盾构掘进控制系统及方法与流程

1.本发明涉及盾构机施工自动化与智能化技术领域，尤其涉及一种盾构掘进控制系统及方法。


背景技术：

2.盾构机是一种隧道掘进专用工程设备，可实现开挖岩土体、皮带出渣、同步注浆、拼装管片等隧道施工作业。目前，绝大多数盾构施工中，土仓压力控制值由理论公式计算获取，并根据后期的地面沉降值进行调整，并由项目管理人员下达指令，具有一定滞后性；由于盾构隧道前方地质复杂多变，掘进控制参数变化较快，主司机根据掘进控制参数的变化依赖个人经验进行调整；但实际上，渣土改良参数、注浆参数的设定也对隧道掘进具有较大的影响，但现场渣土改良参数、注浆参数的调整往往与掘进割裂，并依赖于现场施工人员的经验进行调整，未形成整体去优化盾构掘进；
3.在掘进控制参数控制方面，现有技术提出了一种土压平衡盾构机隧道掘进控制参数智能控制方法，通过统筹采用专家先验知识、模糊逻辑、图论控制等技术，为复杂环境下地铁盾构工程施工事前、事中、事后多阶段盾构机械参数控制提供推理及实时分析与决策；现有技术还提出了一种全断面砂砾中土压平衡盾构机掘进控制方法，其对掘进土量和排土量形成自动管理，施工安全性好，可在大深度、高水压下掘进工作。如上类似智能算法智能控制掘进控制参数的方法尽管在预测度上有较大准确度，但仅考虑了前方地质对掘进控制参数的影响和调整，对渣土改良参数与注浆参数并没有整体考虑。而在实际掘进中，渣土改良参数和注浆参数对盾构掘进有较大影响，有可能会误导施工人员对土仓压力的调整，因此上述方法所推荐的掘进控制参数智能控制并非最佳掘进控制参数。


技术实现要素：

4.本发明实施例提出一种盾构掘进控制系统，用以实现对盾构掘进的控制，控制精度高，该系统包括：
5.土仓压力控制值确定单元，用于计算目标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；
6.在线监测单元，用于实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；
7.控制单元，用于根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。
8.本发明实施例提出一种盾构掘进控制方法，用以实现对盾构掘进的控制，控制精度高，该方法包括：
9.计算目标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；
10.实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力
控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；
11.根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；
12.根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。
13.本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述盾构掘进控制方法。
14.本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述盾构掘进控制方法的计算机程序。
15.在本发明实施例中，土仓压力控制值确定单元，用于计算目标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；在线监测单元，用于实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；控制单元，用于根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。在上述过程中，通过在线监测单元实时反馈特征信息值至控制单元，获得掘进控制参数的调整值，根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态，实现了通过闭环反馈完成盾构智能掘进，精度高。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
17.图1为本发明实施例中盾构掘进控制系统的示意图；
18.图2为本发明实施中盾构掘进控制系统的原理图；
19.图3为本发明实施例中安全控制参数进行控制的原理图；
20.图4为本发明实施例中通过控制规则获得掘进控制参数的调整值的示例流程图；
21.图5为本发明实施例中盾构掘进控制方法的流程图；
22.图6为本发明实施例中计算机设备的示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
24.在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本技术的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
25.图1为本发明实施例中盾构掘进控制系统的示意图，如图1所示，该系统包括：
26.土仓压力控制值确定单元101，用于计算目标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；
