CN117744450B - 一种盾构掘进过程模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种盾构掘进过程模拟方法，属于隧道盾构技术领域。本申请通过构建推进系统的简化模型，并以简化模型为基础进行有限元模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在液压油缸推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程；在计算中，根据前一次的模拟结果实时进行网格更新，由于盾构机继承了前次模拟的位置和姿态，避免了现有技术中基于离散时间步的模拟方法无法重现盾构运动连续性的缺陷，具有模拟由液压油缸推进系统驱动的盾构连续掘进过程的能力。
Description
技术领域
本申请属于隧道盾构技术领域，具体涉及一种盾构掘进过程模拟方法。
背景技术
为分析盾构掘进过程中的机-土相互作用，现有研究已开发了大量的数值模型。相关技术中，尚未出现能够准确还原推进系统复杂机构特性的模型或建模方法。此外，在现有的盾构掘进过程模拟中，通常将盾构机的运动轨迹按照设计的隧道轴线进行预先定义，然后沿着该轨迹进行网格离散化，通过逐步的网格停用、激活来模拟其开挖、掘进过程。这种模拟方法中，没有对推进系统进行模拟，仅仅能够反映土压平衡盾构机在各个离散时间步下的状态，但是无法反映由推进系统驱动的连续盾构掘进运动，从而导致现有的数值模型难以分析现实中复杂的机-土相互作用。
因此，实有必要提供一种盾构掘进过程模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本申请提供一种盾构掘进过程模拟方法，通过构建推进系统的简化模型，并以简化模型为基础进行有限元模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在液压油缸推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程；在计算中，根据前一次的模拟结果实时进行网格更新，由于盾构机继承了前次模拟的位置和姿态，避免了现有技术中基于离散时间步的模拟方法无法重现盾构运动连续性的缺陷，具有模拟由液压油缸推进系统驱动的盾构连续掘进过程的能力。
为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：
一种盾构掘进过程模拟方法，包括如下步骤：
S1：构建土压平衡盾构机模型，包括盾体单元、推进系统单元、刀盘单元及土舱单元，其中，所述推进系统单元采用4-SPS并联机构来简化代替土压平衡盾构机内由多个液压油缸组成的推进系统，所述4-SPS并联机构包括4根SPS运动链，用于表征多个液压油缸分组划分形成的四个分区，单根所述SPS运动链包括依次连接的第一球铰、棱柱关节及第二球铰，所述第一球铰用于表征所述液压油缸与盾体中压力隔板的铰接关系，所述棱柱关节用于表征所述液压油缸的伸缩特性，第二球铰用于表征所述液压油缸与管片的铰接关系；
S2：构建土舱压力预测算法，预测土舱单元内的压力，模拟土舱压力的空间变异性，所述土舱压力预测算法表示为：
P(θ,r)=[ a+bcos(θ)+csin(θ)+dcos (2θ)]g(r)；
式中，P(θ,r)表示土舱单元内的预测压力；θ、r分别表示以土舱单元几何中心为极点，竖直向上为极轴的极坐标系中的极角和极径；g(r)表示径向系数；a、b、c、d分别表示均值项、上下梯度项、左右梯度项及局部异质项的特征系数；
S3：基于有限元分析方法，按照设计的隧道轴线预定义土压平衡盾构机的运行轨迹，沿着所述运行轨迹对土压平衡盾构机模型及周围地层土体进行网格离散化，得到初始网格，进行一次有限元模拟，获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性；所述推进系统单元执行推进功能后，从所述初始网格中提取掌子面边界和围岩边界，在掌子面边界和围岩边界所描绘的地面域中生成一组新网格，将前次有限元模拟中的土压平衡盾构机模型网格导入至新网格，并将前次有限元模拟输出数据库中记录的解变量映射到新网格中，进行新一次有限元模拟，重新获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性。
