CN109387385B - 一种三维tbm护盾外表面围岩荷载识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法，涉及深埋隧道护盾式TBM高效掘进和安全控制的技术领域。本方法是：①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器；②获得测点应变实测数据εm；③建立TBM护盾有限元计算模型；④通过护盾外表面分区得到荷载识别参数；⑤通过牛顿迭代和Moore‑Penrose广义逆求解得到护盾外表面围岩荷载；⑥对荷载积分得到护盾外表面摩阻力。本发明的计算精度高，可视化效果好，适合于现场TBM护盾外表面荷载的识别，能够为开挖隧道安全施工、卡机预警和事故处理提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及深埋隧道护盾式TBM高效掘进和安全控制的技术领域，尤其涉及一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法。
背景技术
TBM(Tunnel boring machine)工法相对传统钻爆法具有优质、高效、经济、安全和环保等优势，在深埋长大隧道建设过程中成为优先的考虑对象。但是，TBM在穿越深埋高应力软弱破碎地层时，在开挖扰动作用下围岩容易发生挤压大变形。一旦围岩变形量超过TBM护盾与围岩之间的预留间隙，围岩便对护盾造成挤压，当机器推挤系统的额定推力不足以克服护盾表面的摩阻力，即发生卡机事故。由于护盾的存在限制了对围岩状态的观察，一般只有当机器完全被卡住才能察觉卡机事故的发生。卡机事故的处理不仅延误工期，而且还会造成严重的经济损失。围岩的变形通常具有显著的时效性，护盾表面围岩荷载大小的演变也是一个逐渐发展的过程。因此，如果在掘进过程中能够有效地识别护盾表面的围岩荷载，便能够在围岩荷载发展前期及时地采取措施避免卡机，这对隧道施工安全管理、进度控制和成本控制等都有着重大意义。但是，围岩与护盾之间的间隙狭小，且存在强烈的相互作用，在护盾外表面安装传感器直接监测围岩荷载目前还存在困难。考虑到获取护盾内表面应变相对简单，可以通过数值反演来确定护盾外表面的荷载分布，进而确定护盾表面摩阻力的大小。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维TBM护盾表面围岩荷载识别方法，为护盾式TBM开挖隧道安全施工、卡机预警和事故处理提供指导。该方法识别精度高，实现简单，适合于三维TBM护盾外表面围岩荷载识别问题，同时也能够扩展到其它结构的荷载识别问题。
本发明采用下述技术方案：
具体地说，本方法包括以下步骤：
①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器
所述的预设测点数目应尽量多且均匀分布，避开护盾内部移动机械构件作用区域；
所述的应变监测传感器采用表面应变计或者光纤应变传感器，传感器在每个测点分别沿护盾内表面轴向和环向布置，也可以沿单个方向布置，同时需要对传感器施加保护措施；
②获得测点应变实测数据εm
所述的实测应变数据利用现有的应变数据采集仪获取，以便实现长期工作，现场需将采集仪进行防水密封处理，并配备UPS不间断电源；
③建立TBM护盾有限元计算模型
所述的有限元计算模型通过有限元建模程序或者软件生成，应考虑护盾实际结构及其内部与盾体相连的主要部件，如焊接在护盾上的圈梁、支撑等，模型采用实体单元网格划分，模型尺寸和材料属性与实际一致。
④通过护盾外表面分区得到荷载识别参数
所述的护盾外表面分区采用多边形进行分区，各多边形区域的节点值作为荷载识别参数PI，记录荷载识别参数个数d，任意区域内部的荷载通过该区域节点值线性插值或者非线性插值得到，具体插值形式视分区方式而定；
⑤通过牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解得到护盾外表面围岩荷载
所述的牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解流程如下：
A、给定荷载识别参数PI初始值PI 0，收敛精度δ。采用有限元计算软件进行正分析，得到测点应变的计算值εc；
B、得到系统目标方程：
r(PI)＝εm-εc (1)
C、根据牛顿迭代公式，对于第k次迭代：
式中，J为雅可比矩阵，即系统目标方程的一阶偏导数矩阵，具有如下形式：
式中，w为测点的个数，ej(j＝1，2…d)表示第j个元素为1的单位向量， 为摄动量；
