CN113779489A - 一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法 - Google Patents

一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法。首先,通过前期地勘以及连续监测获得泥水盾构推进过程中的重要参数,包括泥水压力Pw,水深hw,上覆各土层参数:土层厚度
Figure DDA0003218158110000016
粘聚力
Figure DDA0003218158110000014
有效粘聚力
Figure DDA0003218158110000015
内摩擦角
Figure DDA0003218158110000011
有效内摩擦角
Figure DDA0003218158110000012
进泥浆密度ρin,排泥浆密度ρout,刀盘转速ω,刀盘扭矩TF等,将所得参数进行归一化处理,并计算各因素信息熵。其次,依据所得信息熵计算相应权重。最后,通过
Figure DDA0003218158110000013
计算系统内熵变情况,并以此判断开挖面状态,针对性地给出掘进策略。

Description

一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别 方法
技术领域
本发明涉及一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法,旨在利用盾构施工参数实时判断前方开挖面的稳定性,并针对性做出掘进策略调整。
背景技术
近年来,随着城市、城际交通运输的发展,隧道工程的建设愈发火热,其建设环境逐渐由浅层地下空间向深层地下空间演变。深部地下空间常常面临着深覆土、多地层、高水压的复杂环境,其建设难度远远大于浅层空间。在软土富水地层中,通常采用泥水盾构法施工。由于泥水舱内情况较难悉知,不易观察,工程技术人员对开挖面的前方土体稳定性的判别是一大难点,对潜在风险和事故不易做到准确预测和预防。
传统方法大多通过泥水压力的变化情况判断前方开挖面状态,该类方法忽略了其他可能产生影响的因素,事实上,刀盘转速、扭矩、进浆密度、排浆密度等因素都对泥水舱及开挖面系统的稳定性有重要影响。
发明内容
基于背景技术,本发明提出一种新的泥水盾构开挖面稳定状态判别方法,将可能影响稳定性的各参数,通过信息熵的方式有机地结合在一起,给出更加全面、可靠的判别方法。
本发明的目的在于:将影响开挖面的各项复杂因素有机地整合,跨越开挖面状态不可视的障碍,从系统稳定性的角度,给出开挖面状态的判别方法,为实际泥水盾构施工中的安全提供参考和保障。
为了实现发明目的,采用技术方案如下:
本申请是一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法,主要适用于泥水盾构场景,面向盾构机操作人员和施工管理人员。通过对掘进过程重要参数的采集提取及处理,分析出泥水循环系统内的熵变情况(即dS),并以此为基础判断开挖面的稳定状态,从而有利于在系统状态发生改变的前期尽早干预,降低开挖面失稳的风险。
有益效果:
1、能够解决泥水盾构环境因不可视而导致的开挖面状态难以探察的问题。
2、充分考虑泥水盾构掘进过程中可能影响开挖面稳定性的重要因素,并给出简明清晰的判断准则,有助于相关操作人员和管理人员在系统变化前期对掘进策略进行调整和干预,提高作业安全系数。
附图说明
图1为本发明信息采集处理反馈系统示意图
图2为熵变组成示意图(公式一)
图1中,1——传感器(用于测量开挖面各相关参数);2——信号接收器(用于接收传感器所测数据);3——泥水舱;4——工作舱;5——地层环境;6——计算机处理及指令反馈模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、开挖面的稳定状态由其熵变dS情况决定,如图2所示,熵变可按公式一进行确定:
公式一:
Figure BDA0003218158090000031
其中,S为系统总熵值,从进出浆环节引进的熵流为
Figure BDA0003218158090000032
(假定短时间内进出浆流速差异引发物质熵变很小),系统内部熵变为diS,T为泥水循环系统内平均温度,Q为系统从外界引进的能量,δQ为系统从外界引进能量的变分。
S2、根据公式二计算δQ:
公式二:
Figure BDA0003218158090000033
其中,Qin为进浆带来的能量,Qout为排浆带走的能量,可由公式三、公式四确定;
公式三:
Figure BDA0003218158090000034
公式四:
Figure BDA0003218158090000035
公式三、公式四中,
Figure BDA0003218158090000041
为进浆管浆液平均温度,
Figure BDA0003218158090000042
为排浆管浆液平均温度,qin为进浆流量,qout为排浆流量,k为经验调整系数,可由试验测定。
S3、计算系统内部熵变为diS:
在泥水盾构掘进过程中,按固定采样频率f收集以下数据:
泥水压力Pw,水深hw,上覆各土层参数:土层厚度
Figure BDA0003218158090000043
粘聚力
Figure BDA0003218158090000044
有效粘聚力
Figure BDA0003218158090000045
内摩擦角
Figure BDA0003218158090000046
有效内摩擦角
Figure BDA0003218158090000047
进泥浆密度ρin,排泥浆密度ρout,刀盘转速ω,刀盘扭矩TF等。并将其整理为描述泥水系统平衡状态的状态参量:{si}=s1,s2,...,sm。将采集到的数据(包括但不限于上述采集数据种类)按公式五进行参数归一化处理;
公式五:
Figure BDA0003218158090000048
按公式六计算各因素信息熵;
公式六:
Figure BDA0003218158090000049
其中,Si为第i个影响因素的信息熵;
Figure BDA00032181580900000410
为第i个因素第j个数据的归一化值;si为第i个因素所有采样点数据之和,即
Figure BDA00032181580900000411
按公式七计算各影响因素的权重;
公式七:
Figure BDA00032181580900000412
其中wi为第i个因素的熵权值。
按公式八计算开挖面体系总熵值,并取微分;
公式八:
Figure BDA0003218158090000051
S4、根据上述计算结果,进行以下判断并向盾构操作系统返回指令。
当dS=0时,泥水系统相对平衡稳定,较为安全,可持续推进。
当dS>0时,泥水系统循环重建,会逐渐转化为另一种相对平衡的状态。
当dS<<0并保持一定时间时,泥水系统远离平衡态,开挖面状态易出现突变。
实际上,dS随时间处于起伏波动的状态,应待其在一段时间内保持上述某种状态时,再进行干预,将得到更好的效果。
实施例1:
基于上述理论,给出实施例如下:
某泥水盾构隧道在掘进过程中,通过传感器1实时对关键施工参数进行监测,(如图1所示)。关键施工参数包括:土层厚度
Figure BDA0003218158090000052
粘聚力
Figure BDA0003218158090000053
有效粘聚力
Figure BDA0003218158090000054
内摩擦角
Figure BDA0003218158090000055
有效内摩擦角
Figure BDA0003218158090000056
进泥浆密度ρin,排泥浆密度ρout,刀盘转速ω,刀盘扭矩TF等。
将测量值通过信号接收器2进行接收,并将其整理为描述泥水系统平衡状态的状态参量:{si}=s1,s2,...,sm。将采集到的数据(包括但不限于上述采集数据种类)按公式五进行参数归一化处理;
公式五:
Figure BDA0003218158090000061
按公式六计算各因素信息熵;
公式六:
Figure BDA0003218158090000062
其中,Si为第i个影响因素的信息熵;
Figure BDA0003218158090000063
为第i个因素第j个数据的归一化值;si为第i个因素所有采样点数据之和,即
Figure BDA0003218158090000064
按公式七计算各影响因素的权重;
公式七:
Figure BDA0003218158090000065
其中wi为第i个因素的熵权值。
按公式八计算开挖面体系总熵值,并取微分;
公式八:
Figure BDA0003218158090000066
根据公式二计算δQ:
公式二:
Figure BDA0003218158090000067
其中,Qin为进浆带来的能量,Qout为排浆带走的能量,可由公式三、公式四确定;
公式三:
Figure BDA0003218158090000068
公式四:
Figure BDA0003218158090000069
公式三、公式四中,
Figure BDA00032181580900000610
为进浆管浆液平均温度,
Figure BDA00032181580900000611
为排浆管浆液平均温度,qin为进浆流量,qout为排浆流量,k为经验调整系数,可由试验测定。
根据公式一计算开挖面的熵变情况:
公式一:
Figure BDA0003218158090000071
在工作舱4中计算机处理及指令反馈模块6通过上述步骤进行处理,绘制熵值随掘进时间的变化情况(如图2所示)。
从图2可以观测到,dS>0,即泥水盾构系统的总熵值处于稳定上升的状态,从总熵值的曲线可以看出,其发展趋势渐趋平缓,稳定增加。从进出浆环节引进的熵流
Figure BDA0003218158090000072
占比较小,说明泥浆循环控制系统工作稳定,系统内部熵变diS,也随时间推进而缓慢增长,且其趋势渐趋平缓,这表示泥水平衡在新条件下将重新构建,开挖面整体处于较稳定状态,可以继续推进。这一参考意见将反馈给盾构机相关操作人员。

