CN115584985A - 一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法 - Google Patents

一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法 Download PDF

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CN115584985A CN202211191044.8A CN202211191044A CN115584985A CN 115584985 A CN115584985 A CN 115584985A CN 202211191044 A CN202211191044 A CN 202211191044A CN 115584985 A CN115584985 A CN 115584985A
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Abstract

本发明公开了一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，属于隧道与地下工程技术领域，实现掘进过程中地层特征变化的实时自动监测，给出掘进调整建议。具体包括如下步骤：步骤1：在盾构机刀盘上安装三轴振动传感器，安装时确保三轴振动传感器X、Y、Z三个方向与盾构掘进X、Y、Z三个方向保持一致，其中X方向为盾构掘进方向，Y方向为水平方向，Z方向竖直向下方向；步骤2：信号采集器实时接收、储存和上传三轴振动传感器采集到的刀盘加速度响应数据；步骤3：振动分析处理模块基于刀盘加速度响应数据，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。

Description

一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态 调整方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，属于隧道与地下工程技术领域。
背景技术
随着国内城市地下空间的不断开发利用，盾构隧道工程将向更深空间发展，因此将面临更复杂的地质条件、更高的地下水压和更长的掘进距离等诸多问题。在泥水盾构掘进过程中，面对复杂多变的地层，需要及时判别地层特征，调整掘进参数，确保盾构高效安全掘进。
在泥水盾构中，推力和扭矩对地层变化的敏感性较低，无法通过推力和扭矩的变化及时分析地层特征；降低泥水仓液位直接开仓观察开挖面的方法风险性较高，容易导致开挖面失稳；现有的基于声波的超前地质预测技术准确性有待提升。刀盘动力响应对地层特征变化极其敏感，因此，需要一种可以实现盾构掘进过程中地层特征实时识别，给出掘进调整建议，减少盾构掘进过程中的刀具断裂、刀盘泥饼的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术不足，提出基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，属于隧道与地下工程技术领域，实现掘进过程中地层特征变化的实时自动监测，给出掘进调整建议，减少盾构掘进过程中的刀具断裂、刀盘泥饼的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，包括如下步骤：
步骤1：在盾构机刀盘上安装三轴振动传感器，安装时确保三轴振动传感器X、Y、Z三个方向与盾构掘进X、Y、Z三个方向保持一致，其中X方向为盾构掘进方向，Y方向为水平方向，Z方向竖直向下方向；
步骤2：信号采集器实时接收、储存和上传三轴振动传感器采集到的刀盘加速度响应数据；
步骤3：振动分析处理模块基于刀盘加速度响应数据，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
优选的，所述三轴传感器底部设有磁铁基座，所述磁铁基座吸盘在盾构机刀盘上。
优选的，信号采集器设置在盾尾位置，通过无线网络与盾构机操作室连接。
进一步的，步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：首先，通过FFT变换将刀盘加速度响应数据的时域信号转变为频域信号；
步骤3.2：X、Y、Z三个方向上分别绘制频率和加速度在不同时间点的频域曲线；
步骤3.3：提取X、Y、Z三个方向的加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP；
步骤3.4：基于频域曲线和时域信号峰值，通过地层识别方法，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
优选的，地层识别方法包括：
①当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域不同，判定地层为上软下硬地层；
