復(fù)合地層情況下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選擇技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種復(fù)合地層情況下盾構(gòu)掘進(jìn) 參數(shù)的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制一直是隧道施工技術(shù)人員關(guān)屯、的問題。上軟下硬的復(fù) 合地層掘進(jìn)過程中，最大危害是由于掘進(jìn)參數(shù)選擇不當(dāng)，上面的軟±容易造成超挖，盾構(gòu)開 挖面內(nèi)外壓力不平衡，導(dǎo)致地面嚴(yán)重沉降，甚至發(fā)生事故。所W建立復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參 數(shù)的模型并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)于保證復(fù)合地層下盾構(gòu)施工的掘進(jìn)速 度與安全具有重要的意義。
[0003] 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究與試驗(yàn)?，F(xiàn)有技術(shù)通過模型試 驗(yàn)和理論研究，提出了±壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)學(xué)物理模型、各個(gè)參數(shù)間關(guān)系W及刀盤扭矩 的計(jì)算公式;張厚美等通過對(duì)±壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析建立了掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)學(xué)模 型；賈科通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)與合理配置刀具，順利解決了盾構(gòu)在極硬巖層條件下掘進(jìn)施工 時(shí)由于推進(jìn)參數(shù)和刀具設(shè)置不合理，造成的刀具磨損嚴(yán)重、換刀頻繁、推進(jìn)速度緩慢等影響 施工進(jìn)度的問題。
[0004] 由此可見，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層情況下掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化不僅僅關(guān)系到施工安全 的問題，還關(guān)系到施工效率、盾構(gòu)機(jī)使用壽命等相關(guān)問題，因此，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說， 開發(fā)設(shè)計(jì)一種能夠根據(jù)復(fù)合地層情況模擬優(yōu)化選擇盾構(gòu)參數(shù)的方法是當(dāng)前急需解決的問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種復(fù)合地層情況下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化方 法，根據(jù)盾構(gòu)施工過程設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?duì)正交試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)通過非線性回歸分 析，分別建立±壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)速度模型和刀盤扭矩模型，通過解算確定了復(fù)合地層下 合理的掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效改善盾構(gòu)施工安全性，延長(zhǎng)盾構(gòu)機(jī)使用壽命， 提高施工效率。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種復(fù)合地層情況下盾構(gòu)掘 進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化方法，其特征在于:包括如下步驟：
[0007] 第一步:盾構(gòu)掘進(jìn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的千斤頂推力、刀盤轉(zhuǎn)速、泡沫 溶液量和泡沫濃度是可控的，因此，W千斤頂推力、刀盤轉(zhuǎn)速、泡沫溶液量和泡沫濃度為主 要參數(shù)設(shè)計(jì)如下正交表：
[000引

[0009] 第二步:掘進(jìn)數(shù)據(jù)采集
[0010] 利用盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，試驗(yàn)過程由數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)對(duì)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、加泡沫溶液量、泡沫濃度、刀盤扭矩進(jìn)行采集，每掘進(jìn) 20皿1采集一次數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1.6m;
[0011] 第Ξ步:盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)數(shù)學(xué)模型建立
[0012] (1)掘進(jìn)速度的多元非線性回歸
[0013] 采用多元非線性回歸的方法對(duì)9組實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，采用的多項(xiàng)式非 線性回歸模型為：
[0014] ν = β〇+β?Χ1+β 巧 2+03X3+04X4+0 日 Xi2+06X1X2+07X1X3+0 抽 1X4+化 X22+01OX 巧 3+011X 巧 4+01 巧 32 +β?：3Χ：3Χ4+βΜΧ42+β?5Χ?3+...+ε
[0015] 其中 ε 為 N(0,〇2);
[0016] 式中，V為掘進(jìn)速度(mm/min) ;x功推力化N) 為刀盤轉(zhuǎn)速(r/min) ;X3為泡沫溶液 量(m3); X4為泡沫濃度（％ )，階、βι、&、β期為回歸系數(shù)；
[0017] 采用SPSS軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸處理，回歸結(jié)果如下：
[001 引 V = 26.499+0.002 X X廣23.970 X X2-148.630 X X3+9.989 X X廣6.623Ε_8χι2+……
[0019] 掘進(jìn)速度回歸模型匯總?cè)缦卤恚?br>[0020]
[0021] ~(2)刀盤扭矩的多元非線性回歸
[0022] 對(duì)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、加泡沫量、泡沫濃度與刀盤扭矩值的關(guān)系，采用非線性回歸模 型進(jìn)行擬合處理，提取9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中沒20皿1記錄一次的實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，采用 SPSS軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，回歸結(jié)果如下：
