CN110675092B - 一种基于扭推比的破碎地层tbm卡机风险预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，步骤如下：S1，通过露出护盾围岩地质素描，采集围岩状态数据；S2，通过TBM数据采集系统，获取TBM掘进参数数据；S3，建立扭推比与围岩状态对应关系；S4，通过主司机记录的TBM掘进报告，获取掘进状态数据；S5，建立基于扭推比的卡机风险评判标准；S6，通过TBM实时掘进参数，根据该评判标准，判断TBM卡机风险并进行实时预警。本发明能够及时有效掌握隧道围岩状态、TBM的掘进状态以及TBM掘进可能遭遇的卡机风险，使施工人员能够及时掌握各方面的信息，及时施作TBM卡机预防措施，可有效降低TBM被卡风险，提高TBM施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及全断面隧道掘进机施工控制技术领域，具体涉及一种基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法。
背景技术
全断面岩石隧道掘进机（TBM）作为隧道施工的重要工具，具有施工安全、快速的优点，TBM法已经成为了隧道施工的主要方法。但与之不相适应的是，TBM在破碎地层中施工时适应性差，掘进速度明显下降，且一旦发生卡机，将导致工期严重延误，因此如何提前预判TBM卡机风险，及时采取措施，对于提高TBM在破碎地层的适应性意义重大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，能够实现TBM卡机风险的预判，有利于提高TBM在破碎地层的适应性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，包括下列步骤：
S1，通过露出护盾的围岩地质素描，采集围岩状态数据；
采集的围岩状态数据包括掘进里程、围岩破碎塌腔位于隧道断面的位置、塌腔范围、塌腔深度，还包括支护塌腔所采用的钢拱架型号与间距、所采用钢筋排型号与间距、所采用的锚杆长度与间距。
S2，通过TBM数据采集系统，获取TBM掘进参数数据；
获取的掘进参数数据包括但不限于TBM历史数据中的掘进里程、推力、扭矩、推进速度、贯入度。
S3，根据步骤S1和S2获得的围岩状态数据和掘进参数数据，建立扭推比与围岩状态对应关系：
所述的扭推比与围岩状态对应关系的建立方法：根据掘进参数中的推力、扭矩历史数据，运算扭矩和推力的比值，简称扭推比；根据围岩状态数据和掘进参数数据记录的掘进里程，建立不同里程扭推比历史数据与围岩地质素描的对应关系；
当围岩状态发生异常时，扭推比也异常偏离正常值；围岩坍塌发生在掌子面时，扭推比异常增大；围岩坍塌发生在护盾上方时，扭推比异常减小。
S4，通过主司机记录的TBM掘进报告，获取掘进状态数据；
所述的掘进状态数据包括TBM是否发生卡机；已发生卡机时是刀盘被卡还是护盾被卡，未卡机时的掘进速度和设备利用率是否正常。
S5，将步骤S3获得的扭推比与围岩状态对应关系和步骤S4获得的掘进状态数据相对应，建立基于扭推比的卡机风险评判标准。
S6，通过获取TBM实时掘进参数，根据基于扭推比的卡机风险评判标准，判断TBM卡机风险并进行实时预警。
所述的基于扭推比的卡机风险评判标准分三种状态：
①TBM在围岩完整性好的地层正常掘进时，TBM扭矩和推力正相关，扭推比维持在相对稳定状态；
②TBM在破碎地层掘进时发生卡刀盘前，掌子面坍塌的岩块与刀盘接触，推力一定的情况下，刀盘旋转除了需要提供克服滚刀破岩的正常扭矩外，还必须提供克服坍塌岩块对刀盘的阻力矩，此时扭矩倍增，导致扭矩推力比远远超出正常值，因此，当扭推比异常增大且扭矩异常增大时，即存在TBM卡刀盘的高风险；
③TBM在破碎地层掘进发生卡护盾前，护盾上方坍塌的岩块堆积在护盾上，TBM除了需要提供克服刀盘前方滚刀破岩的推力外，还必须提供后方克服坍塌岩块对护盾的摩擦阻力，此时推力倍增，导致扭矩推力比远远低于正常值，因此，当扭推比异常降低且推力异常增大时，即存在TBM卡护盾的高风险；