②当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP均小于加速度阈值，则判定地层为黏土地层；
③当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP中存在一个或多个大于加速度阈值，同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP，则判定地层为全断面硬岩地层；
④当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP中存在一个或多个大于加速度阈值，不同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP，则判定地层为断层破碎带地层。
进一步的，响应频率集中区域的确认包括如下步骤：
步骤A：找出响应频率中峰值大小超过平均响应频率k倍的高峰值点，其中k为接受倍数，k＞1，为预设常数；
步骤B：分别计算步骤A中相邻的高峰值点之间的距离；
步骤C：找出相邻的高峰值点之间的距离超过距离阈值的待评高峰值点；
步骤D：判断待评高峰值点在高峰值中位点的左侧还是右侧；
步骤E：对于左侧的待评高峰值点，去除位于相邻高峰值点左侧的待评高峰值点；对于右侧的待评高峰值点，去除位于相邻高峰值点右侧的待评高峰值点；
步骤F：剩余的待评高峰值点中找到最大点和最小点，最小点和最大点之间的区域即为响应频率集中区域。
作为替换的，还可以对加速度时域信号峰值进行优化，以排除数据偶然误差：
Figure BDA0003869400820000031
其中，j是维度，是X,Y,Z中的一个，a为高峰值个数，为常数，b为低峰值个数，为常识，Xjm为加速度时域信号峰值从大到小排列第m个峰值，Xjn为加速度时域信号峰值从小到大排列第n个峰值。
优选的，a＝b＝4。
进一步的，当地层判定为全断面硬岩石、上软下硬地层或断层破碎带时，采用降低贯入度、降低掘进速度或低贯入度高转速模式掘进方法，以降低刀具冲击荷载，减少刀具断裂；当地层判定为黏土地层，采用降低刀盘转速的方式降低刀盘温度场，以减少刀盘泥饼。
优选的，当地层判定为全断面硬岩石、上软下硬地层或断层破碎带时，控制刀盘X方向加速度响应峰值XXP在100m/s2以下。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的目的在于针对现有技术不足，提出基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，属于隧道与地下工程技术领域，实现掘进过程中地层特征变化的实时自动监测，给出掘进调整建议，减少盾构掘进过程中的刀具断裂、刀盘泥饼的方法。
1、本发明创造性的提出通过刀盘动力响应对地层特征进行识别的方法，通过刀盘动力响应对地层特征变化进行判断，具有较高的精度。
2、本发明通过动力响应实时监测分析系统，可以实现掘进过程中地层特征变化的实时自动监测。
3、本发明依据动力响应结果提出掘进控制建议，有助于减少盾构掘进过程中的刀具断裂、刀盘泥饼等问题，实现盾构高效掘进。
4、本发明为盾构智能化掘进提供新的思路，方案简单实用，成本低，推广普及价值高。
附图说明
图1为本发明中实时监测分析系统示意图；
图2为本发明中振动传感器细节图；
图3为本发明中提供的时域曲线；
图4为本发明中提供的频域曲线；
图5为本发明中一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法的分析流程图；
图6为本发明中开仓检查开挖面时土岩占比情况；
图7为本发明中提供的全断面硬岩地层时域曲线；
图8为本发明中提供的全断面硬岩地层频域曲线；
图9为本发明一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法的步骤图。
图中各标号的含义为：
a：刀盘、b：刀盘主轴承、c：振动传感器、d：信号采集器、e：云端数据库、f：振动分析处理模块、g：强力磁铁基座、h：传感器核心装置。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，如图9所示，包括如下步骤：
步骤1：在盾构机刀盘上安装三轴振动传感器，安装时确保三轴振动传感器X、Y、Z三个方向与盾构掘进X、Y、Z三个方向保持一致，其中X方向为盾构掘进方向，Y方向为水平方向，Z方向竖直向下方向；
步骤2：信号采集器实时接收、储存和上传三轴振动传感器采集到的刀盘加速度响应数据；
步骤3：振动分析处理模块基于刀盘加速度响应数据，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
优选的，所述三轴传感器底部设有磁铁基座，所述磁铁基座吸盘在盾构机刀盘上。
优选的，信号采集器设置在盾尾位置，通过无线网络与盾构机操作室连接。
