一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制方法及系统与流程
本发明涉及隧道工程智能施工控制，尤其涉及一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制方法及系统。
背景技术：
1、隧道二次衬砌拱墙混凝土逆向浇筑通常由台车两侧边墙底部泵入混凝土，使混凝土沿边墙、拱肩和拱腰逐步向上顶升，并在拱顶区域闭合充填。随着顶升高度增加，混凝土流动路径、排气条件及模板约束状态不断变化，容易出现拱顶脱空、局部不密实、冷缝或离析；浇筑压力过高时，还可能造成模板变形、堵头板受力过大及台车结构超限。
2、现有施工多依据泵车显示压力或预设经验压力调节泵送过程。然而，泵车显示压力受输送管路阻力、混凝土流动状态及出口局部阻力等因素影响，与注浆口出口压力及实际作用于模板和台车结构的模板界面有效压力并不相同，因而难以准确反映混凝土充填状态和结构受力状态。同时，不同浇筑阶段对压力的需求存在差异，固定压力阈值难以兼顾拱顶充填密实和台车结构安全。
3、因此，亟需一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制方法及系统，能够实现拱墙混凝土密实充填与施工安全的协同控制，提高拱顶充填密实度、降低脱空、冷缝、离析及超压风险，并减小模板变形、保障台车结构安全的效果。
技术实现思路
1、针对上述现有技术缺陷，本发明的目的是提供一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制方法及系统，旨在解决固定经验压力难以兼顾拱顶密实、排气通畅与台车结构安全的技术问题。
2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制方法，其包括以下步骤：
3、获取注浆流量、泵车显示压力、注浆口出口压力、排气状态、混凝土温度、初始注浆出口埋深、注浆口切换或短暂停泵状态及台车结构响应；
4、根据注浆流量和有效充填面积确定混凝土顶升高度并识别当前浇筑阶段；
5、根据混凝土顶升高度、排气状态、混凝土温度、初始注浆出口埋深及注浆口切换或短暂停泵状态，确定施工状态变量；
6、根据混凝土静压力、管路阻力、出口局部阻力及泵送系统附加压力，建立泵车显示压力、注浆口出口压力与实际模板界面有效压力的三级压力传递关系；根据实际模板界面有效压力确定模板变形、台车门架等效应力及堵头板受力；
7、以当前浇筑阶段对应的压力基准值为基础，由当前注浆出口埋深和排气通畅度修正动态压力下限，由模板变形和台车门架等效应力削减动态压力上限，形成动态压力窗口；
8、在动态压力窗口内确定各候选模板界面压力的综合风险，并将综合风险最小的候选模板界面压力确定为推荐模板界面压力；
9、根据实际模板界面有效压力、推荐模板界面压力、施工状态变量及台车结构响应，按停泵泄压、排气、注浆口调整和压力调节的优先级确定控制动作。
10、作为上述技术进一步的改进，混凝土顶升高度按照下式确定：
11、；
12、式中，和分别为第i个时刻和上一时刻的混凝土顶升高度，为有效注浆系数，为第i个时刻的注浆流量，为时间步长；为顶升高度处的有效充填面积；
13、所述有效充填面积按照下式确定：
14、；
15、式中，为平均有效充填面积；为断面曲率修正系数；为拱墙有效顶升高度；
16、混凝土顶升高度比例及高度约束按照下式确定：
17、；
18、式中，为时刻的混凝土顶升高度比例；
19、当前浇筑阶段按照下式确定：
20、；
21、式中，为时刻的当前浇筑阶段；、和依次为边墙区与拱肩区、拱肩区与拱腰区、拱腰区与拱顶区的分界高度比例；、、和分别表示边墙区、拱肩区、拱腰区和拱顶区。