优选的，所述推进系统共包括24个驱动油缸，按照4：6：8：6的比例划分为四个分区，每个分区内的多个液压油缸油路共享互连，每个分区由一根所述SPS运动链来简化代替。
优选的，在对所述土压平衡盾构机模型进行有限元模拟时，将一个分区内液压油缸区域的中点定义为参考点，以位于压力隔板和管片上相对应的两个参考点来建立连接单元，连接单元相对参考点自由旋转，通过连接单元的轴向伸长量来模拟液压油缸的推进。
优选的，步骤S3中，在网格映射完成之后，执行一个平衡步，以避免数值不收敛。
优选的，步骤S2中，特征系数a、b、c、d通过机器学习的方式预测得到。
本申请的有益效果在于：
（1）通过构建推进系统的简化模型，并以简化模型为基础进行有限元模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程；
（2）在计算过程中，根据前一次的模拟结果实时的对网格进行更新，由于继承了前次模拟的位置和姿态，避免了现有技术中基于离散时间步的模拟方法无法重现盾构运动连续性的缺陷，使得该方法具有模拟连续盾构掘进过程的能力；
（3）划分的网格在实时更新，可以避免网格出现较大扭曲变形导致的计算中断。
附图说明
图1表示土压平衡盾构机中推进系统的结构示意图；
图2表示图1所示推进系统的简化模型；
图3表示图2所示简化模型的有限元模型；
图4表示总推力预测与实测数据的对比图；
图5表示各分区油缸压力预测与实测数据的对比图；
图6表示盾构掘进过程中的有限元模拟示意图；
图7表示网格映射的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请结合参阅图1-图7，土压平衡盾机采用的是封闭式盾构的方式，其掘进过程主要包括如下几个过程：
（1）推进系统提供驱动力，驱动土压平衡盾构机推进；
（2）推进过程中，前端刀盘旋转掘削地层土体；
（3）切削下来的土体进入土舱，当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土压基本平衡，使得掘削面与盾构面处于平衡状态。
本申请提供一种盾构掘进过程模拟方法，对上述三个过程进行模拟，所述模拟方法具体包括如下步骤：
S1：构建土压平衡盾构机模型，包括盾体单元、推进系统单元、刀盘单元及土舱单元，其中，所述推进系统单元采用4-SPS并联机构来简化代替土压平衡盾构机内由多个液压油缸组成的推进系统，所述4-SPS并联机构包括4根SPS运动链，用于表征多个液压油缸分组划分形成的四个分区，单根所述SPS运动链包括依次连接的第一球铰、棱柱关节及第二球铰，所述第一球铰用于表征所述液压油缸与盾体中压力隔板的铰接关系，所述棱柱关节用于表征所述液压油缸的伸缩特性，第二球铰用于表征所述液压油缸与管片的铰接关系。
请参阅图1，图1表示所述推进系统的结构示意图，所述推进系统作为土压平衡盾构机的动力源，用于驱动土压平衡盾构机推进。所述推进系统包括多个呈环形布置的液压油缸，所述液压油缸的前端通过一个球铰与压力隔板相连，后端通过撑靴作用在管片上。从机构运动学的角度来看，所述液压油缸的两端可以看作球铰关节（S），所述液压油缸由缸体和活塞杆组成，可以看作是棱柱关节（P），因此可以将所述推进系统简化为S-P-S机构进行研究，得到的简化模型如图2所示。
为了对所述棱柱关节两端的两个球铰进行区分，将两个球铰分别定义为第一球铰和第二球铰，其中，所述第一球铰用于表征所述液压油缸与盾体中压力隔板的铰接关系，第二球铰用于表征所述液压油缸与管片的铰接关系。
在实际工程应用中，多个所述液压油缸通常采用分区控制策略，即将所有的液压油缸分为几个分区，每个分区内的多个液压油缸油路共享互连，使得每个分区内的多个液压油缸可以保持相同的压力和行程。具体的，在本实施方式中，推进系统共包括24个驱动油缸，按照4：6：8：6的比例划分为A、B、C、D四个分区，每个分区由一根所述SPS运动链来简化代替，可以极大的简化模拟量。