进一步的，步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：首先，通过FFT变换将刀盘加速度响应数据的时域信号转变为频域信号；
步骤3.2：X、Y、Z三个方向上分别绘制频率和加速度在不同时间点的频域曲线；
步骤3.3：提取X、Y、Z三个方向的加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP；
步骤3.4：基于频域曲线和时域信号峰值，通过地层识别方法，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
优选的，地层识别方法包括：
①当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域不同，判定地层为上软下硬地层；
②当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP均小于加速度阈值，则判定地层为黏土地层；
③当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP中存在一个或多个大于加速度阈值，同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP，则判定地层为全断面硬岩地层；
④当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP中存在一个或多个大于加速度阈值，不同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP，则判定地层为断层破碎带地层。
进一步的，响应频率集中区域的确认包括如下步骤：
步骤A：找出响应频率中峰值大小超过平均响应频率k倍的高峰值点，其中k为接受倍数，k＞1，为预设常数；
步骤B：分别计算步骤A中相邻的高峰值点之间的距离；
步骤C：找出相邻的高峰值点之间的距离超过距离阈值的待评高峰值点；
步骤D：判断待评高峰值点在高峰值中位点的左侧还是右侧；
步骤E：对于左侧的待评高峰值点，去除位于相邻高峰值点左侧的待评高峰值点；对于右侧的待评高峰值点，去除位于相邻高峰值点右侧的待评高峰值点；
步骤F：剩余的待评高峰值点中找到最大点和最小点，最小点和最大点之间的区域即为响应频率集中区域。
进一步的，当地层判定为全断面硬岩石、上软下硬地层或断层破碎带时，采用降低贯入度、降低掘进速度或低贯入度高转速模式掘进方法，以降低刀具冲击荷载，减少刀具断裂；当地层判定为黏土地层，采用降低刀盘转速的方式降低刀盘温度场，以减少刀盘泥饼。
优选的，当地层判定为全断面硬岩石、上软下硬地层或断层破碎带时，控制刀盘X方向加速度响应峰值XXP在100m/s2以下。
实施例2
实施例4与实施例3的区别在于：对加速度时域信号峰值进行优化，以排除数据偶然误差。
具体的，一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，包括如下步骤：
步骤1：在盾构机刀盘上安装三轴振动传感器，安装时确保三轴振动传感器X、Y、Z三个方向与盾构掘进X、Y、Z三个方向保持一致，其中X方向为盾构掘进方向，Y方向为水平方向，Z方向竖直向下方向；
步骤2：信号采集器实时接收、储存和上传三轴振动传感器采集到的刀盘加速度响应数据；
步骤3：振动分析处理模块基于刀盘加速度响应数据，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
优选的，所述三轴传感器底部设有磁铁基座，所述磁铁基座吸盘在盾构机刀盘上。
优选的，信号采集器设置在盾尾位置，通过无线网络与盾构机操作室连接。
进一步的，步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：首先，通过FFT变换将刀盘加速度响应数据的时域信号转变为频域信号；
步骤3.2：X、Y、Z三个方向上分别绘制频率和加速度在不同时间点的频域曲线；
步骤3.3：提取X、Y、Z三个方向的加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP；
步骤3.4：基于频域曲线和时域信号峰值，通过地层识别方法，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
对加速度时域信号峰值进行优化，以排除数据偶然误差：
Figure BDA0003869400820000071
其中，j是维度，是X,Y,Z中的一个，a为高峰值个数，为常数，b为低峰值个数，为常识，Xjm为加速度时域信号峰值从大到小排列第m个峰值，Xjn为加速度时域信号峰值从小到大排列第n个峰值。
优选的，a＝b＝4。
实施例3
本发明实施例提供了一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，以用于盾构掘进过程中的特征识别。具体包括如下步骤：