[0023] Τ = -1596.541+0.111 XXi+20353.209 XX3+1485.097 X X4-1.193E-6 XXi2 ……
[0024] 式中，Τ為刀盤扭矩化N · m)，Xi為推力化N) ,?為刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)，X3為泡沫溶液 量(m3)，X4為泡沫濃度（％);
[0025] 刀盤扭矩回歸模型匯總?cè)缦卤恚?br>[0026]
[0027] 第Ξ步:盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化
[0028] 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化屬于有約束非線性規(guī)劃問題：
[00巧]其數(shù)學(xué)模型為：
[0030] minF(x)
[0031] s.t Gi(x) <0 1 = 1，. . .，m
[0032] Gj(x) =0 j=m+l，. . .，n
[0033] XI < X < Xu
[0034] 其中F(x)為多元實(shí)值函數(shù)，G(x)為向量值函數(shù)，在有約束非線性規(guī)劃問題中，通常 要將該問題轉(zhuǎn)換為更簡(jiǎn)單的子問題，子問題可W求并作為迭代過程的基礎(chǔ)，是基于K-T方程 解的方法，K-T方程可表達(dá)為：
[0037] λ?= > 〇,i=m+l, . . . ,η
[0038] 利用mat化a軟件編程，分別對(duì)掘進(jìn)速度和刀盤扭矩進(jìn)行優(yōu)化，其中，刀盤推力范圍 為24000KN-28450KN，刀盤轉(zhuǎn)速為0.89r/min-1.28r/min，每20mm距離加泡沫量范圍為 0 . lm3-0.22m3，泡沫濃度范圍在5 % -7 %，優(yōu)化過程的初值為推力=28450KN，刀盤轉(zhuǎn)速= 1.1化/min，加泡沫溶液量=0.2m3，泡沫濃度=7 %，優(yōu)化結(jié)果如下表：
[0039]
〇
[0040] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：根據(jù)盾構(gòu)施工過程設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)?zāi)?型，并對(duì)正交試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)通過非線性回歸分析，分別建立±壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)速度 模型和刀盤扭矩模型，通過解算確定了復(fù)合地層下合理的掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 有效改善盾構(gòu)施工安全性，延長(zhǎng)盾構(gòu)機(jī)使用壽命，提高施工效率。
【附圖說明】
[0041] 圖1是推力隨環(huán)數(shù)變化圖；
[0042] 圖2是轉(zhuǎn)速隨環(huán)數(shù)變化圖；
[0043] 圖3是泡沫溶液量隨環(huán)數(shù)變化圖；
[0044] 圖4是泡沫溶液濃度隨環(huán)數(shù)變化圖；
[0045] 圖5是掘進(jìn)速度擬合圖；
[0046] 圖6是刪除異常數(shù)據(jù)掘進(jìn)速度擬合圖；
[0047] 圖7是扭矩?cái)M合圖；
[0048] 圖8是刪除異常數(shù)據(jù)扭矩?cái)M合圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0050] 本發(fā)明提供一種復(fù)合地層情況下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化方法，其特征在于:包括如 下步驟：
[0051 ]第一步:盾構(gòu)掘進(jìn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的千斤頂推力、刀盤轉(zhuǎn)速、泡沫 溶液量和泡沫濃度是可控的，因此，W千斤頂推力、刀盤轉(zhuǎn)速、泡沫溶液量和泡沫濃度為主 要參數(shù)設(shè)計(jì)如下正交表：
[0化 2]_
[0053] 利用盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，試驗(yàn)過程由數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)對(duì)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、加泡沫溶液量、泡沫濃度、刀盤扭矩等參數(shù)W每掘進(jìn)20mm 距離的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每組試驗(yàn)掘進(jìn)長(zhǎng)度1.6m。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表共安排9組試驗(yàn)。 由于試驗(yàn)過程推力、加泡沫溶液量等參數(shù)難W完全按事先確定的水平精確控制，實(shí)際測(cè)得 的值與正交表的設(shè)計(jì)值有一定差別。圖1-4為試驗(yàn)中推力、刀盤轉(zhuǎn)速加泡沫溶液量、泡沫濃 度四個(gè)參數(shù)隨環(huán)數(shù)的變化曲線。
[0054] 第二步:掘進(jìn)數(shù)據(jù)采集
[0055] 利用盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，試驗(yàn)過程由數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)對(duì)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、加泡沫溶液量、泡沫濃度、刀盤扭矩進(jìn)行采集，每掘進(jìn) 20皿1采集一次數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1.6m;
[0056] 第Ξ步:盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)數(shù)學(xué)模型建立
[0057] (1)掘進(jìn)速度的多元非線性回歸
[0058] 采用多元非線性回歸的方法對(duì)9組實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，采用的多項(xiàng)式非 線性回歸模型為：
[0060]其中 ε 為 N(0,〇2);
[0061 ]式中，V為掘進(jìn)速度(mm/min) ;x功推力化N) ;X2為刀盤轉(zhuǎn)速(r/min) ;X3為泡沫溶液 量(m3); X4為泡沫濃度（％ )，階、βι、&、β期為回歸系數(shù)；
[0062] 采用SPSS軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸處理，回歸結(jié)果如下：
[0063] V = 26.499+0.002 X X廣23.970 X X2-148.630 X X3+9.989 X X廣6.623Ε_8χι2+……
[0064] 掘進(jìn)速度回歸模型匯總?cè)缦卤恚?br>[00 化]
'[0066]復(fù)相^系數(shù)R是衡量因變量與自變量相關(guān)程度的指標(biāo)，復(fù)相關(guān)系數(shù)R的值越接近于 1，表明它們