[發明專利]一種基于量綱分析的盾構刀盤扭矩計算方法

有效

• 申請號: 201810034645.5
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108388689B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 張茜;周思陽;亢一瀾;蔡宗熙;侯振德
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于量綱分析的盾構刀盤扭矩計算方法，包括：確定影響刀盤扭矩的參數；根據所述的影響刀盤扭矩的參數分別計算主控項及無量綱化刀盤扭矩大小；將計算得到的主控項及無量綱化刀盤扭矩進行匯總；利用利用線性回歸方法，得到主控項的系數識別；根據主控項系數識別結果，得到刀盤扭矩的計算模型。本發明其模型預測結果可為裝備的智能化設計提供理論依據，為不同地質的安全施工提供參考。在滿足模型兩側量綱一致的前提下，綜合考慮刀盤直徑、掘進速度、刀盤轉速等影響因素，因而預估準確可靠。并且能根據掘進地層的條件以及操作參數的變化調整扭矩參數，為掘進機裝備動力系統的設計以及施工過程中扭矩參數的實時調整提供可靠的理論依據。

技術領域

本發明涉及一種盾構刀盤扭矩的計算方法。特別是涉及一種基于量綱分析的預估盾構刀盤扭矩的計算方法。

背景技術

盾構是一種隧道掘進的專用工程機械，現已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。盾構的刀盤扭矩用于維持刀盤不斷旋轉切削前方土體，是貫穿裝備運行始終的核心參量，也是裝備能效控制與安全狀態監控的基礎參量，與裝備尺寸和構型、地質力學參數、掘進控制參數等密切相關，影響因素十分復雜。預估刀盤扭矩是裝備參數設計與施工調控的重要理論基礎，也是盾構快速、安全、高效掘進的基本保證。

目前刀盤扭矩的已有理論建模方法主要圍繞刀盤各個部件的幾何特征、受載狀態與土體本構，通過受力分析建立刀盤扭矩的預測模型。為滿足理想的理論建模條件，預估過程中會存在假定與近似等問題。對于土體這類復雜材料，由于其物理力學性質深受土體成分、含水量、地質構造等因素影響，目前土體強度理論都只能適用于特定加載條件下某類土的物理力學性質，還沒有準確的本構關系來描述其在實際工程中的力學性質。比如在計算刀盤摩擦扭矩這一重要分量時，刀盤與周邊土體的摩擦系數需人為假定。這些假定條件都會導致刀盤扭矩的預估不準。在施工過程中刀盤扭矩的設定不當將直接造成刀具切削效率低、刀盤被卡事故等問題。

近年來，隨著計算機技術的不斷發展，基于數據的各類挖掘算法可為海量工程數據反演識別分析及建模提供有力的技術條件。然而，現階段數據挖掘手段如人工神經網絡、支持向量機等算法，其工程應用更多僅停留在數據識別層面，不能解釋目標參數與影響因素間的因果關系。其“輸入-輸出”的黑箱結構難以建立表征問題的顯式模型，直接導致這些數據分析方法得到的結果經驗性過強，無法提取同類問題的共性規律，難以為盾構刀盤扭矩提供普適的建模方法。

因此，建立一種準確的、普適性高的刀盤扭矩預測方法，已成為本行業之急需。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，通過量綱分析以及統計工具，提供一種為實現隧道掘進裝備參數控制依據的盾構刀盤扭矩的計算方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于量綱分析的盾構刀盤扭矩計算方法，包括如下步驟：

1)確定影響刀盤扭矩的參數；

2)根據所述的影響刀盤扭矩的參數分別計算主控項及無量綱化刀盤扭矩大小；

3)將計算得到的主控項及無量綱化刀盤扭矩進行匯總；

4)利用利用線性回歸方法，得到主控項的系數識別；

5)根據主控項系數識別結果，得到刀盤扭矩的計算模型。

步驟1)所述的影響刀盤扭矩的主要參數包括：刀盤扭矩T,單位:kNm；土體剪切模量G,單位:kpa；土體容重γ,單位:kN/m³；隧道埋深H,單位:m；刀盤寬度W,單位:m；掘進速度v,單位:m/s；靜止土壓力系數K₀；土艙壓力p_e,單位:kpa；盾構直徑D,單位:m；刀盤轉速ω,單位:r/min。

步驟2)所述的主控項有3個：J₁、J₂、J₃，計算公式分別如下：