D、引入Moore-Penrose广义逆对方程(2)进行求解，采用下式求解：
当w<d时：
当w≥d时：
E、检查测点应变计算值是否满足收敛要求||rk||/||εm||＜δ。如果满足则停止计算，以作为反演结果，通过插值得到护盾外表面围岩荷载，否则进入下一轮迭代。
⑥对荷载积分得到护盾外表面摩阻力
所述的摩阻力Ff的计算方法如下：
本发明具有下列优点和积极效果：
①能够有效获取TBM掘进过程中护盾外表面围岩荷载的三维分布及摩阻力的大小，并可以嵌入到现场操控平台实现可视化，为隧道安全施工提供保障；
②通过进一步设定一个卡机预警值Fw：Fw＝S*Ft，其中，S为TBM掘进安全系数，Ft为TBM推进系统的额定推力，当计算得到的摩阻力Ff大于Fw时，便进行卡机预警，及时提醒技术人员采取措施避免发生卡机，这对于深埋隧道护盾式TBM高效掘进和安全控制具有重要意义。
总之本发明的计算精度高，可视化效果好，适合于现场TBM护盾外表面荷载的识别，能够为开挖隧道安全施工、卡机预警和事故处理提供指导。
附图说明
图1为本方法的工作流程图；
图2-1为本发明实施例中TBM护盾外表面实际荷载分布云图；
图2-2为本发明实施例中TBM护盾外表面荷载识别结果云图。
英译汉
1、TBM：Tunnel Boring Machine，隧道掘进机。是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械；相对于常用的方法，TBM集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。在国际上，已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程中。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明。
如图1，本方法具体实施步骤如下：
①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器-101
所述的预设测点数目应尽量多且均匀分布，避开护盾内部移动机械构件作用区域；
所述的应变监测传感器采用表面应变计或者光纤应变传感器，传感器在每个测点分别沿护盾内表面轴向和环向布置，也可以沿单个方向布置，同时需要对传感器施加保护措施；
本实施例采用表面应变计，在护盾内表面均匀布置36个测点，每个测点应变计沿护盾内表面环向布置。
②获得测点应变实测数据εm-102
所述的实测应变数据利用现有的应变数据采集仪获取，以便实现长期工作，现场需将采集仪进行防水密封处理，并配备UPS不间断电源。
③建立TBM护盾有限元计算模型-103
所述的有限元计算模型通过有限元建模程序或者软件生成(本实施例中采用Abaqus)，应考虑护盾实际结构及其内部与盾体相连的主要部件，如焊接在护盾上的圈梁、支撑等；模型采用实体单元网格划分，模型尺寸和材料属性与实际一致；本实施例中护盾长12m，护盾外径2.9m，护盾厚度0.05m，护盾弹性模量200GPa，密度7500kg/m3，泊松比0.2。护盾的厚度方向划分3层实体单元，同时也需要对模型施加合适的边界条件。
④通过护盾外表面分区得到荷载识别参数-104
所述的护盾外表面分区采用多边形进行分区，各多边形区域的节点值作为荷载识别参数PI，记录荷载识别参数个数d，任意区域内部的荷载通过该区域节点值线性插值或者非线性插值得到。
本实施例中采用矩形对护盾外表面进行分区，沿护盾轴向和环向分别划分m和n个区域(本实施例中m＝n＝9)，那么荷载识别参数的个数d＝90，任意区域Si,j(i＝1，2…9，j＝1，2…9)内部荷载通过节点值Pi,j，Pi,j+1，Pi+1,j+1和Pi+1,j线性插值的计算方法为：
其中，P(z,θ)为区域Si,j内部任意一点的荷载值，(z,θ)为该点在柱坐标系下的轴向和环向坐标。
⑤通过牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解得到护盾外表面围岩荷载；
所述的牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解具体计算流程如下：
A、给定荷载识别参数PI初始值PI 0，收敛精度δ。本实施例中PI 0＝0，δ＝0.01。由式(1)可得到物护盾外表面所有区域的分布荷载，采用有限元计算软件(本实施例中采用Abaqus有限元软件)进行求解，得到36测点环向应变的计算值εc；
B、得到系统目标方程：
r(PI)＝εm-εc (1)
C、根据牛顿迭代公式，对于第k次迭代：
式中，J为雅可比矩阵，即系统目标方程的一阶偏导数矩阵，具有如下形式：
