复合地层情况下盾构掘进参数的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及盾构掘进参数选择技术领域，尤其设及一种复合地层情况下盾构掘进 参数的优化方法。
【背景技术】
[0002] 复合地层盾构掘进参数控制一直是隧道施工技术人员关屯、的问题。上软下硬的复 合地层掘进过程中，最大危害是由于掘进参数选择不当，上面的软±容易造成超挖，盾构开 挖面内外压力不平衡，导致地面严重沉降，甚至发生事故。所W建立复合地层中盾构掘进参 数的模型并对其进行优化，确定最优的掘进参数，对于保证复合地层下盾构施工的掘进速 度与安全具有重要的意义。
[0003] 国内外的学者对盾构的掘进参数进行了相关的研究与试验。现有技术通过模型试 验和理论研究，提出了±压平衡盾构掘进的数学物理模型、各个参数间关系W及刀盘扭矩 的计算公式;张厚美等通过对±压平衡盾构掘进试验数据的分析建立了掘进参数的数学模 型；贾科通过优化掘进参数与合理配置刀具，顺利解决了盾构在极硬岩层条件下掘进施工 时由于推进参数和刀具设置不合理，造成的刀具磨损严重、换刀频繁、推进速度缓慢等影响 施工进度的问题。
[0004] 由此可见，对于盾构机在复合地层情况下掘进参数的优化不仅仅关系到施工安全 的问题，还关系到施工效率、盾构机使用寿命等相关问题，因此，对于本领域技术人员来说， 开发设计一种能够根据复合地层情况模拟优化选择盾构参数的方法是当前急需解决的问 题。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种复合地层情况下盾构掘进参数的优化方 法，根据盾构施工过程设计正交试验模型，并对正交试验所采集的数据通过非线性回归分 析，分别建立±压平衡盾构的掘进速度模型和刀盘扭矩模型，通过解算确定了复合地层下 合理的掘进参数，对掘进参数进行优化，有效改善盾构施工安全性，延长盾构机使用寿命， 提高施工效率。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种复合地层情况下盾构掘 进参数的优化方法，其特征在于:包括如下步骤：
[0007] 第一步:盾构掘进正交试验设计，盾构掘进过程中的千斤顶推力、刀盘转速、泡沫 溶液量和泡沫浓度是可控的，因此，W千斤顶推力、刀盘转速、泡沫溶液量和泡沫浓度为主 要参数设计如下正交表：
[000引
[0009] 第二步:掘进数据采集
[0010] 利用盾构机的数据采集存储系统实现试验数据的采集和记录，试验过程由数据采 集系统对推力、刀盘转速、掘进速度、加泡沫溶液量、泡沫浓度、刀盘扭矩进行采集，每掘进 20皿1采集一次数据，每组试验掘进长度为1.6m;
[0011] 第Ξ步:盾构掘进参数数学模型建立
[0012] (1)掘进速度的多元非线性回归
[0013] 采用多元非线性回归的方法对9组实测试验数据进行回归分析，采用的多项式非 线性回归模型为：
[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 为 N(0,〇2);
[0016] 式中，V为掘进速度(mm/min) ;x功推力化N) 为刀盘转速(r/min) ;X3为泡沫溶液 量(m3); X4为泡沫浓度（％ )，阶、βι、&、β期为回归系数；
[0017] 采用SPSS软件进行试验数据回归处理，回归结果如下：
[001 引 V = 26.499+0.002 X X广23.970 X X2-148.630 X X3+9.989 X X广6.623Ε_8χι2+……
[0019] 掘进速度回归模型汇总如下表：
[0020]
[0021] ~(2)刀盘扭矩的多元非线性回归
[0022] 对推力、刀盘转速、加泡沫量、泡沫浓度与刀盘扭矩值的关系，采用非线性回归模 型进行拟合处理，提取9组实验数据中没20皿1记录一次的实际数据结果进行回归分析，采用 SPSS软件进行试验数据处理，回归结果如下：
[0023] Τ = -1596.541+0.111 XXi+20353.209 XX3+1485.097 X X4-1.193E-6 XXi2 ……
[0024] 式中，Τ为刀盘扭矩化N · m)，Xi为推力化N) ,?为刀盘转速(r/min)，X3为泡沫溶液 量(m3)，X4为泡沫浓度（％);
