0001899962240000056
为：
Figure BDA0001899962240000052
其中，F表示盾构推力，h表示每转切深。
盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力表示为标准扭矩
Figure BDA0001899962240000053
标准扭矩
Figure BDA0001899962240000057
为：
Figure BDA0001899962240000054
其中，T表示刀盘扭矩，h表示每转切深，
Figure BDA0001899962240000058
表示刀盘扭矩的平均旋转力臂。
步骤103，通过标准推力
Figure BDA0001899962240000059
和标准扭矩
Figure BDA0001899962240000055
建立标准掘进参数特征空间，基于统计学原理得出标准推力
Figure BDA00018999622400000510
和标准扭矩
Figure BDA00018999622400000511
的函数关系。
图2为本发明实施例1标准推力-标准扭矩的坐标关系图，参见图2，建立标准掘进参数特征空间包括：
以标准推力为横轴，以标准扭矩为纵轴，绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图，掘进参数表示为(xi，yi)，i表示任一掘进参数。
通过分析掘进参数，确定正常掘进状态曲线y(x)。
正常掘进状态曲线y(x)：y(x)＝a ln(x+b)+c。
其中，a、b、c为常数，根据盾构机掘进试验段的掘进参数数据回归分析得出。
确定正常掘进状态曲线y(x)之后还包括：根据区间估计理论，确定掘进参数的置信区间，置信水平为1-α，α＝0.01，得到正常掘进状态区域的上限y1(x)和正常掘进状态区域的下限y2(x)，正常掘进状态区域的上限y1(x)为：
Figure BDA0001899962240000061
正常掘进状态区域的下限y2(x)为：
Figure BDA0001899962240000062
其中，
Figure BDA0001899962240000063
为回归分析的残差算术平方根；u1-α/2为标准正态分布的1-α的上分位点；α为显著性水平，表示区间估计的不可靠率。
得到正常掘进状态区域的上限y1(x)和正常掘进状态区域的下限y2(x)之后还包括：根据正常掘进状态区域的上限y1(x)和正常掘进状态区域的下限y2(x)，确定盾构机掘进状态的正常掘进区、扭矩偏大区和推力偏大区。
步骤104，通过标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对盾构机的掘进状态进行判断。具体包括：
当yi>y1(x)时，盾构机掘进状态属于扭矩偏大区，表示标准扭矩异常偏高；
当y2(x)≤yi≤y1(x)时，盾构机掘进状态属于正常掘进区，表示盾构机处于正常掘进状态；
当yi<y1(x)时，盾构机掘进状态属于推力偏大区，表示标准推力异常偏高。
其中，yi表示任一掘进参数点的标准扭矩。
实施例2
图3为本发明实施例2盾构机掘进状态的判断系统图。参见图3，一种盾构机掘进状态的判断系统，包括：
掘进参数获取模块201，用于获取盾构机自带的安全风险实时监控系统采集的盾构机的掘进参数。
掘进参数转换模块202，用于通过引入每转切深对掘进参数进行转换和定义，得到盾构机掘进单位长度所需的盾构推力和盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力。所述掘进单位长度所需的盾构推力表示为标准推力
Figure BDA0001899962240000071
所述掘进单位切深所需的刀盘切向力表示为标准扭矩
Figure BDA0001899962240000072
标准掘进参数特征空间建立模块203，用于通过所述标准推力
Figure BDA0001899962240000074
和所述标准扭矩
Figure BDA0001899962240000073
建立标准掘进参数特征空间，基于统计学原理得出所述标准推力
Figure BDA0001899962240000075
和所述标准扭矩
Figure BDA0001899962240000076
的函数关系。
标准掘进参数特征空间建立模块203包括：
标准推力-标准扭矩坐标关系图绘制单元，用于绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图。
正常掘进状态曲线确定单元，用于通过分析掘进参数，确定正常掘进状态曲线。
