CN109736819A - 一种盾构掘进总推力确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盾构掘进总推力确定方法及系统。方法包括：确定影响盾构掘进总推力的参数；根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。采用本发明的方法或系统能够实现盾构掘进过程中的总推力快速准确的计算。

Description

一种盾构掘进总推力确定方法及系统

技术领域

本发明涉及盾构掘进领域，特别是涉及一种盾构掘进总推力确定方法及系统。

背景技术

盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，主要用于软土地层的隧道挖掘。其掘进总推力是一种重要的性能参数，以保证装备正常前进，是贯穿装备运行始终的核心参量。目前针对盾构掘进总推力的计算方法，主要分为基于软土地层的力学分析的理论建模与基于工程数据分析进行预测。其中，在基于工程数据分析进行预测的这类方法中，通过量纲分析进行计算的方法普适性高。然而，已有基于量纲分析的方法考虑的参数众多，从而导致模型结构复杂，不利于工程应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构掘进总推力确定方法及系统，能够筛选出影响盾构掘进总推力的主要参数，能够帮助盾构技术管理人员及时调整盾构掘进总推力的大小。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种盾构掘进总推力确定方法，包括：

确定影响盾构掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；

根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；

根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；

将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；

根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。

可选的，所述根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力，具体包括：

根据公式分别确定盾构掘进过程中的无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；

根据公式确定盾构掘进过程中的无量纲化总推力

其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为掘进总推力，单位：kN。

可选的，所述根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果，具体包括：

将所述无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法采用公式得到无量纲量的系数α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；

其中，n为样本量；X为自变量，包括π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；α为识别系数，包括α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；y为因变量，y为无量纲化总推力λ为惩罚权重。

可选的，所述将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到盾构掘进总推力计算模型，具体包括：

将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到盾构掘进总推力计算模型

其中，F为盾构掘进总推力，单位：kN；α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为无量纲量的系数；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min。

一种盾构掘进总推力确定系统，包括：

参数确定模块，用于确定影响盾构掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；

无量纲参数确定模块，用于根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；

系数识别结果确定模块，用于根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；

模型建立模块，用于将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；

盾构总推力计算模块，用于根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。

可选的，所述根据无量纲参数确定模块，具体包括：

无量纲量参数确定单元，用于根据公式 分别确定盾构掘进过程中的无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；

无量纲化总推力确定单元，用于根据公式确定盾构掘进过程中的无量纲化总推力

其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为盾构掘进总推力，单位：kN。

可选的，所述系数识别结果确定模块，具体包括：

系数识别结果确定单元，用于将所述无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法采用公式得到无量纲量的系数α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；

其中，n为样本量；X为自变量，包括π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；α为识别系数，包括α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；y为因变量，y为无量纲化总推力λ为惩罚权重。

可选的，所述模型建立模块，具体包括：

模型建立单元，用于将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型

其中，F为盾构掘进总推力，单位：kN；α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为无量纲量的系数；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min。

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：本发明提供一种盾构掘进总推力确定方法，包括：确定影响掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。本发明能够实现盾构装备掘进过程中的总推力快速准确的计算。在基于LASSO算法的基础上，本发明不仅融入了基本的力学规律，而且通过LASSO算法剔除了无关的影响参数，从而为盾构技术管理人员及时调整推力大小提供了有效的决策支持。

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为本发明实施例盾构掘进总推力确定方法流程图；

图2为本发明实施例盾构掘进总推力确定系统结构图。

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。

本发明的目的是提供一种盾构掘进总推力确定方法及系统，能够筛选出影响盾构掘进总推力的主要参数，能够帮助盾构技术管理人员及时调整推力的大小。

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。

图1为本发明实施例盾构掘进总推力确定方法流程图。如图1所示，一种盾构掘进总推力确定方法，包括：

步骤101：确定影响盾构掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；

步骤102：根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；

步骤103：根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；

步骤104：将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；

步骤105：根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。

步骤102，具体包括：

根据公式分别确定盾构掘进过程中的无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；

根据公式确定盾构掘进过程中的无量纲化总推力

其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为盾构掘进总推力，单位：kN。

步骤103，具体包括：

将所述无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法采用公式得到无量纲量的系数α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；

其中，n为样本量；X为自变量，包括π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；α为识别系数，包括α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；y为因变量，y为无量纲化总推力λ为惩罚权重。

步骤104，具体包括：

将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型

其中，F为盾构掘进总推力，单位：kN；α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为无量纲量的系数；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min。

本发明能够实现盾构装备掘进过程中的总推力快速准确的计算。在基于套索算法(LASSO算法)的基础上，本发明不仅融入了基本的力学规律，而且通过LASSO算法剔除了无关的影响参数，从而为盾构技术管理人员及时调整推力大小提供了有效的决策支持。

图2为本发明实施例盾构掘进总推力确定系统结构图。如图2所示，一种盾构掘进总推力确定系统，包括：

参数确定模块201，用于确定影响盾构掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；

无量纲参数确定模块202，用于根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；

系数识别结果确定模块203，用于根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；

模型建立模块204，用于将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到盾构掘进总推力计算模型；

盾构总推力计算模块205，用于根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。

所述根据无量纲参数确定模块202，具体包括：

无量纲量参数确定单元，用于根据公式 分别确定盾构掘进过程中的无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；