22、作为上述技术方案进一步的改进，逆向浇筑过程中，混凝土充填质量和压力响应不仅受注浆流量与顶升高度影响，还与排气条件、注浆出口埋深、混凝土和易性以及层间间隔时间密切相关。为表征上述施工状态，根据混凝土顶升高度、混凝土温度、注浆流量以及注浆口切换或短暂停泵状态，确定排气通畅度、注浆出口埋深、混凝土和易性指数和层间间隔时间四个施工状态变量；所述排气通畅度和当前注浆出口埋深用于确定出口局部阻力，所述混凝土和易性指数用于确定管路阻力，所述管路阻力和出口局部阻力用于确定注浆口出口压力，所述层间间隔时间用于确定冷缝风险；允许层间间隔时间由混凝土初凝时间与允许间隔系数确定；
23、具体的，采用所示的平滑函数确定施工状态变量：
24、排气通畅度按照下式确定：
25、；
26、式中，为时刻的排气通畅度；为初始排气通畅度；为排气通畅度衰减幅值；为排气状态明显变化对应的高度比例；为排气通畅度变化的平滑系数，为排气状态扰动项；为sigmoid平滑函数，x为所述平滑函数的自变量；
27、注浆出口埋深按照下式确定：
28、；
29、式中，为时刻的注浆出口埋深；为初始注浆出口埋深；为随混凝土顶升产生的出口埋深衰减量；为出口埋深明显变化对应的高度比例；为出口埋深变化的平滑系数；为注浆口切换或短暂停泵造成的等效埋深损失；为注浆口切换或短暂停泵状态变量，为出口埋深扰动项；
30、混凝土和易性指数按照下式确定：
31、；
32、式中，为时刻的混凝土和易性指数；为初始混凝土和易性指数；为浇筑时间对和易性的衰减系数；为预计总浇筑时间；为混凝土温度对和易性的影响系数；为时刻的混凝土温度；为参考温度；为注浆口切换或短暂停泵对和易性的影响系数，为和易性扰动项；
33、层间间隔时间按照下式确定：
34、；
35、式中，为时刻的层间间隔时间；为目标分层高度；为时刻的双泵合计注浆流量；为注浆口切换、等待或短暂停泵造成的附加时间；
36、允许层间间隔时间按照下式确定：
37、；
38、式中，为允许层间间隔时间；为允许间隔系数；为混凝土初凝时间；其中，，，发生注浆口切换或短暂停泵时，否则。
39、作为上述技术方案进一步的改进，所述三级压力传递模型用于建立泵车显示压力、注浆口出口压力和实际模板界面有效压力之间的传递关系，包括：
40、根据混凝土顶升高度确定混凝土静压力：
41、；
42、根据所述混凝土静压力、管路阻力和出口局部阻力确定注浆口出口压力：
43、；
44、根据等效单管流量确定泵送系统附加压力：
45、；
46、根据所述注浆口出口压力和泵送系统附加压力确定泵车显示压力：
47、；
48、根据所述注浆口出口压力和混凝土静压力确定实际模板界面有效压力：
49、；
50、其中，式中，为混凝土静压力，为新拌混凝土重度，为注浆口出口压力，为静压力参与系数，为管路阻力，为出口局部阻力，为出口压力波动项；为泵车显示压力，为泵送系统附加压力，为泵送系统基础附加压力，为流量影响系数，为等效单管流量，为参考流量，为流量指数，为泵车压力波动项；为实际模板界面有效压力，为注浆口出口压力向模板界面传递的折减系数，为混凝土静压力对模板界面有效压力的贡献系数，为模板界面压力扰动项，，其中为模板压力传感器检测得到的模板界面压力。实际模板界面有效压力的计算公式表明，模板界面有效压力并不等同于泵车显示压力，也不完全等同于混凝土静压力，而是由注浆口出口压力、混凝土顶升高度、模板空间约束、排气状态和局部压力传递共同决定。
51、作为上述技术方案进一步的改进，根据当前浇筑阶段、等效单管流量和混凝土和易性指数确定管路阻力：
52、；
53、根据注浆出口埋深和排气通畅度确定出口局部阻力：
54、；
55、所述平滑函数如下式所示：
56、；
57、式中，为当前浇筑阶段对应的管路阻力系数，为管路阻力对应的流量指数；为双泵合计注浆流量，采用双泵合计流量等效折算单管流量时，取的二分之一；为基础出口局部阻力，和分别为出口埋深不足和排气不畅对应的阻力增量系数，和分别为出口埋深临界值和排气通畅度临界值，和分别为出口埋深及排气状态的平滑参数，为sigmoid平滑函数。