正常掘进状态区域上下限确定单元，用于根据区间估计理论，确定掘进参数的置信区间，进而确定正常掘进状态区域的上限和正常掘进状态区域的下限。
掘进状态区域确定单元，用于通过正常掘进状态区域的上限和正常掘进状态区域的下限确定盾构机掘进状态的正常掘进区、扭矩偏大区和推力偏大区。
掘进状态判断模块204，用于通过标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对盾构机的掘进状态进行判断。
实施例3
图4为本发明实施例3基于掘进参数的土层识别流程图。参见图4，本实施例提供了一种用于在复合地层中根据盾构机实时掘进参数对盾构机掘进状态的判断方法。具体按照如下步骤进行：
步骤一：通过盾构机自带的安全风险实时监控系统获取盾构机实时掘进参数，主要收集的掘进参数为盾构推力、刀盘扭矩和每转切深。
步骤二：在盾构机众多的掘进参数中，诸多研究表明盾构推力F、刀盘扭矩T均对盾构穿越土层变化、盾构机异常情况最为敏感。由于盾构推力和刀盘扭矩的变化均受到刀盘转速和掘进速率的影响，导致盾构推力和刀盘扭矩数值变化波动性大。因此，盾构推力和刀盘扭矩无法直接反映穿越的土层变化和盾构机掘进状态的异常。其中，掘进参数包括：盾构推力、刀盘扭矩、土舱压力、掘进速率和刀盘转速等。
为了消除掘进速率和刀盘转速的影响，引入每转切深，对盾构推力F和刀盘扭矩T进行转换和定义。每转切深为推进速率与刀盘转速的比值，即刀盘旋转一圈所前进的距离。
首先将标准推力(Standard Thrust Force)，用
Figure BDA0001899962240000084
表示。标准推力
Figure BDA0001899962240000085
定义为：
Figure BDA0001899962240000081
其中，F表示盾构推力，h表示每转切深。标准推力
Figure BDA0001899962240000086
表示土压盾构机掘进单位长度所需的盾构推力(kN/mm)，反映了土层抵抗刀具切入的能力。
标准扭矩(Standard Torque)，用
Figure BDA0001899962240000087
表示。标准扭矩
Figure BDA0001899962240000088
定义为：
Figure BDA0001899962240000082
其中，T表示刀盘扭矩，h表示每转切深，
Figure BDA0001899962240000089
表示刀盘扭矩的平均旋转力臂。标准扭矩
Figure BDA00018999622400000810
表示掘进单位切深所需的刀盘切向力，单位为kN/mm，反映了土层对刀盘旋转前进的抵抗能力。
刀盘扭矩主要由切削土阻力扭矩、刀盘旋转阻力矩以及其他附加扭矩组成。其中切削土阻力扭矩T1占刀盘扭矩的25～31％，刀盘旋转阻力矩T2占刀盘扭矩的47～73％。已有研究对刀盘扭矩进行转换时，仅考虑了刀具的切削土扭矩，显然是不太合理的。所以刀盘扭矩力臂的计算应主要考虑T1和T2，T1的平均旋转力臂为0.5R，T2的平均旋转力臂为R，通常T1：T2＝1:2，因此刀盘扭矩的平均力臂：
Figure BDA0001899962240000083
刀盘平均切向力为T/(0.83R)。其中，R为刀盘半径。
标准推力
Figure BDA0001899962240000098
和标准扭矩
Figure BDA0001899962240000099
可以消除盾构机掘进效能的影响，可反映出地层性质的变化和盾构机的异常。其中，盾构掘进效能包括：掘进速率和转速。
步骤三：以标准推力为横轴，即
Figure BDA0001899962240000091
以标准扭矩为纵轴，即
Figure BDA0001899962240000092
绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图，即
Figure BDA0001899962240000093
平面图，将特征参数点即掘进参数(xi，yi)绘制在
Figure BDA0001899962240000094
平面图上。i代表任一特征参数点。通过分析大量盾构机穿越砂粘复合地层的掘进参数数据，发现标准推力、标准扭矩与复合地层的地层组成及特性有显著的相关性。排除个别特殊情况，正常掘进状态下，掘进参数点即特征参数点应分布在沿曲线y(x)上下一定距离的正常掘进状态区域内。y(x)表达式如下：
y(x)＝a ln(x+b)+c (3)；
式中：a、b、c三个系数代表常数，与复合地层的地层性质相关，通常根据盾构掘进试验段的掘进参数数据回归分析而得出。
通过进一步对掘进参数进行控制回归分析的预测与原理，标准扭矩y的置信水平为1-α的预测区间近似为：