27.在线监测单元102，用于实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；
28.控制单元103，用于根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。
29.在本发明实施例中，通过在线监测单元实时反馈特征信息值至控制单元，获得掘进控制参数的调整值，根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态，实现了通过闭环反馈完成盾构智能掘进，精度高。
30.在一实施例中，土仓压力控制值确定单元包括土仓压力值计算单元，用于：
31.采用如下公式，计算目标地层的土仓压力值：
32.p＝kγh
33.其中，p为目标地层的土仓压力值，kpa；γ为目标地层的土体容重，kn/m3，h为目标地层的隧道埋深，m；k为静止土压力系数。
34.在一实施例中，土仓压力控制值确定单元包括修正单元，用于：
35.筛选出与目标地层同一类地层下的施工案例，建立案例库，所述案例库中的每个案例采用参数数组表示，所述参数数组包括岩土类别参数、隧道埋深参数、地下水位参数和土仓压力值参数；
36.基于目标地层的参数与案例库中的案例的参数数组，计算目标地层与案例库中每个案例的欧式距离，筛选出最小欧式距离；
37.计算目标地层与最小欧式距离对应的案例的相似度；
38.基于所述相似度，确定当前掘进土仓压力控制值。
39.在上述实施例中，修正单元可以是tbm混合云管理平台，由中铁装备集团有限公司开发，岩土类别i包括砂土、黏土、粉土等，岩土类别参数i、隧道埋深参数h、地下水位参数h和土仓压力值参数p形成的参数数组可以表示为c＝[i,h,h,p]。
[0040]
在一实施例中，修正单元具体用于：
[0041]
采用如下公式，计算目标地层与案例库中每个案例的欧式距离：
[0042][0043]
其中，dis
i
为目标地层与案例库中第i个案例的欧式距离；h为目标地层的地下水位；h
i
为第i个案例的地下水位参数值；h为目标地层的隧道埋深；h
i
为第i个案例的隧道埋深参数值；
[0044]
采用如下公式，计算目标地层与最小欧式距离对应的案例的相似度：
[0045]
[0046]
其中，α为目标地层与最小欧式距离对应的案例的相似度；dis
imin
为最小欧式距离；
[0047]
采用如下公式，基于所述相似度，确定当前掘进土仓压力控制值：
[0048]
p
′
＝(p p
imin
)
·
α
[0049]
其中，p
′
为当前掘进土仓压力控制值；p为目标地层的土仓压力值；p
imin
为最小欧氏距离对应的案例的土仓压力值参数值。
[0050]
图2为本发明实施中盾构掘进控制系统的原理图，在一实施例中，所述系统还包括安全控制单元，用于：生成安全控制参数；
[0051]
所述盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数和安全控制参数进行掘进操作。
[0052]
图3为本发明实施例中安全控制参数进行控制的原理图，在一实施例中，所述安全控制参数包括但不限于扭矩限制值、推力限制值、掘进速度限制值和电机电流限制值；
[0053]
所述安全控制参数是根据掘进操作的不同阶段的安全系数来确定的。
[0054]
在上述实施例中，掘进操作的不同阶段包括隧道始发段、直线掘进段、转弯掘进段、接收段，在不同阶段，取不同的安全系数β，具体系数如表1所示。以推力限制值fl来讲，计算公式如下：
[0055]
fl＝fe
×
β
[0056]
表1
[0057]
阶段安全系数隧道始发段0.6直线掘进段0.8转弯掘进段0.7接收段0.6
[0058]
在一实施例中，在线监测单元包括渣土改良监测单元，用于监测渣土改良特征信息；
[0059]
注浆质量监测单元，用于监测注浆质量特征信息；
[0060]
地面沉降监测单元，用于监测地面沉降特征信息；
[0061]
设备运行监测单元，用于检测设备运行特征信息；
[0062]
渣土改良特征信息包括但不限于泡沫注入参数、水量、渣土的流塑性值和塌落度值；
[0063]
注浆质量特征信息包括但不限于注浆量、注浆压力和注浆质量的状态，如空洞、未注满、饱满三种状态；
[0064]
地面沉降特征信息包括但不限于地面沉降值；
[0065]
设备运行特征信息包括但不限于推力、扭矩、掘进速度和土仓压力值。
[0066]
在上述实施例中，在线监测单元包含沉降监测传感器或测量仪器，并通过tbm云平台实时传送至控制单元；注浆质量监测单元包含管片背后注浆质量监测雷达，实现注浆质量的测试与评价；渣土改良监测单元包含渣土体测试传感器，可实现渣土体改良效果的测试与评价；设备运行监测单元包含盾构自身控制系统，可实现主参数的实时监测；上述监测单元均通过光纤与上位机相连接。
[0067]
在一实施例中，所述掘进控制参数包括但不限于掘进速度、泡沫等注入量、螺机转速、泡沫膨胀率、注浆压力和流量。
[0068]
在一实施例中，控制单元包括模糊逻辑控制单元和pid控制单元，其中，
[0069]
