WO2019140794A1 - 一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法 - Google Patents

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WO2019140794A1 PCT/CN2018/082597 CN2018082597W WO2019140794A1 WO 2019140794 A1 WO2019140794 A1 WO 2019140794A1 CN 2018082597 W CN2018082597 W CN 2018082597W WO 2019140794 A1 WO2019140794 A1 WO 2019140794A1
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total thrust
tunneling
main control
shield
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张茜
周思阳
亢一澜
蔡宗熙
侯振德
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天津大学
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Definitions

  • the invention relates to a calculation method for the total thrust of a shield tunneling.
  • it relates to a method for calculating the total thrust of shield tunneling based on dimensional analysis.
  • the shield construction method has been widely used due to its characteristics of safety, speed and quality.
  • the total thrust of the shield tunnel is used to support the forward advancement of the equipment and is an important performance parameter in the shield equipment.
  • the predicted total thrust force given by the tunnel diameter, construction environment and heading state can provide guidance for the forward design of the equipment and provide a basis for the regulation range of the total thrust during the tunneling process;
  • the propulsion system provides Improper power control can result in accidents such as damage to important mechanical components or surface collapse.
  • the calculation method of the total thrust of the shield tunneling mainly focuses on the geometric configuration, the loaded state and the constitutive equation of the various components of the shield.
  • problems such as assumptions and approximations in the estimation process.
  • the friction coefficient between the interfaces should be assumed in the calculation process.
  • the theoretical modeling assumes that the soil pressure varies linearly along the buried depth, but The complex geological structure and the disturbance of the tunnel due to tunnel excavation, the distribution of the earth pressure received by the equipment is not linear along the buried depth.
  • the physical and mechanical properties are deeply affected by soil composition, water content, geological structure and other factors.
  • the soil constitutive model can only simulate the main characteristics of a certain soil under certain loading conditions. There is no accurate constitutive relationship to describe the mechanical properties of the load in actual engineering. These problems will lead to inaccurate estimation of the total thrust of the tunneling. Improper total thrust control will seriously reduce the construction efficiency and even lead to accidents such as card shields and stratum collapse.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a calculation method for the total thrust of the shield tunneling which can provide the basis for controlling the parameters of the tunnelling equipment through dimensional analysis and statistical tools.
  • the technical solution adopted by the invention is: a method for calculating the total thrust of shield tunneling based on dimensional analysis, comprising the following steps:
  • the parameters affecting the total thrust of the excavation described in step 1) include: F, unit: kN is the total thrust of the excavation; E, unit: kpa is the elastic modulus of the soil; ⁇ , unit: kN/m 3 is the bulk density of the soil; , unit: m is the tunnel depth; l, unit: m is the length of the shield; v, unit: m / s is the tunneling speed; K 0 is the static earth pressure coefficient; p e , unit: kpa is the earth chamber pressure; , unit: m is the shield diameter; ⁇ , unit: r / min for the cutter wheel speed.
  • step 2) There are three main control items in step 2): I 1 , I 2 , I 3 , a dimensionless total thrust
  • I 1 , I 2 , I 3 a dimensionless total thrust
  • K 0 is the static earth pressure coefficient
  • E unit: kpa is the soil elastic modulus
  • D unit: m is the shield diameter
  • v unit: m/s is the tunneling speed
  • ⁇ unit: r/min is the cutter wheel speed
  • l unit: m is the shield length
  • H unit: m is the tunnel depth
  • F unit: kN, for the total thrust of the tunneling.
  • the first column in the matrix I represents the main control item I 1
  • the second column in the matrix I represents the main control item I 2
  • the third column in the matrix I represents the main control item I 3
  • the first to nth rows correspond to the first to nth samples in the engineering data in turn according to the three main control items I 1 , I 2 , I 3 and the dimensionless total thrust The calculated value of the formula.