在有限元模拟过程中，将一个分区内液压油缸区域的中点定义为参考点，以位于压力隔板和管片上相对应的两个参考点来建立连接单元，连接单元相对参考点自由旋转，保留了液压油缸端部支撑的铰接特性，液压油缸的推进是通过连接单元的轴向伸长来模拟的，其伸长量大小通过实测数据中每个分区油缸的行程来校准。
通过对推进系统的简化模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程。具体而言，在本实施方式中，通过对推进系统的简化模拟，可以预测土压平衡盾构机的总推力和各分区液压油缸的压力。
通过从某市地铁6号线项目收集的数据对所提出的建模方法进行了定量评估。结果表明，通过简化模型可准确预测盾构施工荷载，包括总推力、各分区油缸压力，其平均相对误差(MRE)分别为5.8%、9.6%，分别如图4、图5所示。此外，采用本申请提供的简化模型还可以准确再现分组油缸压力的分布模式，突显了简化模型在捕捉盾构姿态变化中机-土相互作用方面的潜力。
S2：构建土舱压力预测算法，预测土舱单元内的压力，模拟土舱压力的空间变异性，所述土舱压力预测算法表示为：
P(θ,r)=[ a+bcos(θ)+csin(θ)+dcos (2θ)]g(r)；
式中，P(θ,r)表示土舱单元内的预测压力；θ、r分别表示以土舱单元几何中心为极点，竖直向上为极轴的极坐标系中的极角和极径；g(r)表示径向系数；a、b、c、d分别表示均值项、上下梯度项、左右梯度项及局部异质项的特征系数。
土舱压力存在有上下梯度和左右差异的一般规律，对盾构掘进过程中收集的土舱压力历史值进行分析发现：土舱压力的空间分布存在上下梯度和左右差异，上下梯度一般表现为上部土舱压力比下部土舱压力小，左右差异一般表现为刀盘逆时针旋转时，左侧土舱压力大于右侧土舱压力。因此可以在土舱断面的不同位置来布置压力传感器，根据压力传感器的测量值，以三角函数来刻画土舱压力的变化规律。
本申请提供的土舱压力预测算法中共包括四项：第一项为定值，不随角度发生变化，用于描述土舱压力的平均值；第二项随着角度的增加呈现先增大后减小的趋势，用于描述土舱压力的上下梯度；第三项随着角度的增加而增加，用于描述土舱压力的左右梯度；第四项随着角度的增加而波动，用于描述土舱压力的不均匀性。
为了保证压力测量的准确性，压力传感器的设置数量一般为六个，而本申请的土舱压力预测算法将六个土舱压力传感器的数据进行拟合，使得六个传感器的压力值转换为了a、b、c、d四个系数，降低了预测数据的维度，使预测结果更具有物理意义。
特征系数a、b、c、d通过机器学习的方式预测得到，具体而言：构建土舱压力预测算法后，将施工现场采集的施工数据输入到深度学习模型进行训练，训练完成后，输入任意时刻的施工数据，可以输出特征系数a、b、c、d的预测值。例如，公开号为CN114861289A的专利申请公开了一种基于深度学习的盾构机土舱压力空间分布预测方法，并具体公开了一种CNN-GRU混合模型，采用其公开的CNN-GRU混合模型进训练，即可得到特征系数a、b、c、d的预测值。
S3：基于有限元分析方法，按照设计的隧道轴线预定义土压平衡盾构机的运行轨迹，沿着所述运行轨迹对土压平衡盾构机模型及周围地层土体进行网格离散化，得到初始网格，进行一次有限元模拟，获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性；所述推进系统单元执行推进功能后，从所述初始网格中提取掌子面边界和围岩边界，在掌子面边界和围岩边界所描绘的地面域中生成一组新网格，将前次有限元模拟中的土压平衡盾构机模型网格导入至新网格，并将前次有限元模拟输出数据库中记录的解变量映射到新网格中，进行新一次有限元模拟，重新获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性。