Claims (1)

1.一种基于熵变原理的泥水平衡盾构系统开挖面稳定性判别方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、开挖面的稳定状态由其熵变dS情况决定,熵变可按公式一进行确定:
公式一:
Figure FDA0003218158080000011
其中,S为系统总熵值,从进出浆环节引进的熵流为
Figure FDA0003218158080000012
系统内部熵变为diS,T为泥水循环系统内平均温度,Q为系统从外界引进的能量,δQ为系统从外界引进能量的变分;
S2、根据公式二计算δQ:
公式二:
Figure FDA0003218158080000013
其中,Qin为进浆带来的能量,Qout为排浆带走的能量,可由公式三、公式四确定;
公式三:
Figure FDA0003218158080000014
公式四:
Figure FDA0003218158080000015
公式三、公式四中,
Figure FDA0003218158080000016
为进浆管浆液平均温度,
Figure FDA0003218158080000017
为排浆管浆液平均温度,qin为进浆流量,qout为排浆流量,k为经验调整系数,可由试验测定;
S3、计算系统内部熵变为diS:
在泥水盾构掘进过程中,按固定采样频率f收集以下数据:
泥水压力Pw,水深hw,上覆各土层参数:土层厚度
Figure FDA00032181580800000110
粘聚力
Figure FDA00032181580800000111
有效粘聚力
Figure FDA00032181580800000112
内摩擦角
Figure FDA0003218158080000018
有效内摩擦角
Figure FDA0003218158080000019
进泥浆密度ρin,排泥浆密度ρout,刀盘转速ω,刀盘扭矩TF等;并将其整理为描述泥水系统平衡状态的状态参量:{si}=s1,s2,...,sm;将采集到的数据按公式五进行参数归一化处理;
公式五:
Figure FDA0003218158080000021
按公式六计算各因素信息熵;
公式六:
Figure FDA0003218158080000022
其中,Si为第i个影响因素的信息熵;
Figure FDA0003218158080000023
为第i个因素第j个数据的归一化值;si为第i个因素所有采样点数据之和,即
Figure FDA0003218158080000024
按公式七计算各影响因素的权重;
公式七:
Figure FDA0003218158080000025
其中wi为第i个因素的熵权值;
按公式八计算开挖面体系总熵值,并取微分;
公式八:
Figure FDA0003218158080000026
S4、根据上述计算结果,进行以下判断并向盾构操作系统返回指令;
当dS=0时,泥水系统相对平衡稳定,较为安全,可持续推进;
当dS>0时,泥水系统循环重建,会逐渐转化为另一种相对平衡的状态;
当dS<<0并保持一定时间时,泥水系统远离平衡态,开挖面状态易出现突变;
dS随时间处于起伏波动的状态,应待其在一段时间内保持上述某种状态时,再进行干预,将得到更好的效果。
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