  • Step 5) includes: multiplying the main control coefficient identification results ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 by the three main control items I 1 , I 2 , and I 3 respectively, and obtaining a calculation model of the total thrust F of the tunneling is as follows:
  • K 0 is the static earth pressure coefficient
  • E unit: kpa is the soil elastic modulus
  • D unit: m is the shield diameter
  • v unit: m/s is the tunneling speed
  • ⁇ unit: r/min is the cutter wheel speed
  • l unit: m is the shield length
  • H unit: m is the tunnel depth
  • F unit: kN, for the total thrust of the tunneling.
  • the invention relates to a method for calculating the total thrust of shield tunneling based on dimensional analysis, which is fast and accurate for calculating the total thrust during underground equipment excavation. Because the influence of core factors such as geological environment, operating state and equipment structure is comprehensively considered on the basis of the principle of dimensional consistency, the calculation results are accurate and reliable. Moreover, the total thrust parameters can be flexibly adjusted according to the geological conditions and the driving speed, which provides a reliable data basis for the design of the power system of the roadheader and the setting and real-time adjustment of the thrust parameters during the construction process.
  • a method for calculating total thrust of shield tunneling based on dimensional analysis of the present invention comprises the following steps:
  • K 0 is the static earth pressure coefficient
  • ⁇ unit: kN/m 3
  • E unit: kpa
  • D unit: m
  • e unit: kpa
  • v unit: m/s
  • H unit:m
  • H unit :m
  • F unit: kN, is the total thrust of the tunnel.
  • the first column in the matrix I represents the main control item I 1
  • the second column in the matrix I represents the main control item I 2
  • the third column in the matrix I represents the main control item I 3
  • the first to nth rows correspond to the first to nth samples in the engineering data in turn according to the three main control items I 1 , I 2 , I 3 and the dimensionless total thrust The calculated value of the formula.
  • the calculation model of the total thrust of the tunneling is obtained.
  • K 0 is the static earth pressure coefficient
  • ⁇ unit: kN/m 3
  • E unit: kpa
  • D unit: m
  • e unit: kpa
  • v unit: m/s
  • H unit:m
  • H unit :m
  • F unit: kN, is the total thrust of the tunnel.
  • F unit: kN
  • E unit: kpa
  • ⁇ unit: kN/m 3
  • H unit: m
  • H unit: m
  • l unit: m
  • v unit: m/s
  • K 0 is the static earth pressure coefficient
  • p e unit: kpa
  • D unit: m
  • ⁇ unit: r / min
  • I 1 , I 2 , and I 3 on the left side of the equation are three main control items.
  • K 0 is the static earth pressure coefficient
  • ⁇ unit: kN/m 3
  • E unit: kpa
  • D unit: m is the shield diameter
  • e unit: kpa
  • v unit: m/s, for tunneling speed
  • ⁇ unit: r/min
  • l unit: m, for shield length
  • H unit :m, the depth of the tunnel
  • F unit: kN, is the total thrust of the tunnel.
  • the main control items I 1 , I 2 , and I 3 are used as independent variables, and the total thrust is dimensionless.
  • the first column in the matrix I represents the main control item I 1
  • the second column in the matrix I represents the main control item I 2
  • the third column in the matrix I represents the main control item I 3 .
  • Matrix I and vector The first to nth lines correspond to the values calculated by the first to nth samples in the project data according to the equation (1-4).