无量纲化总推力确定单元，用于根据公式确定盾构掘进过程中的无量纲化总推力

其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为盾构掘进总推力，单位：kN。

所述系数识别结果确定模块203，具体包括：

系数识别结果确定单元，用于将所述无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法采用公式得到无量纲量的系数α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；

其中，n为样本量；X为自变量，包括π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；α为识别系数，包括α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；y为因变量，y为无量纲化总推力λ为惩罚权重。

所述模型建立模块204，具体包括：

模型建立单元，用于将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型

其中，F为盾构掘进总推力，单位：kN；α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为无量纲量的系数；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min。

具体实施例：

下面结合实施例对本发明的盾构总推力的计算方法做出详细说明。具体步骤如下：

1、列出影响盾构掘进总推力F的参数：p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；F为掘进总推力，单位：kN。

2、根据下列公式(1)-(6)，分别计算无量纲量及无量纲化总推力大小。其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为盾构掘进总推力，单位：kN。

3、将按公式(1)-(6)式计算得到的值汇总，并将(π₁，π₂，π₃，π₄，π₅)这五个无量纲量作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法，得到无量纲量的系数α₁～α₅的识别计算式如下：

α₁＝0,α₂＝4.93×10^-1,α₃＝2.22×10^-3,α₄＝0,α₅＝0.

4、将各个无量纲量系数识别结果α₁～α₅与五个无量纲量π₁～π₅分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型：如下式所示：

F＝4.93*10^-1γD³+2.22*10^-3EDH (7)

将如下表所示的工程数据：

E	D	ω	p<sub>e</sub>	γ	H	W	ν
								67650	6.34	1.22	168	40	9.6	160.59	0.03

带入式(7)可得盾构掘进总推力F的大小如下：

F＝14166.18(kN)。

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 (8)

1.一种盾构掘进总推力确定方法，其特征在于，包括：

确定影响盾构掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；

根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；

根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；

将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；

根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。

2.根据权利要求1所述的盾构掘进总推力确定方法，其特征在于，所述根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力，具体包括：

根据公式分别确定盾构掘进过程中的无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；

根据公式确定盾构掘进过程中的无量纲化总推力

其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为盾构掘进总推力，单位：kN。

3.根据权利要求2所述的盾构掘进总推力确定方法，其特征在于，所述根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果，具体包括：

将所述无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法采用公式得到无量纲量的系数α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；

其中，n为样本量；X为自变量，包括π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；α为识别系数，包括α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；y为因变量，y为无量纲化总推力λ为惩罚权重。

4.根据权利要求3所述的盾构掘进总推力确定方法，其特征在于，所述将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型，具体包括：

将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型

其中，F为盾构掘进总推力，单位：kN；α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为无量纲量的系数；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min。

5.一种盾构掘进总推力确定系统，其特征在于，包括：

参数确定模块，用于确定影响盾构掘进总推力的参数，所述参数包括土体弹性模量、土体容量、隧道埋深、岩土承载力、掘进速度、土舱压力、盾构直径和刀盘转速；

无量纲参数确定模块，用于根据所述参数确定盾构掘进过程中的无量纲量和无量纲化总推力；

系数识别结果确定模块，用于根据所述无量纲量采用LASSO算法，得到所述无量纲量的系数识别结果；

模型建立模块，用于将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到掘进总推力计算模型；

盾构总推力计算模块，用于根据所述掘进总推力计算模型确定盾构掘进总推力。

6.根据权利要求5所述的盾构掘进总推力确定系统，其特征在于，所述无量纲参数确定模块，具体包括：

无量纲量参数确定单元，用于根据公式 分别确定盾构掘进过程中的无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；

无量纲化总推力确定单元，用于根据公式确定盾构掘进过程中的无量纲化总推力

其中，π₁，π₂，π₃，π₄，π₅为五个无量纲量；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min；为无量纲化总推力；F为盾构掘进总推力，单位：kN。

7.根据权利要求6所述的盾构掘进总推力确定系统，其特征在于，所述系数识别结果确定模块，具体包括：

系数识别结果确定单元，用于将所述无量纲量π₁，π₂，π₃，π₄，π₅作为自变量，无量纲化总推力作为因变量，利用LASSO算法采用公式得到无量纲量的系数α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；

其中，n为样本量；X为自变量，包括π₁，π₂，π₃，π₄，π₅；α为识别系数，包括α₁,α₂,α₃,α₄,α₅；y为因变量，y为无量纲化总推力λ为惩罚权重。

8.根据权利要求7所述的盾构掘进总推力确定系统，其特征在于，所述模型建立模块，具体包括：

模型建立单元，用于将各个无量纲量系数识别结果与对应的所述无量纲量相乘，得到盾构掘进总推力计算模型

其中，F为盾构掘进总推力，单位：kN；α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为无量纲量的系数；p_e为土舱压力，单位：kpa；E为土体弹性模量，单位：kpa；γ为土体容重，单位：kN/m³；D为盾构直径，单位：m；H为隧道埋深，单位：m；W为岩土承载力，单位：kpa；v为掘进速度，单位：m/s；ω为刀盘转速，单位：r/min。