Figure BDA0001899962240000095
上式中：u1-α/2为标准正态分布的1-α的上分位点；
Figure BDA00018999622400000910
为回归分析的残差标准差，e指该区间估算的残差。置信度1-α表达了区间估计的可靠性，它是区间估计的可考概率，而显著性水平α表达了区间估计的不可靠率，α越小区间可靠度越高。
Figure BDA0001899962240000096
上式中：
Figure BDA00018999622400000911
为回归分析的残差方差；n为回归分析的自由度；Qe为回归分析残差平方和。
Figure BDA0001899962240000097
其中，n为回归分析的自由度；yi表示任一掘进参数点的标准扭矩，即任一掘进参数点标准扭矩的真实值；
Figure BDA00018999622400000912
表示任一掘进参数点标准扭矩的估算值。
因此，根据区间估计理论，确定参数的置信区间，置信水平为1-α，α通常取0.01，即参数在这一区间内的可信度为99％，则认为该区间内数值是安全的正常的。则
Figure BDA0001899962240000104
平面图的正常掘进状态区域分布的上限方程y1(x)和下限方程y2(x)为：
Figure BDA0001899962240000101
Figure BDA0001899962240000102
步骤四：通过上限y1(x)和下限y2(x)将
Figure BDA0001899962240000103
平面图分成三个区域：Ⅰ区：正常掘进区、Ⅱ区：扭矩偏大区和Ⅲ区：推力偏大区。盾构掘进参数点的分布与穿越土层情况、掘进状态存在对应关系，具体关系如下：
当y2(x)≤yi≤y1(x)时，即掘进参数点(xi，yi)隶属于Ⅰ区，说明盾构机处于正常掘进状态。随着复合地层中硬土比例提高，掘进参数点在F-T平面图的正常掘进状态区域自下而上分布。
当yi>y1(x)时，即掘进参数点(xi，yi)隶属于Ⅱ区，表明盾构机标准扭矩异常偏高。可能是由于刀盘前结泥饼、土舱内存土较多亦或是刀盘出渣口卡住，从而导致扭矩异常升高。
当yi<y2(x)时，即掘进参数点(xi，yi)隶属于Ⅲ区，表明盾构机标准推力异常偏高。可能是土舱压力过大或者盾构刀盘被挤压性地层所握裹或被卡住而不能正常调整其位移，或遇到强有力的障碍物，例如孤石等。
其中，yi表示任一掘进参数点的标准扭矩。
根据盾构机实时掘进参数及时判断盾构机的掘进状态，对异常情况及时发现、及时治理，可以有效控制掘进参数和保证施工安全。
实施例4
图5为本发明实施例4标准推力-标准扭矩坐标关系图。依托石家庄地铁1号线某区间，该区间采用土压平衡式盾构机，盾构区间全长1965.8米。盾构隧道覆土厚度约15.21米～19.64米，盾构隧道区间866米～1210米的穿越土层主要为砂黏复合地层。对盾构机的掘进状态进行判断。
步骤一：通过盾构机自带的安全风险实时监控系统获取盾构实时掘进参数，建立掘进参数数据库，掘进参数数据库包括：刀盘扭矩、盾构推力、每转切深、刀盘转速和掘进速率。
步骤二：将掘进参数数据库根据标准推力和标准扭矩的定义，对原始数据进行转换，建立标准推力和标准扭矩的数据库。标准推力
Figure BDA0001899962240000117
表示掘进单位长度所需的盾构推力；标准扭矩
Figure BDA0001899962240000118
表示掘进单位切深所需的刀盘切向力。
步骤三：令
Figure BDA0001899962240000111
将特征参数点(xi，yi)绘制在
Figure BDA0001899962240000112
平面图，i表示任一特征参数点。通过分析大量的盾构工程掘进参数数据，发现标准推力和标准扭矩与复合地层的地层组成及特性的相关性显著。排除个别特殊情况，正常掘进状态下，掘进参数点即特征参数点应分布在沿曲线y(x)上下一定距离的正常掘进状态区域内。y(x)表达式如下：
y(x)＝a ln(x+b)+c；
式中：a、b、c三个系数代表常数，根据盾构掘进试验段的掘进参数数据回归分析而得出。针对石家庄地铁1号线盾构隧道区间的砂黏复合地层：a＝8.267，b＝-91.926，c＝-30.932。即石家庄地铁1号线盾构隧道区间的砂黏复合地层下标准推力和标准扭矩的标准函数关系为：
y(x)＝8.267ln(x-91.926)-30.932
通过进一步控制回归分析的预测与原理，标准扭矩y的置信水平为1-α的预测区间近似为：
Figure BDA0001899962240000113
上式中：u1-α/2为标准正态分布的1-α的上分位点；
Figure BDA0001899962240000119