在掘进过程中，刀盘旋转对掌子面上的土体进行掘削，使得掌子面和围岩边界以外的土体受到挤压产生变形，因此在有限元模拟过程中，随着计算的推进，初始网格会出现一定的扭曲变形形成畸变，当畸变量过大时，会导致计算提前中断，使得对土体应力应变的预测无法完成。为了解决该种问题，本申请通过网格映射的方式，从初始网格中提取掌子面边界和围岩边界，在二者围成的地面域中重新划分网格，将中断时的网格节点数据映射到新的网格节点上，继续进行计算，由于重构了网格，在后续的计算过程中不会出现大的畸变和因此导致的不收敛情况发生。同时，由于进行新一次有限元模拟的数据从前一次有限元模拟的输出数据中导入，很好的继承了之前的位置和姿态，使得该方法具有模拟连续盾构掘进过程的能力。在网格映射完成之后，执行一个平衡步，以避免数值不收敛等问题。
本申请在现有有限元模拟的技术上融合了网格解映射技术来模拟刀盘掘削过程，在确保刀盘-掌子面网格兼容性的同时，避免了地层土体挖掘过程中应力历史数据的丢失。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (5)
1.一种盾构掘进过程模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建土压平衡盾构机模型，包括盾体单元、推进系统单元、刀盘单元及土舱单元，其中，所述推进系统单元采用4-SPS并联机构来简化代替土压平衡盾构机内由多个液压油缸组成的推进系统，所述4-SPS并联机构包括4根SPS运动链，用于表征多个液压油缸分组划分形成的四个分区，单根所述SPS运动链包括依次连接的第一球铰、棱柱关节及第二球铰，所述第一球铰用于表征所述液压油缸与盾体中压力隔板的铰接关系，所述棱柱关节用于表征所述液压油缸的伸缩特性，第二球铰用于表征所述液压油缸与管片的铰接关系；
S2：构建土舱压力预测算法，预测土舱单元内的压力，模拟土舱压力的空间变异性，所述土舱压力预测算法表示为：
P(θ,r)=[ a+bcos(θ)+csin(θ)+dcos (2θ)]g(r)；
式中，P(θ,r)表示土舱单元内的预测压力；θ、r分别表示以土舱单元几何中心为极点，竖直向上为极轴的极坐标系中的极角和极径；g(r)表示径向系数；a、b、c、d分别表示均值项、上下梯度项、左右梯度项及局部异质项的特征系数；
S3：基于有限元分析方法，按照设计的隧道轴线预定义土压平衡盾构机的运行轨迹，沿着所述运行轨迹对土压平衡盾构机模型及周围地层土体进行网格离散化，得到初始网格，进行一次有限元模拟，获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性；所述推进系统单元执行推进功能后，从所述初始网格中提取掌子面边界和围岩边界，在掌子面边界和围岩边界所描绘的地面域中生成一组新网格，将前次有限元模拟中的土压平衡盾构机模型网格导入至新网格，并将前次有限元模拟输出数据库中记录的解变量映射到新网格中，进行新一次有限元模拟，重新获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性。
2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述推进系统共包括24个驱动油缸，按照4：6：8：6的比例划分为四个分区，每个分区内的多个液压油缸油路共享互连，每个分区由一根所述SPS运动链来简化代替。
3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在对所述土压平衡盾构机模型进行有限元模拟时，将一个分区内液压油缸区域的中点定义为参考点，以位于压力隔板和管片上相对应的两个参考点来建立连接单元，连接单元相对参考点自由旋转，通过连接单元的轴向伸长量来模拟液压油缸的推进。
4.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤S3中，在网格映射完成之后，执行一个平衡步，以避免数值不收敛。
5.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤S2中，特征系数a、b、c、d通过机器学习的方式预测得到。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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