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
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Abstract
Description
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:
其中,S为系统总熵值,从进出浆环节引进的熵流为(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:
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:土层厚度粘聚力有效粘聚力内摩擦角有效内摩擦角进泥浆密度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;
按公式六计算各因素信息熵;
按公式七计算各影响因素的权重;
按公式八计算开挖面体系总熵值,并取微分;
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:土层厚度粘聚力有效粘聚力内摩擦角有效内摩擦角进泥浆密度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;
按公式六计算各因素信息熵;
按公式七计算各影响因素的权重;
按公式八计算开挖面体系总熵值,并取微分;
根据公式二计算δQ:
根据公式一计算开挖面的熵变情况:
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)。
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:
S2、根据公式二计算δQ:
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:土层厚度粘聚力有效粘聚力内摩擦角有效内摩擦角进泥浆密度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;
按公式六计算各因素信息熵;
按公式七计算各影响因素的权重;
按公式八计算开挖面体系总熵值,并取微分;
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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