将上述三种状态下扭矩、推力以及扭推比的临界值作为TBM卡机风险评判标准，当获取的TBM实时掘进参数满足②或③的条件时，即存在卡机风险，需要发出预警提醒。
本发明的有益效果在于：
本发明基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，根据采集的围岩状态数据和TBM掘进参数的历史数据，建立扭推比与围岩状态对应关系，再与TBM掘进状态相对应起来，建立基于扭推比的卡机风险评判标准：当围岩状态发生异常时，扭推比也异常偏离正常值，当围岩坍塌发生在掌子面时，扭推比异常增大；当围岩坍塌发生在护盾上方时，扭推比异常减小；因此，当扭推比异常增大且扭矩异常增大时，即存在TBM卡刀盘的高风险；当扭推比异常降低且推力异常增大时，即存在TBM卡护盾的高风险。将获取的TBM实时掘进参数与该评判标准相比较，如果数据符合卡刀盘或卡护盾的条件，即存在卡机风险，应发出预警信号，提醒工作人员及时采取措施，避免出现卡机的情况。
本发明能够及时有效掌握隧道围岩状态、TBM的掘进状态以及TBM掘进可能遭遇的卡机风险，并及时将信息反馈给现场施工人员，使施工人员能够及时掌握各方面的信息，及时施作TBM卡机预防措施，即使TBM被卡也能及时进行TBM脱困处理，可有效降低TBM被卡风险，降低TBM卡机对工期的影响，提高TBM施工效率。
本发明能够实现TBM卡机风险的提前预判，当出现卡刀盘或卡护盾的风险时，能够提前获知风险、发出预警，使工作人员提前获知风险情况、及时采取措施，避免卡机情况的发生；采用本发明基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，判断结果准确率高，能够有效减少卡机，对于提高TBM在破碎地层的适应性意义重大。
附图说明
图1为本发明所提供的基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法的总体流程图；
图2为某隧道某段的围岩状态图；
图3为某隧道某掘进段扭推比与围岩状态对应关系。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。
实施例1：一种基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，包括下列步骤：
S1，通过露出护盾的围岩地质素描，采集围岩状态数据；
采集的围岩状态数据包括掘进里程、围岩破碎塌腔位于隧道断面的位置、塌腔范围、塌腔深度，还包括支护塌腔所采用的钢拱架型号与间距、所采用钢筋排型号与间距、所采用的锚杆长度与间距；某隧道某段的围岩状态图如图2所示。
S2，通过TBM数据采集系统，获取TBM掘进参数数据；
获取的掘进参数数据包括但不限于TBM历史数据中的掘进里程、推力、扭矩、推进速度、贯入度。
S3，根据步骤S1和S2获得的围岩状态数据和掘进参数数据，建立扭推比与围岩状态对应关系：
所述的扭推比与围岩状态对应关系的建立方法：根据掘进参数中的推力、扭矩历史数据，运算扭矩和推力的比值，简称扭推比；根据围岩状态数据和掘进参数数据记录的掘进里程，建立不同里程扭推比历史数据与围岩地质素描的对应关系；某隧道某掘进段扭推比与围岩状态对应关系如图3所示。
当围岩状态发生异常时，扭推比也异常偏离正常值；围岩坍塌发生在掌子面时，扭推比异常增大；围岩坍塌发生在护盾上方时，扭推比异常减小。
S4，通过主司机记录的TBM掘进报告，获取掘进状态数据；
所述的掘进状态数据包括TBM是否发生卡机；已发生卡机时是刀盘被卡还是护盾被卡，未卡机时的掘进速度和设备利用率是否正常。
S5，将步骤S3获得的扭推比与围岩状态对应关系和步骤S4获得的掘进状态数据相对应，建立基于扭推比的卡机风险评判标准。
S6，通过获取TBM实时掘进参数，根据基于扭推比的卡机风险评判标准，判断TBM卡机风险并进行实时预警。
所述的基于扭推比的卡机风险评判标准分三种状态：
①TBM在围岩完整性好的地层正常掘进时，TBM扭矩和推力正相关，扭推比维持在相对稳定状态；但通过推力或扭矩单一参数无法判断TBM掘进状态，需要结合其他参数共同判断。