S1：如图1，动力响应实时监测分析系统被布置在泥水盾构机上，a为盾构机刀盘，b为刀盘主轴承，c为一个三轴无线振动传感器，通过强力磁铁吸附在盾构机刀盘轴承上，由远东测振(北京)系统工程技术有限公司生产，型号为iVS101，三轴振动传感器用于获取刀盘X、Y、Z三个方向的动力响应数据，其中X方向为盾构掘进方向，Y方向为水平方向，Z方向竖直向下方向；d为信号采集器，悬挂在盾尾位置，通过无线网络与盾构机操作室连接，用于接收、储存和实时上传振动传感器采集到的刀盘加速度响应数据；e为云端数据库，用于实时存储数据，f为振动分析处理模块，由远东测振(北京)系统工程技术有限公司生产，用于实时处理云端数据库中的动力响应数据。
S2：图2为本公开实施例提供的振动传感器细节图，h为强力磁铁基座，可方便快捷的吸附在刀盘轴承上，确保传感器X、Y、Z三个方向与刀盘X、Y、Z三个方向保持一致。
S3：图3为本公开实施例中盾构穿越某地层时振动分析处理模块处理得到的刀盘X、Y、Z三个方向加速度时域曲线。无线振动传感器在0.5s内记录1000个刀盘加速度响应数值，最终传输到振动分析处理模块，为尽可能排除数据的偶然误差，所述振动分析处理模块取时域信号峰值Xp为：
Figure BDA0003869400820000081
其中，Xm1、Xm2、Xm3、Xm4为1000个加速度响应中四个最大值，Xn1、Xn2、Xn3、Xn4、为1000个加速度响应中的四个最小值。
计算得三个方向时域曲线峰值XXP、XYP、XZP分别为3m/s2、4.3m/s2和3.5m/s2，均大于2m/s2。
S4：图4为本公开实施例中盾构穿越某地层时振动分析处理模块通过傅里叶变换得到的频域曲线。从图4中的频域曲线可以看出，Y方向和Z方向的响应频率不同，Y方向存在多个响应频率，而Z方向响应频率在300～400HZ。
S5：图5为本公开实施例提供的一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法的分析流程图，依据该流程图，可快速判断当前盾构掘进地层为上软下硬地层。
S6：确定地层为上软下硬地层，可取采用降低贯入度、降低掘进速度、低贯入度高转速模式掘进等方法，调整掘进参数，控制刀盘X方向加速度响应峰值XXP在100m/s2以下，以降低刀具冲击荷载，减少刀具断裂。
S7：图6为本公开实施例中盾构穿越某地层时开仓检查时掌子面土岩占比情况。Y方向和Z方向岩土体占比差异极大，滚刀破岩荷载在Y方向和Z方向上不同，由此导致刀盘Y方向和Z方向的响应频率不同，Y方向存在多个响应频率，而Z方向响应频率在300～400HZ，这验证了本实施例分析的合理性。
实施例4
S1：图7为本公开实施例中盾构穿越某地层时振动分析处理模块处理得到的刀盘X、Y、Z三个方向加速度时域曲线。无线振动传感器在0.5s内记录1000个刀盘加速度响应数值，最终传输到振动分析处理模块，为尽可能排除数据的偶然误差，所述振动分析处理模块取时域信号峰值Xp为：
Figure BDA0003869400820000091
其中，Xm1、Xm2、Xm3、Xm4为1000个加速度响应中四个最大值，Xn1、Xn2、Xn3、Xn4、为1000个加速度响应中的四个最小值。
计算得三个方向时域曲线峰值XXP、XYP、XZP分别为148.3m/s2、41.5m/s2和20.4m/s2，均大于2m/s2，且同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP。
S2：图8为本公开实施例中盾构穿越某地层时振动分析处理模块通过傅里叶变换得到的频域曲线。从图8中的频域曲线可以看出，Y方向和Z方向的响应频率基本相同，集中在500～1000HZ。
S3：依据图5的分析流程图，可快速判断当前盾构掘进地层为全断面硬岩地层。
S4：确定地层为全断面硬岩地层，可取采用降低贯入度、降低掘进速度、低贯入度高转速模式掘进等方法，调整掘进参数，控制刀盘X方向加速度响应峰值XXP在100m/s2以下，以降低刀具冲击荷载，减少刀具断裂。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在盾构机刀盘上安装三轴振动传感器，安装时确保三轴振动传感器X、Y、Z三个方向与盾构掘进X、Y、Z三个方向保持一致，其中X方向为盾构掘进方向，Y方向为水平方向，Z方向竖直向下方向；
步骤2：信号采集器实时接收、储存和上传三轴振动传感器采集到的刀盘加速度响应数据；
步骤3：振动分析处理模块基于刀盘加速度响应数据，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
2.根据权利要求1所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于：
所述三轴传感器底部设有磁铁基座，所述磁铁基座吸盘在盾构机刀盘上。