58、作为上述技术方案进一步的改进，不同浇筑阶段的压力基准值按照下式确定：
59、；
60、式中，为当前浇筑阶段对应的压力基准值；为时刻的当前浇筑阶段；、、和分别为边墙区、拱肩区、拱腰区和拱顶区的压力基准值；、、和分别表示边墙区、拱肩区、拱腰区和拱顶区。
61、各浇筑阶段的压力基准值满足：
62、；
63、所述压力基准值用于构建动态压力窗口，并与实际模板界面有效压力及推荐模板界面压力相区别。
64、作为上述技术方案进一步的改进，模板变形按照下式确定：
65、；
66、式中，为时刻的模板变形；为初始模板变形；和分别为模板界面有效压力对模板变形的一阶和二阶响应系数；为时刻的实际模板界面有效压力，为模板变形扰动项；
67、台车门架等效应力按照下式确定：
68、；
69、式中，为时刻的台车门架等效应力；为初始台车门架应力；和分别为模板界面有效压力对台车门架等效应力的一阶和二阶响应系数，为台车门架应力扰动项；
70、堵头板受力按照下式确定：
71、；
72、式中，为时刻的堵头板所受合力；为堵头板等效受压面积；
73、所述实际模板界面有效压力和台车结构响应满足：
74、；
75、式中，为模板界面有效压力允许值；为模板允许变形；为台车门架允许应力；为堵头板允许受力；
76、预警阈值与允许值满足：
77、；
78、式中，为模板界面压力预警阈值；为模板变形预警阈值；为台车门架应力预警阈值。
79、作为上述技术方案进一步的改进，动态压力窗口按照下式确定：
80、；
81、式中，为时刻的动态压力窗口下限；为动态压力窗口内的候选模板界面压力；为时刻的动态压力窗口上限；
82、动态压力窗口下限按照下式确定：
83、；
84、式中，为当前浇筑阶段对应的压力基准值；为当前浇筑阶段的压力下浮量；为出口埋深不足对压力下限的修正系数；为出口埋深控制阈值；为时刻的注浆出口埋深；为出口埋深修正项的平滑参数；和分别为出口埋深不足和排气不畅对动态压力下限的修正系数；为排气通畅度控制阈值；为时刻的排气通畅度；为排气通畅度修正项的平滑参数；
85、动态压力窗口上限按照下式确定：
86、；
87、式中，为当前浇筑阶段的压力上浮量；为模板变形造成的压力上限削减量；为台车门架应力造成的压力上限削减量；
88、所述压力上限削减量按照下式确定：
89、；
90、式中，为模板变形对压力上限的削减系数；为时刻的模板变形；为模板变形削减项的平滑参数；为台车门架应力对压力上限的削减系数；为时刻的台车门架等效应力；为台车门架应力削减项的平滑参数；且。
91、作为上述技术方案进一步的改进，所述综合风险采用综合风险函数来统一评价逆向浇筑过程中的质量风险和结构安全风险，具体的，所述综合风险函数如下式所示：
92、；
93、式中，为综合风险，、、和分别为脱空风险、冷缝风险、离析风险和超压风险，为阶段压力平衡风险，为排气不畅惩罚项，、、、和分别为脱空风险、冷缝风险、离析风险、超压风险和阶段压力平衡风险的综合权重；各权重系数可根据施工控制目标、专家经验、现场监测数据或质量检测结果确定。若缺乏实测数据，优先提高脱空风险和超压风险权重，以兼顾拱顶密实和台车结构安全，并在后续工程应用中根据检测结果进行修正。
94、作为上述技术方案进一步的改进，脱空风险按照下式确定：
95、；
96、式中，为候选模板界面压力在时刻对应的脱空风险；、、和为脱空风险各分项的权重系数；为当前浇筑阶段对应的压力基准值；为脱空风险的低压修正量；为实际模板界面有效压力；为低压风险项的平滑参数；为排气通畅度临界值；为时刻的排气通畅度；为排气风险项的平滑参数；为出口埋深临界值；为时刻的注浆出口埋深；为出口埋深风险项的平滑参数；为当前浇筑阶段的脱空风险敏感性系数；为sigmoid平滑函数；
97、冷缝风险按照下式确定：
98、；
99、式中，为时刻的冷缝风险；、和为冷缝风险各分项的权重系数；为时刻的层间间隔时间；为允许层间间隔时间；为层间间隔时间风险项的平滑参数；为时刻的混凝土温度；为冷缝风险对应的温度阈值；为温度风险项的平滑参数；为和易性风险阈值；为时刻的混凝土和易性指数；为和易性风险项的平滑参数；