为回归分析的残差标准差，e指该区间估算的残差。置信度1-α表达了区间估计的可靠性，它是区间估计的可考概率，而显著性水平α表达了区间估计的不可靠率，α越小区间可靠度越高。
针对石家庄地铁1号线盾构隧道区间的砂黏复合地层：
Figure BDA0001899962240000114
即标准扭矩y的置信水平为1-α的预测区间近似为：[y-4.952，y+4.952]。
因此，根据区间估计理论，确定参数的置信区间，置信水平为1-α，α通常取0.01，即参数在这一区间内的可信度为99％，则认为该区间内数值是安全的正常的。
Figure BDA0001899962240000115
平面图的正常掘进状态区域分布的上限方程y1(x)和下限方程y2(x)为：
Figure BDA0001899962240000116
Figure BDA0001899962240000121
针对石家庄地铁1号线盾构隧道区间的砂黏复合地层的
Figure BDA0001899962240000122
平面图的正常掘进状态区域分布的上限方程y1(x)和下限方程y2(x)为：
y1(x)＝8.267ln(x-91.926)-25.98；
y2(x)＝8.267ln(x-91.926)-35.88；
步骤三：通过上限y1(x)和下限y2(x)将
Figure BDA0001899962240000123
平面图分成三个区域：Ⅰ区：正常掘进区、Ⅱ区：扭矩偏大区和Ⅲ区：推力偏大区。盾构掘进参数点的分布与穿越土层情况和掘进状态存在对应关系。具体关系如下：
1)当y2(x)≤yi≤y1(x)时，即掘进参数点(xi，yi)隶属于Ⅰ区，说明盾构机处于正常掘进状态。随着开挖土层硬土占开挖面比例的提高，掘进参数点越靠近正常掘进状态区域的上部。
2)当yi>y1(x)时，即掘进参数点(xi，yi)隶属于Ⅱ区，表明盾构机标准扭矩异常偏高。可能是由于刀盘前结泥饼、土舱内存土较多亦或是刀盘出渣口卡住，从而导致扭矩异常升高。参见图5中的A点，盾构机掘进至A点，即1110米时，扭矩异常升高，经检查发现刀盘出渣口卡住。
3)当yi<y2(x)时，即掘进参数点(xi，yi)隶属于Ⅲ区，表明盾构机标准推力异常偏高，可能是土舱压力过大或者盾构刀盘被挤压性地层所握裹或被卡住而不能正常调整其位移，或遇到强有力的障碍物，例如孤石等。参见图5中的B点，盾构机掘进至B点，即1280米时，标准推力异常偏大，最后经检查发现是刀盘前方出现孤石导致标准推力异常升高。
其中，yi表示任一掘进参数点的标准扭矩。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，包括：
获取盾构机自带的安全风险实时监控系统采集的所述盾构机的掘进参数；
通过引入每转切深对所述掘进参数进行转换和定义，得到盾构机掘进单位长度所需的盾构推力和盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力；所述掘进单位长度所需的盾构推力表示为标准推力
Figure FDA0002263700960000011
所述掘进单位切深所需的刀盘切向力表示为标准扭矩
Figure FDA0002263700960000012
通过所述标准推力
Figure FDA0002263700960000013
和所述标准扭矩
Figure FDA0002263700960000014
建立标准掘进参数特征空间，基于统计学原理得出所述标准推力
Figure FDA0002263700960000015
和所述标准扭矩
Figure FDA0002263700960000016
的函数关系；
通过所述标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对所述盾构机的掘进状态进行判断；
所述建立标准掘进参数特征空间包括：
以标准推力为横轴，以标准扭矩为纵轴，绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图，所述掘进参数表示为(xi，yi)，i表示任一所述掘进参数；
通过分析所述掘进参数，确定正常掘进状态曲线y(x)；
所述正常掘进状态曲线y(x)：y(x)＝a ln(x+b)+c；
其中，a、b、c为常数，根据所述盾构机掘进试验段的掘进参数数据回归分析得出。
2.根据权利要求1所述的盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，所述掘进参数包括：盾构推力和刀盘扭矩。
3.根据权利要求1所述的盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，所述标准推力