  • the coefficient identification result of the main control item is as follows:
  • the size of the total thrust F of the shield tunneling can be obtained as follows:

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Abstract

一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，包括：确定影响掘进总推力的参数；计算主控项及无量纲化总推力大小；将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。该方法对于地下装备掘进过程中的总推力计算快速准确。由于在满足量纲一致性原则的基础上，综合考虑地质环境、操作状态、装备结构等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度等的改变灵活调整总推力参数，为掘进机装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

Description

一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法 技术领域
本发明涉及一种盾构掘进总推力的计算方法。特别是涉及一种基于量纲分析的盾构掘进总推力的计算方法。
背景技术
近些年来，随着隧道及地下空间工程的快速发展，盾构施工法凭借安全、快速、优质等特点得到广泛应用。盾构的掘进总推力用于支持装备向前推进，是盾构装备中重要的性能参数。一方面，根据隧道直径、施工环境及掘进状态给出的掘进总推力预测值可以为装备正向设计提供指导，并为掘进过程中总推力的调控范围提供依据；另一方面，推进系统提供的动力控制不当可能导致重要机械部件损坏或地表塌陷等事故。
目前盾构掘进总推力的计算方法主要围绕盾构各个部件的几何构型、受载状态与本构方程进行受力分析。为满足理想的理论建模条件，预估过程中会存在假定与近似等问题。比如为确定盾壳所受摩擦阻力大小，在计算过程中需假定界面间的摩擦系数，为确定护盾与周围地层的接触压力，理论建模会假定土压力沿埋深呈线性变化，但由于复杂的地质构造以及隧道开挖对地层的扰动，装备所受土压力的分布形式并非沿埋深呈线性关系。而且对于土体这类复杂材料，由于其物理力学性质深受土体成分、含水量、地质构造等因素影响，目前土体本构模型都只能模拟某种加载条件下某类土的主要特性，尚未有准确的本构关系来描述其在实际工程中受载的力学性质。这些问题都将导致掘进总推力预估不准确，总推力控制不当会严重降低施工效率，甚至导致出现卡盾、地层塌陷等事故。
近年来，基于数据的各类挖掘算法可为海量工程数据反演识别分析及建模提供有力的技术条件。然而，现阶段数据挖掘手段如决策树、粒子群、遗传算法等均属于“输入-输出”的黑箱模型，无法解释内在因果关系。因此难以得到问题的共性解答，难以为盾构掘进总推力建立普适性高的预测模型。
所以，建立一种准确的、普适性高的盾构掘进总推力预测方法，已成为本行业之急需。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，通过量纲分析以及统计工具，提供一种能够提供隧道掘进装备参数控制依据的盾构掘进总推力的计算方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，包括如下步骤：
1)确定影响掘进总推力的参数；
2)计算主控项及无量纲化总推力大小；
3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；
4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；
5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。
步骤1)所述的影响掘进总推力的参数包括：F,单位:kN为掘进总推力；E,单位:kpa为土体弹性模量；γ,单位:kN/m 3为土体容重；H,单位:m为隧道埋深；l,单位:m为盾构长度；v,单位:m/s为掘进速度；K 0为静止土压力系数；p e,单位:kpa为土舱压力；D,单位:m为盾构直径；ω,单位:r/min为刀盘转速。
步骤2)所述的主控项有3个：I 1、I 2、I 3，一个无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000001
具体计算公式如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000002
Figure PCTCN2018082597-appb-000003
Figure PCTCN2018082597-appb-000004
Figure PCTCN2018082597-appb-000005
式中，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；p e,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转速；l,单位:m为盾构长度；H,单位:m为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
步骤4)包括：将三个主控项I 1、I 2、I 3作为自变量，无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000006
作为因变量，利用线性回归方法，得到主控项的系数α＝[α 1,α 2,α 3] T的识别计算式如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000007
上式中的矩阵I与向量
Figure PCTCN2018082597-appb-000008
含义如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000009
矩阵I中第1列代表主控项I 1、矩阵I中第2列代表主控项I 2、矩阵I中第3列代表主控项I 3，矩阵I与向量
Figure PCTCN2018082597-appb-000010
的第1～n行依次对应工程数据中第1～n个样本依据3个主控项I 1、I 2、I 3和无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000011
的计算公式所计算的值。
