一种软硬不均地层盾构掘进参数协同优化方法、系统及设备与流程

本发明涉及盾构隧道施工，特别是指一种软硬不均地层盾构掘进参数协同优化方法、系统及设备。

背景技术：

1、盾构法施工已经成为城市轨道交通、市政隧道、综合管廊、过江过海通道和滨海地下空间建设中的主要施工方法。随着城市隧道向滨海富水地区、河海交汇区、风化岩残积土区以及软硬互层区延伸，盾构机在同一开挖面内同时切削软土、砂层、全风化岩、强风化岩或局部硬夹层的情况日益增多。此类软硬不均或复合地层中，开挖面受力状态、刀盘受载状态和出渣状态会随盾构前进而快速变化，刀盘扭矩、总推力、贯入度、推进速度、土仓压力、螺旋机扭矩和出渣含水状态之间具有明显耦合关系。

2、在软硬不均地层中，软弱地层一侧易发生超挖、扰动和失稳，硬质地层一侧则易引起刀具冲击、刀具偏磨、刀盘偏载和扭矩突增。若盾构司机仅根据经验单独提高推力、降低刀盘转速或调整土仓压力，往往难以同时兼顾开挖面稳定、设备负荷、刀具寿命和掘进效率。特别是在上软下硬、左软右硬、局部孤石或软硬界面倾斜穿越时，刀盘不同区域切削阻力差异较大，盾构姿态控制和参数选择均更为困难，容易出现推进速度波动、土仓压力不稳、螺旋机排渣不连续、地表沉降异常以及刀具非均匀磨损等问题。

3、现有盾构施工中虽然能够采集较多运行数据，例如刀盘转速、刀盘扭矩、推进油缸压力、总推力、推进速度、贯入度、土仓压力、螺旋机转速和扭矩、泡沫或膨润土注入量等，但这些数据通常分散显示在盾构控制系统或施工记录中，现场更多依靠司机经验和施工管理人员事后分析进行调参。现有技术中也有基于掘进参数进行地层识别、施工风险预警或设备负荷分析的方法，但多停留在离线分析、单指标识别或数据统计层面，缺少将地层软硬不均识别结果直接转化为推力、刀盘转速、贯入度、土仓压力、螺旋机转速和渣土改良剂投加量等协同控制建议的完整工程方案。

4、目前针对软硬不均地层盾构掘进参数控制仍存在以下不足：

5、（1）现有施工调参多以单参数经验调节为主。例如扭矩升高时降低推进速度，土仓压力波动时调节螺旋机转速，出渣干硬时增加泡沫或膨润土，但缺少对推力、刀盘转速、贯入度、土仓压力、出渣速度和改良剂投加量之间相互影响的协同计算，容易出现一个参数改善而另一个风险加剧的问题。

6、（2）现有盾构控制系统通常能够显示大量实时数据，但未将实时数据转化为可解释的软硬不均地层状态。例如不能明确当前属于上软下硬、上硬下软、左右软硬不均、局部孤石硬夹层、全断面硬岩或全断面软土等哪一种工况，也难以量化硬质地层占比和软硬界面变化趋势。

7、（3）现有参数优化方法多依赖施工经验表或事后统计模型，不能与当前环、当前推进区间和当前刀盘负荷实时对应。当进入新的地层组段时，原有参数表需要人工重新判断，参数迁移性差，响应滞后。

8、（4）现有地层识别和风险预警方法即使能够输出风险等级，也往往不能进一步给出可执行的参数组合。例如只提示“扭矩异常”或“硬岩比例升高”，但没有明确下一控制周期内总推力、刀盘转速、贯入度、土仓压力目标值、螺旋机转速和渣土改良剂投加量应如何调整。

9、（5）现有自动控制方案缺少安全限幅和人工确认机制。复杂地层下若控制系统直接大幅改变推力或土仓压力，可能引起掌子面失稳、喷涌、地层损失或设备过载；若完全依靠人工调节，又难以及时响应软硬界面快速变化。

10、（6）现有施工数据未能有效沉淀为分地层、分区段、分工况的参数库。每完成一环后，实际地层、掘进参数、设备响应和地面监测结果之间缺少闭环校核，导致后续相似地层仍需重复依赖经验试探。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种软硬不均地层盾构掘进参数协同优化方法、系统及设备，以提高盾构掘进过程中地层类别识别的准确性，进而提高盾构施工安全性及效率。