模糊逻辑控制单元用于：根据所述特征信息值，通过控制规则获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，基于pid控制单元调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。
[0070]
上述实施例中，pid控制单元主要控制掘进速度与螺机速度。
[0071]
下面给出其中几种控制规则的示例：
[0072]
(1)当注浆质量的状态为空洞或未饱满时，此时应增大注浆量，可降低掘进速度；
[0073]
(2)当注浆质量的状态为饱满时，此时应降低注浆量，可增大掘进速度；
[0074]
(3)当渣土的流塑性值和塌落度值处于16cm
‑
20cm时，此时应保证当前的泡沫等注入量参数；
[0075]
(4)当渣土的流塑性值和塌落度值未处于16cm
‑
20cm时，此时应按照2％的比例调整泡沫等注入量参数或者降低掘进速度v与刀盘转速n；
[0076]
(5)当土仓压力值稳定在土仓压力控制值
±
5％时，此时掘进控制参数不调整；
[0077]
(6)当土仓压力值超出土仓压力控制值5％时，此时应降低掘进速度或者增大螺机转速5％；
[0078]
(7)当土仓压力值低于土仓压力控制值5％时，此时应增大掘进速度或者降低螺机转速5％。
[0079]
图4为本发明实施例中通过控制规则获得掘进控制参数的调整值的示例流程图，其中v代表掘进速度，n代表盾构机刀盘转速，n代表螺机转速，具体包括：
[0080]
步骤401，通过注浆质量检测单位判断注浆质量是否密实，若是，进入步骤402，若否，进入步骤403；
[0081]
步骤402，通过渣土改良监测单元判断渣土改良效果是否良好，若是，进入步骤404，否则进入步骤405；
[0082]
步骤403，判断注浆量是否需要调整，若注浆质量检测有空洞或未饱满时，则降低掘进速度，若注浆质量检测为饱满时，应提升掘进速度；
[0083]
步骤404，判断土仓压力是否稳定，若是，不调整掘进控制参数，若否，进入步骤406；
[0084]
步骤405，判断渣土改良参数是否调整，若渣土改良流塑性值与坍落度值不满足要求，且数值偏大时，如需提升掘进速度与刀盘转速，若数值偏小时，则应降低掘进速度与刀盘转速。
[0085]
步骤406，判断土仓压力是否需要降低，若需降低，则降低掘进速度v与增大螺机转速n，若需增大，则增加掘进速度v或降低螺机转速n。
[0086]
在上述实施例中，所述特征信息达到稳定状态后，不再调整当前掘进控制参数。上述控制单元与盾构上位机相连接。
[0087]
当然，可以理解的是，上述详细流程还可以有其他变化例，相关变化例均应落入本发明的保护范围。
[0088]
综上所述，在本发明实施例提出的系统中，土仓压力控制值确定单元，用于计算目
标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；在线监测单元，用于实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；控制单元，用于根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。在上述过程中，通过在线监测单元实时反馈特征信息值至控制单元，获得掘进控制参数的调整值，根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态，实现了通过闭环反馈完成盾构智能掘进，精度高。
[0089]
本发明实施例还提出一种盾构掘进控制方法，其原理与盾构掘进控制系统类似，这里不再赘述。
[0090]
图5为本发明实施例中盾构掘进控制方法的流程图，如图5所示，包括：
[0091]
步骤501，计算目标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；
[0092]
步骤502，实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；
[0093]
步骤503，根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；
[0094]
步骤504，根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。
[0095]
在一实施例中，采用如下公式，计算目标地层的土仓压力值：
[0096]
p＝kγh
[0097]
其中，p为目标地层的土仓压力值，kpa；γ为目标地层的土体容重，kn/m3，h为目标地层的隧道埋深，m；k为静止土压力系数。
[0098]
在一实施例中，基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值，包括：
[0099]
筛选出与目标地层同一类地层下的施工案例，建立案例库，所述案例库中的每个案例采用参数数组表示，所述参数数组包括岩土类别参数、隧道埋深参数、地下水位参数和土仓压力值参数；
[0100]
基于目标地层的参数与案例库中的案例的参数数组，计算目标地层与案例库中每个案例的欧式距离，筛选出最小欧式距离；
[0101]
计算目标地层与最小欧式距离对应的案例的相似度；
[0102]