[0025] 刀盘扭矩回归模型汇总如下表：
[0026]
[0027] 第Ξ步:盾构掘进参数的优化
[0028] 盾构掘进参数优化属于有约束非线性规划问题：
[00巧]其数学模型为：
[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)为多元实值函数，G(x)为向量值函数，在有约束非线性规划问题中，通常 要将该问题转换为更简单的子问题，子问题可W求并作为迭代过程的基础，是基于K-T方程 解的方法，K-T方程可表达为：
[0037] λ?= > 〇,i=m+l, . . . ,η
[0038] 利用mat化a软件编程，分别对掘进速度和刀盘扭矩进行优化，其中，刀盘推力范围 为24000KN-28450KN，刀盘转速为0.89r/min-1.28r/min，每20mm距离加泡沫量范围为 0 . lm3-0.22m3，泡沫浓度范围在5 % -7 %，优化过程的初值为推力=28450KN，刀盘转速= 1.1化/min，加泡沫溶液量=0.2m3，泡沫浓度=7 %，优化结果如下表：
[0039]
〇
[0040] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：根据盾构施工过程设计正交试验模 型，并对正交试验所采集的数据通过非线性回归分析，分别建立±压平衡盾构的掘进速度 模型和刀盘扭矩模型，通过解算确定了复合地层下合理的掘进参数，对掘进参数进行优化， 有效改善盾构施工安全性，延长盾构机使用寿命，提高施工效率。
【附图说明】
[0041] 图1是推力随环数变化图；
[0042] 图2是转速随环数变化图；
[0043] 图3是泡沫溶液量随环数变化图；
[0044] 图4是泡沫溶液浓度随环数变化图；
[0045] 图5是掘进速度拟合图；
[0046] 图6是删除异常数据掘进速度拟合图；
[0047] 图7是扭矩拟合图；
[0048] 图8是删除异常数据扭矩拟合图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0050] 本发明提供一种复合地层情况下盾构掘进参数的优化方法，其特征在于:包括如 下步骤：
[0051 ]第一步:盾构掘进正交试验设计，盾构掘进过程中的千斤顶推力、刀盘转速、泡沫 溶液量和泡沫浓度是可控的，因此，W千斤顶推力、刀盘转速、泡沫溶液量和泡沫浓度为主 要参数设计如下正交表：
[0化 2]_
[0053] 利用盾构的数据采集存储系统实现试验数据的采集和记录，试验过程由数据采集 系统对推力、刀盘转速、掘进速度、加泡沫溶液量、泡沫浓度、刀盘扭矩等参数W每掘进20mm 距离的频率进行数据采集，每组试验掘进长度1.6m。按照正交试验设计表共安排9组试验。 由于试验过程推力、加泡沫溶液量等参数难W完全按事先确定的水平精确控制，实际测得 的值与正交表的设计值有一定差别。图1-4为试验中推力、刀盘转速加泡沫溶液量、泡沫浓 度四个参数随环数的变化曲线。
[0054] 第二步:掘进数据采集
[0055] 利用盾构机的数据采集存储系统实现试验数据的采集和记录，试验过程由数据采 集系统对推力、刀盘转速、掘进速度、加泡沫溶液量、泡沫浓度、刀盘扭矩进行采集，每掘进 20皿1采集一次数据，每组试验掘进长度为1.6m;
[0056] 第Ξ步:盾构掘进参数数学模型建立
[0057] (1)掘进速度的多元非线性回归
[0058] 采用多元非线性回归的方法对9组实测试验数据进行回归分析，采用的多项式非 线性回归模型为：
[0060]其中 ε 为 N(0,〇2);
[0061 ]式中，V为掘进速度(mm/min) ;x功推力化N) ;X2为刀盘转速(r/min) ;X3为泡沫溶液 量(m3); X4为泡沫浓度（％ )，阶、βι、&、β期为回归系数；
[0062] 采用SPSS软件进行试验数据回归处理，回归结果如下：
[0063] V = 26.499+0.002 X X广23.970 X X2-148.630 X X3+9.989 X X广6.623Ε_8χι2+……
[0064] 掘进速度回归模型汇总如下表：
[00 化]
'[0066]复相^系数R是衡量因变量与自变量相关程度的指标，复相关系数R的值越接近于 1，表明它们