式中，w＝36，ej(j＝1，2…90)表示第j个元素为1的单位向量， 为摄动量；
D、引入Moore-Penrose广义逆对方程(2)进行求解，由于w<d，采用下式求解：
当时：
E、检查测点应变计算值是否满足收敛要求||rk||/||εm||＜δ。如果满足则停止计算，以作为反演结果，代入式(1)得到护盾外表面围岩荷载，否则进入下一轮迭代。
护盾外表面荷载识别结果如图2-2，与实际荷载云图(图2-1)对比可以看出，一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法在该具体实施例中能够准确地识别护盾表面的荷载。
⑥对荷载积分得到护盾外表面摩阻力。
摩阻力Ff的计算方法如下：
本实施例中护盾外表面摩擦系数μ＝0.3，通过上式计算得到该实施例中护盾表面的摩阻力大小为188MPa。该实施例中TBM推进系统的额定推力为Fw＝150MPa,那么可以判断机器处于卡机状态，从识别的荷载分布云图可以判断围岩与护盾的挤压部位位于护盾后方顶部，对现场事故处理具有很好的指导作用。同时也表明，在识别荷载分布和摩阻力大小的基础上，该护盾荷载识别方法可以为现场隧道安全掘进和卡机预警提供指导。
Claims (1)
1.一种三维TBM护盾表面围岩荷载识别方法，其特征在于包括以下步骤：
①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器(101)
所述的预设测点数目应尽量多且均匀分布，避开护盾内部移动机械构件作用区域；
所述的应变监测传感器采用表面应变计或者光纤应变传感器，传感器在每个测点分别沿护盾内表面轴向和环向布置，也可以沿单个方向布置，同时需要对传感器施加保护措施；
②获得测点应变实测数据εm(102)
所述的实测应变数据利用现有的应变数据采集仪获取，以便实现长期工作，现场需将采集仪进行防水密封处理，并配备UPS不间断电源；
③建立TBM护盾有限元计算模型(103)
所述的有限元计算模型通过有限元建模程序或者软件生成，应考虑护盾实际结构及其内部与盾体相连的部件，包括焊接在护盾上的圈梁和支撑，模型采用实体单元网格划分，模型尺寸和材料属性与实际一致；
④通过护盾外表面分区得到荷载识别参数(104)
所述的护盾外表面分区采用多边形进行分区，各多边形区域的节点值作为荷载识别参数PI，记录荷载识别参数个数d，任意区域内部的荷载通过该区域节点值线性插值或者非线性插值得到，具体插值形式视分区方式而定；
⑤通过牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解得到护盾外表面围岩荷载(105)
所述的牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解流程如下：
A、给定荷载识别参数PI初始值PI 0，收敛精度δ，采用有限元计算软件进行正分析，得到测点应变的计算值εc；
B、得到系统目标方程：
r(PI)＝εm-εc (1)；
C、根据牛顿迭代公式，对于第k次迭代：
-(Jk(PI k))·ΔPI k＝rk(PI k) (2)；
式中，J为雅可比矩阵，即系统目标方程的一阶偏导数矩阵，具有如下形式：
式中，w为测点的个数，ej(j＝1，2…d)表示第j个元素为1的单位向量， 为摄动量；
D、引入Moore-Penrose广义逆对方程(2)进行求解，采用下式求解：
当w<d时：
ΔPI k＝-(Jk(PI k))T·(Jk(PI k)·(Jk(PI k))T)-1·rk(PI k) (4)；
当w≥d时：
ΔPI k＝-((Jk(PI k))T·Jk(PI k))-1·Jk(PI k)·rk(PI k) (5)；
E、检查测点应变计算值是否满足收敛要求||rk||/||εm||＜δ，如果满足则停止计算，以PI k+1＝PI k+ΔPI k作为反演结果，通过插值得到护盾外表面围岩荷载，否则进入下一轮迭代；
⑥对荷载积分得到护盾外表面摩阻力(106)
所述的摩阻力Ff的计算方法如下：
公式中：
n：沿TBM护盾外表面环向分区个数；
m：沿TBM护盾外表面轴向分区个数；
μ：TBM护盾外表面的摩擦系数；
P(z,θ)：TBM护盾外表面任意一点的荷载值；
z：柱坐标系下TBM护盾外表面任意一点的轴向坐标；
θ：柱坐标系下TBM护盾外表面任意一点的环向坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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