Figure FDA0002263700960000021
具体为：
Figure FDA0002263700960000022
其中，F表示盾构推力，h表示每转切深。
4.根据权利要求1所述的盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，所述标准扭矩
Figure FDA0002263700960000023
具体为：
Figure FDA0002263700960000024
其中，T表示刀盘扭矩，h表示每转切深，
Figure FDA0002263700960000025
表示刀盘扭矩的平均旋转力臂。
5.根据权利要求1所述的盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，所述确定正常掘进状态曲线y(x)之后还包括：根据区间估计理论，确定所述掘进参数的置信区间，置信水平为1-α，α＝0.01，得到所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)，所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)分别为：
Figure FDA0002263700960000026
Figure FDA0002263700960000027
其中，
Figure FDA0002263700960000028
为回归分析的残差算术平方根；u1-α/2为标准正态分布的1-α的上分位点；α为显著性水平，表示区间估计的不可靠率。
6.根据权利要求5所述的盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，所述得到所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)之后还包括：根据所述正常掘进状态区域的上限y1(x)和所述正常掘进状态区域的下限y2(x)，确定盾构机掘进状态的正常掘进区、扭矩偏大区和推力偏大区。
7.根据权利要求6所述的盾构机掘进状态的判断方法，其特征在于，所述通过所述标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对所述盾构机的掘进状态进行判断，具体包括：
当yi>y1(x)时，所述盾构机掘进状态属于扭矩偏大区，表示所述标准扭矩异常偏高；
当y2(x)≤yi≤y1(x)时，所述盾构机掘进状态属于正常掘进区，表示所述盾构机处于正常掘进状态；
当yi<y1(x)时，所述盾构机掘进状态属于推力偏大区，表示所述标准推力异常偏高；
其中，yi表示任一掘进参数点的标准扭矩。
8.一种盾构机掘进状态的判断系统，其特征在于，包括：
掘进参数获取模块，用于获取盾构机自带的安全风险实时监控系统采集的所述盾构机的掘进参数；
掘进参数转换模块，用于通过引入每转切深对所述掘进参数进行转换和定义，得到所述盾构机掘进单位长度所需的盾构推力和所述盾构机掘进单位切深所需的刀盘切向力；所述掘进单位长度所需的盾构推力表示为标准推力
Figure FDA0002263700960000031
所述掘进单位切深所需的刀盘切向力表示为标准扭矩
Figure FDA0002263700960000032
标准掘进参数特征空间建立模块，用于通过所述标准推力
Figure FDA0002263700960000033
和所述标准扭矩
Figure FDA0002263700960000034
建立标准掘进参数特征空间，基于统计学原理得出所述标准推力
Figure FDA0002263700960000041
和所述标准扭矩
Figure FDA0002263700960000042
的函数关系；
掘进状态判断模块，用于通过所述标准掘进参数特征空间中掘进参数点的分布对所述盾构机的掘进状态进行判断；
所述标准掘进参数特征空间建立模块包括：
标准推力-标准扭矩坐标关系图绘制单元，用于绘制标准推力-标准扭矩坐标关系图；
正常掘进状态曲线确定单元，用于通过分析所述掘进参数，确定正常掘进状态曲线。
9.根据权利要求8所述的盾构机掘进状态的判断系统，其特征在于，所述标准掘进参数特征空间建立模块包括：
正常掘进状态区域上下限确定单元，用于根据区间估计理论，确定所述掘进参数的置信区间，进而确定所述正常掘进状态区域的上限和所述正常掘进状态区域的下限；
掘进状态区域确定单元，用于通过所述正常掘进状态区域的上限和所述正常掘进状态区域的下限确定盾构机掘进状态的正常掘进区、扭矩偏大区和推力偏大区。
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