100、离析风险按照下式确定：
101、；
102、式中，为候选模板界面压力在时刻对应的离析风险；、、和为离析风险各分项的权重系数；为时刻的等效单管流量；为等效单管流量阈值；为流量风险项的平滑参数；为和易性风险阈值；为时刻的混凝土和易性指数；为和易性风险项的平滑参数；为离析风险对应的压力阈值；为压力风险项的平滑参数；为离析风险对应的排气状态阈值；为时刻的排气通畅度；为排气风险项的平滑参数；
103、超压风险按照下式确定：
104、；
105、式中，为候选模板界面压力在时刻对应的超压风险；、和为超压风险各分项的权重系数；为模板界面压力预警阈值；为超压压力项的平滑参数；为候选模板界面压力对应的模板变形；为模板变形预警阈值；为模板变形风险项的平滑参数；为候选模板界面压力对应的台车门架等效应力；为台车门架应力预警阈值；为门架应力风险项的平滑参数；
106、阶段压力平衡风险按照下式确定：
107、；
108、式中，为候选模板界面压力在时刻对应的阶段压力平衡风险；为归一化压力尺度；
109、排气不畅惩罚项按照下式确定：
110、；
111、式中，为候选模板界面压力在时刻对应的排气不畅惩罚项；为排气不畅惩罚权重；为排气不畅判定阈值；为时刻的排气通畅度；为排气通畅度惩罚项的平滑参数；为排气不畅状态下不宜继续升压的压力阈值；为压力惩罚项的平滑参数。
112、作为上述技术方案进一步的改进，推荐模板界面压力按照下式确定：
113、；
114、式中，为时刻的推荐模板界面有效压力；为候选模板界面压力对应的综合风险；和分别为时刻的动态压力窗口下限和上限。
115、作为上述技术方案进一步的改进，实际求解推荐模板界面有效压力时，将所述动态压力窗口按照预设压力搜索步长离散为多个候选模板界面压力值：
116、；
117、计算各候选模板界面压力对应的综合风险，并将综合风险最小的候选模板界面压力确定为所述推荐模板界面压力：
118、；
119、；
120、为压力搜索步长；为第个候选压力；为综合风险最小时对应的候选压力序号；
121、根据当前压力、推荐压力、排气状态、出口埋深和结构响应，可形成施工控制动作：
122、；
123、式中，为控制动作；为允许压力偏差；为排气阈值；为出口埋深阈值；为允许层间间隔时间；为时刻的实际模板界面有效压力；为模板界面有效压力允许值；为时刻的注浆出口埋深；为排气不畅状态下不宜继续升压的压力阈值；为时刻的排气通畅度；为时刻的层间间隔时间。
124、第二方面，本发明还提供一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制系统，包括数据采集模块、协同控制模块和施工执行模块；
125、所述数据采集模块用于获取注浆流量、泵车显示压力、注浆口出口压力、排气状态、混凝土温度、初始注浆出口埋深、注浆口切换或短暂停泵状态及台车结构响应；
126、所述协同控制模块用于确定混凝土顶升高度、当前浇筑阶段和施工状态变量，建立泵车显示压力、注浆口出口压力与实际模板界面有效压力的三级压力传递关系，根据实际模板界面有效压力及台车结构响应构建动态压力窗口，并在动态压力窗口内确定综合风险最小的推荐模板界面压力；
127、所述施工执行模块与泵送设备、排气机构、注浆口调节机构和泄压机构连接，用于根据实际模板界面有效压力、推荐模板界面压力、施工状态变量及台车结构响应，按停泵泄压、排气、注浆口调整和压力调节的优先级执行对应控制动作。
128、作为上述技术方案进一步的改进，所述数据采集模块包括泵车压力采集单元、注浆口出口压力采集单元、注浆流量采集单元、模板界面压力采集单元、排气状态采集单元、混凝土温度采集单元、初始注浆出口埋深输入单元、注浆口切换或短暂停泵状态采集单元、模板变形采集单元和台车门架应力采集单元；