步骤5)包括：将主控项系数识别结果α 1、α 2、α 3与三个主控项I 1、I 2、I 3分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000012
式中，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；p e,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转速；l,单位:m为盾构长度；H,单位:m为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
本发明的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，对于地下装备掘进过程中的总推力计算快速准确。由于在满足量纲一致性原则的基础上，综合考虑地质环境、操作状态、装备结构等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度等的改变灵活调整总推力参数，为掘进机装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法做出详细说明。
本发明的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，包括如下步骤：
1)确定影响掘进总推力的参数；包括：F,单位:kN，为掘进总推力；E,单位:kpa，为土体弹性模量；γ,单位:kN/m 3，为土体容重；H,单位:m，为隧道埋深；l,单位:m，为盾构长度；v,单位:m/s，为掘进速度；K 0为静止土压力系数；p e,单位:kpa，为土舱压力；D,单位:m，为盾构直径；ω,单位:r/min，为刀盘转速。
2)计算主控项及无量纲化总推力大小；包括：计算3个主控项I 1、I 2、I 3，一个无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000013
具体计算公式如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000014
Figure PCTCN2018082597-appb-000015
Figure PCTCN2018082597-appb-000016
Figure PCTCN2018082597-appb-000017
式中，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3，为土体容重；E,单位:kpa，为土体弹性模量；D,单位:m，为盾构直径；p e,单位:kpa，为土舱压力；v,单位:m/s，为掘进速度；ω,单位:r/min，为刀盘转速；l,单位:m，为盾构长度；H,单位:m，为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；
4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；包括：
将三个主控项I 1、I 2、I 3作为自变量，无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000018
作为因变量，利用线性回归方法，得到主控项的系数α＝[α 1,α 2,α 3] T的识别计算式如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000019
上式中的矩阵I与向量
Figure PCTCN2018082597-appb-000020
含义如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000021
矩阵I中第1列代表主控项I 1、矩阵I中第2列代表主控项I 2、矩阵I中第3列代表主控项I 3，矩阵I与向量
Figure PCTCN2018082597-appb-000022
的第1～n行依次对应工程数据中第1～n个样本依据3个主控项I 1、I 2、I 3和无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000023
的计算公式所计算的值。
5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。包括：
将主控项系数识别结果α 1、α 2、α 3与三个主控项I 1、I 2、I 3分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000024
式中，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3，为土体容重；E,单位:kpa，为土体弹性模量；D,单位:m，为盾构直径；p e,单位:kpa，为土舱压力；v,单位:m/s，为掘进速度；ω,单位:r/min，为刀盘转速；l,单位:m，为盾构长度；H,单位:m，为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
下面给出具体实例：
下面结合实施例对本发明的总推力的计算方法做出详细说明。具体步骤如下：
1、列出影响掘进总推力F的参数及具体数值：
F E γ H l v K 0 p e D ω
8910.00 30000 15.00 9.50 9.00 38.57 0.31 162.94 6.34 1.15
11150.00 62940 19.41 9.10 9.00 34.29 0.36 151.18 6.34 1.17
9370.00 41760 16.18 9.40 9.00 42.86 0.32 132.35 6.34 1.24
8520.00 32350 15.59 10.40 9.00 44.29 0.35 137.06 6.34 1.19
10000.00 51180 16.76 10.20 9.00 41.43 0.30 134.71 6.34 1.09
上表中，F,单位:kN，为掘进总推力；E,单位:kpa，为土体弹性模量；γ,单位:kN/m 3，为土体容重；H,单位:m，为隧道埋深；l,单位:m，为盾构长度；v,单位:m/s，为掘进速度；K 0为静止土压力系数；p e,单位:kpa，为土舱压力；D,单位:m，为盾构直径；ω,单位:r/min，为刀盘转速。
2、根据1-4式和上表中各参数，分别计算主控项及无量纲化总推力大小。其中，等式左边的I 1、I 2、I 3为三个主控项，
Figure PCTCN2018082597-appb-000025