2、为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种软硬不均地层盾构掘进参数协同优化方法，包括：

3、获取盾构掘进在当前控制周期内的地层分段参数以及盾构运行参数；所述盾构运动参数包括初始运行参数以及每时刻对应的实时运行参数；所述地层分段参数以及所述盾构运行参数存储于当前数据库中对应的数据表中；

4、对所述实时运行参数进行特征提取，以得到盾构在所述当前控制周期内的特征指标；

5、基于所述特征指标以及所述地层分段参数，确定盾构在当前控制周期内的目标掘进工况；所述目标掘进工况包括目标全断面硬质地层、目标上下软硬不均地层、目标左右软硬不均地层以及目标局部硬点地层；

6、基于所述目标掘进工况、所述初始运行参数以及预设限幅函数，确定盾构掘进在下一控制周期内的目标掘进参数；

7、确定盾构基于所述目标掘进参数运行后的执行结果，并基于所述执行结果更新所述当前数据库，以得到用于下一控制周期的更新数据库。

8、在一个实施例中，所述实时运行参数包括当前总推力、当前刀盘扭矩、当前盾构姿态、当前盾构油缸压力、当前贯入度；所述特征指标包括比推力、比扭矩、扭矩波动系数、扭矩利用率、盾构俯仰变化率、盾构偏航变化率、油缸负荷不均衡系数、贯入度下降率以及贯入度基准值比值；

9、对所述实时运行参数进行特征提取，以得到盾构在所述当前控制周期内的特征指标，包括：

10、基于所述当前总推力，确定所述比推力；

11、基于所述当前刀盘扭矩，确定所述比扭矩、所述扭矩波动系数和所述扭矩利用率；

12、基于所述当前盾构姿态，确定所述盾构俯仰变化率和所述盾构偏航变化率；

13、基于所述当前盾构油缸压力，确定所述油缸负荷不均衡系数；

14、基于所述当前贯入度，确定所述贯入度下降率以及所述贯入度基准值比值。

15、在一个实施例中，基于所述特征指标以及所述地层分段参数，确定盾构在当前控制周期内的目标掘进工况，包括：

16、基于所述地层分段参数以及所述实时运行参数中的当前盾构姿态，确定盾构在所述当前控制周期内的预测掘进工况；所述预测掘进工况包括预测全断面硬质地层、预测上下软硬不均地层、预测左右软硬不均地层以及预测局部硬点地层；

17、基于所述特征指标，对所述预测掘进工况进行验证处理，以确定盾构在当前控制周期内的目标掘进工况。

18、在一个实施例中，基于所述地层分段参数以及所述实时运行参数中的当前盾构姿态，确定盾构在所述当前控制周期内的预测掘进工况，包括：

19、基于所述地层分段参数中的当前环号以及所述当前盾构姿态，将所述地层分段参数中的勘察剖面投影到所述当前控制周期内盾构的当前开挖面；

20、基于所述当前开挖面的硬质地层面积比例，确定盾构在所述当前控制周期内的预测掘进工况。

21、在一个实施例中，基于所述当前开挖面的硬质地层面积比例，确定盾构在所述当前控制周期内的预测掘进工况，包括：

22、对所述当前开挖面进行区域划分，以确定所述当前开挖面的目标区域；所述目标区域包括上半区、下半区、左半区以及右半区，所述目标区域与盾构的推进油缸位置对应；

23、对所述当前开挖面对应的计算区域进行网格划分，并确定每个目标区域内每个网格的面积及该网格硬质比例；

24、基于每个所述目标区域内网格的数量、每个所述目标区域内每个网格的面积及该网格硬质比例，确定每个所述目标区域的硬质地层面积比例；

25、基于每个所述目标区域的硬质地层面积比例，确定盾构在所述当前控制周期内的预测掘进工况。

26、在一个实施例中，基于所述特征指标，对所述预测掘进工况进行验证处理，以确定盾构在当前控制周期内的目标掘进工况，包括：

27、在当前控制周期内，当至少有两个有效时间窗口内同时满足相对比推力增量、相对比扭矩增量均大于或等于第一阈值、所述贯入度下降率大于或等于第二阈值，且同时满足所述扭矩波动系数小于所述第二阈值、所述油缸负荷不均衡系数小于所述第一阈值时，将所述预测全断面硬质地层确定为目标全断面硬质地层；所述相对比推力增量由所述比推力确定，所述相对比扭矩增量由所述比扭矩确定；

28、在当前控制周期内，当所述油缸负荷不均衡系数中的上下组油缸负荷不均衡系数大于或等于第三阈值，且所述盾构俯仰变化率大于或等于第四阈值时，将所述预测上下软硬不均地层确定为目标上下软硬不均地层；