基于所述相似度，确定当前掘进土仓压力控制值。
[0103]
在一实施例中，采用如下公式，计算目标地层与案例库中每个案例的欧式距离：
[0104][0105]
其中，dis
i
为目标地层与案例库中第i个案例的欧式距离；h为目标地层的地下水位；h
i
为第i个案例的地下水位参数值；h为目标地层的隧道埋深；h
i
为第i个案例的隧道埋深参数值；
[0106]
采用如下公式，计算目标地层与最小欧式距离对应的案例的相似度：
[0107]
[0108]
其中，α为目标地层与最小欧式距离对应的案例的相似度；dis
imin
为最小欧式距离；
[0109]
采用如下公式，基于所述相似度，确定当前掘进土仓压力控制值：
[0110]
p
′
＝(p p
imin
)
·
α
[0111]
其中，p
′
为当前掘进土仓压力控制值；p为目标地层的土仓压力值；p
imin
为最小欧氏距离对应的案例的土仓压力值参数值。
[0112]
在一实施例中，所述盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数和安全控制参数进行掘进操作。
[0113]
在一实施例中，所述安全控制参数包括但不限于扭矩限制值、推力限制值、掘进速度限制值和电机电流限制值；
[0114]
所述安全控制参数是根据掘进操作的不同阶段的安全系数来确定的。
[0115]
在一实施例中，根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值，包括：
[0116]
根据所述特征信息值，通过控制规则获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，基于pid控制调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。
[0117]
在一实施例中，特征信息包括渣土改良特征信息、注浆质量特征信息、地面沉降特征信息、设备运行特征信息；
[0118]
渣土改良特征信息包括但不限于泡沫注入参数、水量、渣土的流塑性值和塌落度值；
[0119]
注浆质量特征信息包括但不限于注浆量、注浆压力和注浆质量的状态；
[0120]
地面沉降特征信息包括但不限于地面沉降值；
[0121]
设备运行特征信息包括但不限于推力、扭矩、掘进速度和土仓压力值。
[0122]
在一实施例中，所述掘进控制参数包括但不限于掘进速度、泡沫等注入量、螺机转速、泡沫膨胀率、注浆压力和流量。
[0123]
综上所述，在本发明实施例提出的方法中，计算目标地层的土仓压力值，并基于所述土仓压力值，确定当前掘进的土仓压力控制值；实时监测目标地层的特征信息值，所述特征信息值是盾构操作手在保持土仓压力控制值的情况下，按照当前掘进控制参数进行掘进操作时监测到的；根据所述特征信息值，获得掘进控制参数的调整值；根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态。在上述过程中，通过在线监测单元实时反馈特征信息值至控制单元，获得掘进控制参数的调整值，根据掘进控制参数的调整值，调整当前掘进控制参数，直至所述特征信息达到稳定状态，实现了通过闭环反馈完成盾构智能掘进，精度高。
[0124]
本技术的实施例还提供一种计算机设备，图6为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的盾构掘进控制方法中全部步骤，所述计算机设备具体包括如下内容：
[0125]
处理器(processor)601、存储器(memory)602、通信接口(communications interface)603和通信总线604；
[0126]
其中，所述处理器601、存储器602、通信接口603通过所述通信总线604完成相互间的通信；所述通信接口603用于实现服务器端设备、检测设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输；
[0127]
所述处理器601用于调用所述存储器602中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的盾构掘进控制方法中的全部步骤。
[0128]
本技术的实施例还提供一种计算机可读存储介质，能够实现上述实施例中的盾构掘进控制方法中全部步骤，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的盾构掘进控制方法的全部步骤。
[0129]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0130]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0131]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0132]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0133]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。