129、所述模板界面压力采集单元用于获取实际模板界面有效压力监测值，所述三级压力传递关系用于确定实际模板界面有效压力估计值。
130、作为上述技术方案进一步的改进，所述协同控制模块按照预设时间步长更新混凝土顶升高度、当前浇筑阶段、施工状态变量、实际模板界面有效压力、台车结构响应、动态压力窗口和推荐模板界面压力；
131、所述施工执行模块在实际模板界面有效压力或台车结构响应达到对应允许值时执行停泵泄压，在未执行停泵泄压且排气通畅度低于控制阈值、实际模板界面有效压力高于升压限制压力时执行排气，在未执行前述控制且当前注浆出口埋深低于控制阈值时调整注浆口，并在前述条件均不满足时根据实际模板界面有效压力与推荐模板界面压力的偏差执行升压、降压或稳压浇筑。
132、由于本发明采用了以上技术方案，使本发明具备的有益效果在于：
133、本发明提供一种拱墙混凝土逆向浇筑压力协同控制方法，通过对混凝土顶升阶段、施工状态、三级压力传递、台车结构响应及质量安全风险进行协同分析，动态确定合理的模板界面压力范围及推荐模板界面压力，并按照预设优先级实施相应控制，从而兼顾拱墙混凝土充填质量与衬砌台车结构安全，降低固定经验压力控制造成的充填不足或结构超压风险。具体的：
134、本发明根据注浆流量和有效充填面积确定混凝土顶升高度，并据此识别边墙区、拱肩区、拱腰区和拱顶区，使压力控制能够适应不同浇筑阶段的流动路径、模板约束程度及排气条件变化，避免在整个逆向浇筑过程中采用单一固定压力，有利于提高压力控制与实际充填状态的匹配程度。
135、本发明建立泵车显示压力、注浆口出口压力与实际模板界面有效压力之间的三级压力传递关系，并将混凝土静压力、管路阻力、出口局部阻力及泵送系统附加压力纳入压力传递过程，由此能够区分泵送设备端压力与实际作用于模板及台车结构的压力，减少仅依据泵车显示压力判断浇筑状态所产生的偏差。
136、本发明根据混凝土顶升高度、排气状态、混凝土温度、初始注浆出口埋深以及注浆口切换或短暂停泵状态确定施工状态变量，并利用排气通畅度、当前注浆出口埋深及混凝土和易性分别修正出口局部阻力和管路阻力，同时利用层间间隔时间评价冷缝风险，使压力计算及风险评价能够反映排气不畅、出口埋深不足、混凝土和易性下降和施工间歇等现场状态变化，有利于降低脱空、冷缝及离析风险。
137、本发明根据实际模板界面有效压力确定模板变形、台车门架等效应力和堵头板受力，并利用模板变形及台车门架等效应力削减动态压力上限，使推荐模板界面压力受到台车结构安全状态的约束，能够避免为提高拱顶充填程度而持续升压，降低模板变形过大、门架应力超限及堵头板受力过大的风险。
138、本发明以当前浇筑阶段对应的压力基准值为基础，由当前注浆出口埋深和排气通畅度修正动态压力下限，由模板变形和台车门架等效应力修正动态压力上限，形成随浇筑阶段和施工状态变化的动态压力窗口。由此，压力下限能够满足混凝土顶升、排气及充填要求，压力上限能够满足台车结构安全要求，从而在拱顶密实与结构安全之间形成合理的压力控制范围。
139、本发明在动态压力窗口内评价各候选模板界面压力对应的脱空、冷缝、离析及超压风险，并将综合风险最小的候选模板界面压力确定为推荐模板界面压力，使压力决策同时考虑充填质量和结构安全，而非仅针对单一风险进行调节，有利于提高拱顶区域的充填密实程度，并将施工风险控制在合理范围内。
140、本发明按照停泵泄压、排气、注浆口调整和压力调节的优先级确定控制动作，在实际模板界面有效压力或台车结构响应达到允许值时优先停泵泄压，在排气不畅时优先排气而非继续升压，并在当前注浆出口埋深不足时调整注浆口，从而减少不同控制目标之间的冲突，提高逆向浇筑过程的安全性和控制合理性。
141、综上，本发明能够形成由施工状态感知、压力传递分析、结构响应评价、动态压力优化至控制动作执行构成的闭环控制过程，降低逆向浇筑对人工经验的依赖，在提高拱墙尤其是拱顶区域充填密实度的同时，减小模板及台车结构的超限风险。