为无量纲化推力。等式右边，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3，为土体容重；E,单位:kpa，为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；p e,单位:kpa，为土舱压力；v,单位:m/s，为掘进速度；ω,单位:r/min，为刀盘转速；l,单位:m，为盾构长度；H,单位:m，为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
Figure PCTCN2018082597-appb-000026
Figure PCTCN2018082597-appb-000027
Figure PCTCN2018082597-appb-000028
Figure PCTCN2018082597-appb-000029
3、将按1-4式计算得到的值汇总，如下表所示：
Figure PCTCN2018082597-appb-000030
4、将主控项I 1、I 2、I 3作为自变量，无量纲化总推力
Figure PCTCN2018082597-appb-000031
作为因变量，利用线性回归方法，得到主控项的系数α＝[α 1,α 2,α 3] T的识别计算式如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000032
式中的矩阵I与向量
Figure PCTCN2018082597-appb-000033
含义如下：
Figure PCTCN2018082597-appb-000034
矩阵I中第1列代表主控项I 1、矩阵I中第2列代表主控项I 2、矩阵I中第3列代表主控项I 3。矩阵I与向量
Figure PCTCN2018082597-appb-000035
的第1～n行依次对应工程数据中第1～n个样本依据式(1-4)计算的值。从而得到主控项的系数识别结果如下：
α 1＝7.41×10 -3α 2＝2.10×10 -1α 3＝-2.13×10 -2
5、将主控项系数识别结果α 1、α 2、α 3与三个主控项I 1、I 2、I 3分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型，如下式所示：
Figure PCTCN2018082597-appb-000036
将如下表所示的工程数据：
E γ H l v K 0 p e D ω
25000 21.00 10.50 8.00 30.60 0.50 150.60 6.80 1.10
带入式(7)可得盾构掘进总推力F的大小如下：
F＝9774.31(kN)。

Claims (5)

  1. 一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
    1)确定影响掘进总推力的参数；
    2)计算主控项及无量纲化总推力大小；
    3)将计算得到的主控项及无量纲化总推力汇总列表；
    4)利用线性回归方法，得到主控项的系数识别；
    5)根据主控项的系数识别结果，得到掘进总推力的计算模型。
  2. 根据权利要求1所述的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，步骤1)所述的影响掘进总推力的参数包括：F,单位:kN为掘进总推力；E,单位:kpa为土体弹性模量；γ,单位:kN/m 3为土体容重；H,单位:m为隧道埋深；l,单位:m为盾构长度；v,单位:m/s为掘进速度；K 0为静止土压力系数；p e,单位:kpa为土舱压力；D,单位:m为盾构直径；ω,单位:r/min为刀盘转速。
  3. 根据权利要求1所述的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，步骤2)所述的主控项有3个：I 1、I 2、I 3，一个无量纲化总推力
    Figure PCTCN2018082597-appb-100001
    具体计算公式如下：
    Figure PCTCN2018082597-appb-100002
    Figure PCTCN2018082597-appb-100003
    Figure PCTCN2018082597-appb-100004
    Figure PCTCN2018082597-appb-100005
    式中，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；p e,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转速；l,单位:m为盾构长度；H,单位:m为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
  4. 根据权利要求1所述的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，
    步骤4)包括：
    将三个主控项I 1、I 2、I 3作为自变量，无量纲化总推力
    Figure PCTCN2018082597-appb-100006
    作为因变量，利用线性回归方法，得到主控项的系数α＝[α 1,α 2,α 3] T的识别计算式如下：
    Figure PCTCN2018082597-appb-100007
    上式中的矩阵I与向量
    Figure PCTCN2018082597-appb-100008
    含义如下：
    Figure PCTCN2018082597-appb-100009
    矩阵I中第1列代表主控项I 1、矩阵I中第2列代表主控项I 2、矩阵I中第3列代表主控项I 3，矩阵I与向量
    Figure PCTCN2018082597-appb-100010
    的第1～n行依次对应工程数据中第1～n个样本依据3个主控项I 1、I 2、I 3和无量纲化总推力
    Figure PCTCN2018082597-appb-100011
    的计算公式所计算的值。
  5. 根据权利要求1所述的一种基于量纲分析的盾构掘进总推力计算方法，其特征在于，步骤5)包括：
    将主控项系数识别结果α 1、α 2、α 3与三个主控项I 1、I 2、I 3分别相乘，得到掘进总推力F的计算模型如下：
    Figure PCTCN2018082597-appb-100012
    式中，K 0为静止土压力系数；γ,单位:kN/m 3为土体容重；E,单位:kpa为土体弹性模量；D,单位:m为盾构直径；p e,单位:kpa为土舱压力；v,单位:m/s为掘进速度；ω,单位:r/min为刀盘转速；l,单位:m为盾构长度；H,单位:m为隧道埋深；F,单位:kN，为掘进总推力。
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