②TBM在破碎地层掘进时发生卡刀盘前，掌子面坍塌的岩块与刀盘接触，推力一定的情况下，刀盘旋转除了需要提供克服滚刀破岩的正常扭矩外，还必须提供克服坍塌岩块对刀盘的阻力矩，此时扭矩倍增，导致扭矩推力比远远超出正常值，因此，当扭推比异常增大且扭矩异常增大时，即存在TBM卡刀盘的高风险；
③TBM在破碎地层掘进发生卡护盾前，护盾上方坍塌的岩块堆积在护盾上，TBM除了需要提供克服刀盘前方滚刀破岩的推力外，还必须提供后方克服坍塌岩块对护盾的摩擦阻力，此时推力倍增，导致扭矩推力比远远低于正常值，因此，当扭推比异常降低且推力异常增大时，即存在TBM卡护盾的高风险；
将上述三种状态下扭矩、推力以及扭推比的临界值作为TBM卡机风险评判标准，当获取的TBM实时掘进参数满足②或③的条件时，即存在卡机风险，需要发出预警提醒。
如下表所示，为某隧道不同掘进状态对应的TBM掘进参数表。
通过上表，建立的该TBM卡机风险评判标准为：TBM推力大于20000kN且扭矩推力比小于0.1时，存在卡护盾风险；扭矩大于5000kNm且扭矩推力比大于0.3时，存在卡刀盘风险。当获取的BM实时掘进参数满足上述条件时，即存在卡机风险，需要工作人员及时采取措施，排除风险，保证施工顺利进行。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (2)
1.一种基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1，通过露出护盾的围岩地质素描，采集围岩状态数据；
S2，通过TBM数据采集系统，获取TBM掘进参数数据；
获取的掘进参数数据包括但不限于TBM历史数据中的掘进里程、推力、扭矩、推进速度、贯入度；
S3，根据步骤S1和S2获得的围岩状态数据和掘进参数数据，建立扭推比与围岩状态对应关系：
所述的扭推比与围岩状态对应关系的建立方法：根据掘进参数中的推力、扭矩历史数据，运算扭矩和推力的比值，简称扭推比；根据围岩状态数据和掘进参数数据记录的掘进里程，建立不同里程扭推比历史数据与围岩地质素描的对应关系；
当围岩状态发生异常时，扭推比也异常偏离正常值；围岩坍塌发生在掌子面时，扭推比异常增大；围岩坍塌发生在护盾上方时，扭推比异常减小；
S4，通过主司机记录的TBM掘进报告，获取掘进状态数据；
所述的掘进状态数据包括TBM是否发生卡机；已发生卡机时是刀盘被卡还是护盾被卡，未卡机时的掘进速度和设备利用率是否正常；
S5，将步骤S3获得的扭推比与围岩状态对应关系和步骤S4获得的掘进状态数据相对应，建立基于扭推比的卡机风险评判标准；
S6，通过获取TBM实时掘进参数，根据基于扭推比的卡机风险评判标准，判断TBM卡机风险并进行实时预警；
所述的基于扭推比的卡机风险评判标准分三种状态：
①TBM在围岩完整性好的地层正常掘进时，TBM扭矩和推力正相关，扭推比维持在相对稳定状态；
②TBM在破碎地层掘进时发生卡刀盘前，掌子面坍塌的岩块与刀盘接触，推力一定的情况下，刀盘旋转除了需要提供克服滚刀破岩的正常扭矩外，还必须提供克服坍塌岩块对刀盘的阻力矩，此时扭矩倍增，导致扭矩推力比远远超出正常值，因此，当扭推比异常增大且扭矩异常增大时，即存在TBM卡刀盘的高风险；
③TBM在破碎地层掘进发生卡护盾前，护盾上方坍塌的岩块堆积在护盾上，TBM除了需要提供克服刀盘前方滚刀破岩的推力外，还必须提供后方克服坍塌岩块对护盾的摩擦阻力，此时推力倍增，导致扭矩推力比远远低于正常值，因此，当扭推比异常降低且推力异常增大时，即存在TBM卡护盾的高风险；
将上述三种状态下扭矩、推力以及扭推比的临界值作为TBM卡机风险评判标准，当获取的TBM实时掘进参数满足②或③的条件时，即存在卡机风险，需要发出预警提醒。
2.根据权利要求1所述的基于扭推比的破碎地层TBM卡机风险预警方法，其特征在于，在步骤S1中，采集的围岩状态数据包括掘进里程、围岩破碎塌腔位于隧道断面的位置、塌腔范围、塌腔深度，还包括支护塌腔所采用的钢拱架型号与间距、所采用钢筋排型号与间距、所采用的锚杆长度与间距。
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