3.根据权利要求1所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于：
信号采集器设置在盾尾位置，通过无线网络与盾构机操作室连接。
4.根据权利要求1所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于，步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：首先，通过FFT变换将刀盘加速度响应数据的时域信号转变为频域信号；
步骤3.2：X、Y、Z三个方向上分别绘制频率和加速度在不同时间点的频域曲线；
步骤3.3：提取X、Y、Z三个方向的加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP；
步骤3.4：基于频域曲线和时域信号峰值，通过地层识别方法，识别全断面硬岩石、上软下硬地层、黏土地层和断层破碎带4种不同特征的地层，并进行动态调整。
5.根据权利要求4所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于，地层识别方法包括：
①当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域不同，判定地层为上软下硬地层；
②当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP均小于加速度阈值，则判定地层为黏土地层；
③当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP中存在一个或多个大于加速度阈值，同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP，则判定地层为全断面硬岩地层；
④当Y、Z两个方向加速度响应频率集中区域相同，且加速度时域信号峰值XXP、XYP、XZP中存在一个或多个大于加速度阈值，不同时满足XXP＞XYP、XXP＞XZP，则判定地层为断层破碎带地层。
6.根据权利要求5所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于，响应频率集中区域的确认包括如下步骤：
步骤A：找出响应频率中峰值大小超过平均响应频率k倍的高峰值点，其中k为接受倍数，k＞1，为预设常数；
步骤B：分别计算步骤A中相邻的高峰值点之间的距离；
步骤C：找出相邻的高峰值点之间的距离超过距离阈值的待评高峰值点；
步骤D：判断待评高峰值点在高峰值中位点的左侧还是右侧；
步骤E：对于左侧的待评高峰值点，去除位于相邻高峰值点左侧的待评高峰值点；对于右侧的待评高峰值点，去除位于相邻高峰值点右侧的待评高峰值点；
步骤F：剩余的待评高峰值点中找到最大点和最小点，最小点和最大点之间的区域即为响应频率集中区域。
7.根据权利要求4所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于，
对加速度时域信号峰值进行优化，以排除数据偶然误差：
Figure FDA0003869400810000021
其中，j是维度，是X,Y,Z中的一个，a为高峰值个数，为常数，b为低峰值个数，为常识，Xjm为加速度时域信号峰值从大到小排列第m个峰值，Xjn为加速度时域信号峰值从小到大排列第n个峰值。
8.根据权利要求7所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于：a＝b＝4。
9.根据权利要求1所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于:
当地层判定为全断面硬岩石、上软下硬地层或断层破碎带时，采用降低贯入度、降低掘进速度或低贯入度高转速模式掘进方法，以降低刀具冲击荷载，减少刀具断裂；当地层判定为黏土地层，采用降低刀盘转速的方式降低刀盘温度场，以减少刀盘泥饼。
10.根据权利要求9所述一种基于刀盘动力响应的地层特征实时识别与掘进参数动态调整方法，其特征在于：当地层判定为全断面硬岩石、上软下硬地层或断层破碎带时，控制刀盘X方向加速度响应峰值XXP在100m/s2以下。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116304843A (zh) * 2023-05-22 2023-06-23 湖南大学 基于振动响应实时识别盾构机前方地质条件的方法及系统
CN118070567A (zh) * 2024-04-18 2024-05-24 安徽省交通控股集团有限公司 基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制系统及方法

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