一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法与流程

技术特征：

1.一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立掘进效率统计样本

定义掘进效率β为掘进速率v除以刀盘扭矩t，如式(1)；t直接反映设备运转状态，β体现了掘进速率与刀盘驱动电机负载能力之间的关系；

结合隧道试掘进时盾构机自动记录的掘进参数和既往工程的掘进参数数据，将同一时刻实测得到的掘进速率v、刀盘扭矩t、有效推力f、土仓压力p、刀盘转速n作为同一组掘进参数；统计试掘进阶段内各记录时刻的β、f、p、n作为掘进效率统计样本；

步骤二、通过符号回归和线性回归得到针对有限样本的掘进效率预测方程

对地层饱和单轴抗压强度rc不同的各地层中盾构机的掘进效率β分别进行符号回归，将在后台运行符号回归算法的计算机上运算时间少于1分钟且拟合精度r²高于0.7的针对β的拟合方程作为候选方程；

统计各地层的候选方程，自变量n²、p、np、pf均共同存在于各地层的候选方程中的至少一个方程中，因此以n²、p、np、pf作为有限样本下的掘进效率预测方程的自变量，如式(2)，通过有限样本下的掘进效率预测方程针对掘进效率统计样本重新进行线性回归，得到属于各地层的方程系数；

β*为有限样本下的掘进效率预测值；

β*＝a1n²+a2p+a3np+a4pf+a5(2)

步骤三、掘进效率预测方程延拓

在有限样本条件下得到的式(2)中的方程系数是针对有限种类地层的离散的方程系数，需要对离散的方程系数所对应的方程进行延拓，才能得到适用于一般性地层的方程；

以步骤一中得到的有限样本下的不同掘进地层中掘进效率预测方程的系数为应变量，以掘进地层饱和单轴抗压强度rc为自变量进行线性和非线性回归，得到方程系数随rc变化的连续函数，如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)所示；因为样本均为硬质岩中取得，所以掘进效率预测方程延拓也在硬质岩范围内，即rc≥30mpa；

a1＝116.588-99.614rc^0.038,rc≥30mpa(3)

a2＝46.522-12.532rc^0.313,rc≥30mpa(4)

a3＝0.093rc-4.414,rc≥30mpa(5)

a4＝1.135×10^-6rc-6.976×10^-5,rc≥30mpa(6)

如式(8)，将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)代入式(2)，得到适用于土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测方程，β**为土压平衡式盾构掘进硬质岩的掘进效率预测值；

步骤四、确定优化计算式及边界条件

掘进参数优化计算式如式(9)所示，p^ω、θ^ω、ψ^ω分别反映了正常掘进地层ω时土仓压力、有效推力、刀盘转速的允许波动范围，即[pmin,pmax]、[fmin,fmax]、[nmin,nmax]；

步骤五、分步取点法计算β**较大值

最优化问题影响因素均已量化且边界较明确，宜采用线性等分获得待选掘进参数最优值网格，对网格节点进行分步取点法逐步运算；

将p^ω、θ^ω、ψ^ω分别作为空间直角坐标系相互正交的x、y、z坐标轴上的定义域，得到β**的空间定义域；

建立第一步网格，分别将p^ω、θ^ω、ψ^ω作m1等分并在所有等分点处作等分点所在坐标轴的法平面，各法平面相交形成β**空间定义域的第一步网格，任意一个第一步网格节点满足式(10)、式(11)、式(12)；根据地层勘查资料确定掘进地层rc后，将点代入式(8)，得到β**的空间定义域内各第一步网格节点对应的β**；将β**的空间定义域内各第一步网格节点对应的β**按大小降序排列，得第一步网格节点β**数列；取第一步网格节点β**中最大的前20％的β**所对应的网格节点作为第一步网格优势点；

建立第二步网格，对每个第一步网格优势点，取以该点为体心且在x、y、z轴投影长度分别为的长方体并将长方体各边作m2等分，作各等分点所在坐标轴的法平面，各法平面相交形成该第一步网格优势点的第二步网格，任意一个第二步网格节点满足式(13)、式(14)、式(15)；根据地层勘查资料确定掘进地层rc后，将点代入式(8)，得到所有第二步网格节点对应的β**；

将第一步网格优势点对应的β**和所有第二步网格节点对应的β**汇总并取β**最大的前10％所对应的网格节点作为初选优化参数点；

步骤六、掘进速率校核

刀盘上分布有正滚刀和边滚刀，正滚刀平行于掘进方向安装，而边滚刀与掘进方向之间存在不为零的边滚刀安装角度；有效推力近似均分到每把滚刀上的与掘进方向平行的力为f/n，正滚刀和边滚刀所受与掘进方向平行的力近似平均为f/n，其中正滚刀数量为nfc具，边滚刀数量为nlc，刀具总数为n具，如式(16)所示；根据力的平衡，刀盘所受地层阻力合力等于有效推力合力，刀盘扭矩等于地层阻力对刀盘主轴的合力矩，根据圣维南原理，正滚刀所受的刀盘扭矩总和近似为λμ(fnfc/n)r/2，刀盘扭矩可近似为有效推力在刀具与掌子面岩石之间产生的咬合力与摩阻力的合力矩，如式(17)，r为正滚刀最大安装半径，rw为第w具边滚刀的安装半径，θw为第w具边滚刀的安装角度，μ为钢铁与地层之间的摩擦系数，λ为经验修正系数；

n＝nfc+nlc(16)

根据式(8)，则掘进速率待判定值v**如式(18)所示；

将初选优化参数点的刀盘转速n、土仓压力p、有效推力f代入式(18)得该点对应的v**，对各初选优化参数点逐个计算对应的v**，取v**最大时的初选优化参数点的掘进参数作为优化后掘进参数。

2.根据权利要求1所述的一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，其特征在于，步骤一中：v、t、f、p、n的单位分别为mm/min、10⁶nm、kn、bar、r/min。

3.根据权利要求1所述的一种优化土压平衡式盾构机掘进参数的快速方法，其特征在于，步骤六中：λ为经验修正系数，λ在花岗岩地层、安山岩地层、石灰岩地层中可分别取0.24、0.21、0.2。