29、在当前控制周期内，当所述油缸负荷不均衡系数中的左右组油缸负荷不均衡系数大于或等于第五阈值，且所述盾构偏航变化率大于或等于第六阈值时，将所述预测左右软硬不均地层确定为目标左右软硬不均地层；

30、在当前控制周期内，当同一有效时间窗口内同时满足所述扭矩波动系数大于或等于第七阈值、所述扭矩利用率大于或等于第八阈值以及所述贯入度基准值比值小于或等于第九阈值，将所述预测局部硬点地层确定为目标局部硬点地层。

31、在一个实施例中，基于所述目标掘进工况、所述初始运行参数以及预设限幅函数，确定盾构掘进在下一控制周期内的目标掘进参数，包括：

32、基于所述目标掘进工况下的硬质比例、软硬不均指数、扭矩波动系数、土仓上中下部压力偏差值以及所述初始运行参数，确定掘进参数修正量；

33、基于所述预设限幅函数以及所述掘进参数修正量，确定所述目标掘进参数。

34、在一个实施例中，所述预设限幅函数表示为：；其中，x表示所述掘进参数修正量；表示所述掘进参数修正量的最小允许值；表示所述掘进参数修正量的最大允许值；

35、基于所述预设限幅函数以及所述掘进参数修正量，确定所述目标掘进参数，包括：

36、当所述掘进参数修正量x小于所述最小允许值时，将所述掘进参数修正量x确定为所述目标掘进参数；

37、当所述掘进参数修正量x大于所述最大允许值时，将所述掘进参数修正量x确定为所述目标掘进参数；

38、当所述掘进参数修正量x位于所述最小允许值与所述最大允许值之间时，将所述掘进参数修正量x确定为所述目标掘进参数。

39、本发明的实施例还提供一种软硬不均地层盾构掘进参数协同优化系统，包括：

40、数据采集模块，用于获取盾构掘进在当前控制周期内的地层分段参数以及盾构运行参数；所述盾构运动参数包括初始运行参数以及每时刻对应的实时运行参数；所述地层分段参数以及所述盾构运行参数存储于当前数据库中对应的数据表中；

41、数据处理模块，用于对所述实时运行参数进行特征提取，以得到盾构在所述当前控制周期内的特征指标；基于所述特征指标以及所述地层分段参数，确定盾构在当前控制周期内的目标掘进工况；所述目标掘进工况包括目标全断面硬质地层、目标上下软硬不均地层、目标左右软硬不均地层以及目标局部硬点地层；基于所述目标掘进工况、所述初始运行参数以及预设限幅函数，确定盾构掘进在下一控制周期内的目标掘进参数；

42、反馈修正模块，用于确定盾构基于所述目标掘进参数运行后的执行结果，并基于所述执行结果更新所述当前数据库，以得到用于下一控制周期的更新数据库。

43、本发明的实施例还提供一种计算设备，包括：存储器，用于存储一个或多个程序；一个或多个处理器，用于执行所述一个或多个程序，实现如上述所述的方法。

44、本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

45、1、本发明基于实时运行参数提取包含比推力、比扭矩、扭矩波动系数、扭矩利用率、盾构俯仰变化率、盾构偏航变化率、油缸负荷不均衡系数、贯入度下降率以及贯入度基准值比值的特征指标，并基于这些特征指标以及地层分段参数进行工况识别与验证，与现有单纯观察扭矩或推力相比，可以准确识别硬质地层占比、软硬界面方位和地层突变趋势，进而准确反映软硬不均地层下的综合施工状态，为后续盾构掘进调整提供准确依据。

46、2、本发明将当前盾构控制周期内的工况识别结果转化为下一控制周期内的具体目标掘进参数，一方面可以控制下一周期内的盾构施工的安全性及效率，另一方面解决了现有预警方法只能提示风险、不能指导操作的问题；且同时包含推力、刀盘转速、贯入度、土仓压力、螺旋机转速、泡沫注入比和泥浆注入比的目标掘进参数，使得盾构掘进参数的调整能够兼顾掘进效率、刀具负荷、开挖面稳定和出渣连续性，进而提高盾构掘进效率和安全性。

47、3、本发明基于目标掘进参数运行后的执行结果，反馈并修正数据库，同时在数据库中记录每次推荐、执行和施工效果，使数据库能够随工程推进持续更新，减少后续类似地层中的反复试错，提高盾构施工参数的可迁移性。

48、应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。