基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制系统及方法与流程

本发明涉及量化模拟系统，具体涉及基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制系统及方法。

背景技术：

1、隧道在城市交通、水资源管理、能源输送等领域中起着关键作用，然而，隧道施工过程可能对周围的环境产生重要的影响，包括噪音、空气质量、土壤和水质的变化，以及对野生动植物生态系统的影响，因此，有必要量化和评估这些环境影响，以确保项目的可持续性；

2、在大型基础设施项目中，隧道施工环境量化模拟系统是一种用于模拟和评估隧道建设过程中的环境影响的工具。

3、现有隧道进行盾构施工时，通常是由操作员根据施工地质和施工条件来设置初始的盾构挖掘速度，盾构机依据设定的盾构速度对隧道进行挖掘，存在以下缺陷：

4、当盾构机挖掘隧道过程中对周边环境造成影响时，模拟系统无法依据对周边环境的影响程度来调节盾构机挖掘速度，继续通过设定的盾构挖掘速度挖掘隧道时，容易引发安全事故（如隧道坍塌等），存在安全隐患；若盾构机挖掘隧道过程中自身性能下降，此时不降低盾构机的盾构挖掘速度，一是容易导致挖掘路线或挖掘大小出现偏差，二是容易导致盾构机出现故障或故障蔓延，增加盾构机的维修成本；在盾构机挖掘隧道过程中，模拟系统对挖掘异常没有预测处理，无法保证盾构机挖掘隧道的安全性和稳定性。

5、上述问题亟待解决，为此，提出基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制系统及方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何对隧道施工环境进行量化模拟，实现对盾构挖掘速度的调节控制，进而保证盾构机挖掘隧道的安全性和稳定性，提供了基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制系统。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括环境模拟模块、设备模拟模块、分析模块、阈值设定模块、预警模块、优化模块、计算模块以及显示模块；

3、所述环境模拟模块，用于模拟隧道施工地点的环境状态，并实时监测盾构施工下的隧道周边的环境数据；

4、所述设备模拟模块，用于模拟盾构施工过程中盾构机的运行状态，并实时监测盾构机的性能数据；

5、所述分析模块，用于对环境模拟模块监测得到的环境数据以及设备模拟模块监测得到的性能数据进行预处理后，实时分析环境数据和性能数据并生成施工系数；

6、所述阈值设定模块，用于设置梯度阈值，梯度阈值包括第一阈值以及第二阈值，且第一阈值小于第二阈值；

7、所述预警模块，用于在获取施工系数后，依据施工系数与第二阈值的对比结果判断是否发出预警信号；

8、所述优化模块，用于在获取施工系数后，依据施工系数与第一阈值、第二阈值的对比结果判断是否需要调节盾构挖掘速度，当需要调节盾构挖掘速度时，唤醒计算模块；

9、所述计算模块，用于通过施工系数重新修正初始盾构速度后获取实时盾构速度；

10、所述显示模块，用于将预警信号或实时盾构速度向盾构机操作员显示。

11、更进一步地，在所述环境模拟模块中，环境数据包括地表沉降离散指数、地下水位降低速率、地质振动偏差幅值；在所述设备模拟模块中，性能数据包括刀盘转速浮动系数。

12、更进一步地，在所述分析模块中，施工系数的计算公式如下：

13、

14、其中，为地下水位降低速率，为地质振动偏差幅值，为地表沉降离散指数，为刀盘转速浮动系数，、、、分别为地下水位降低速率、地质振动偏差幅值、地表沉降离散指数、刀盘转速浮动系数的比例系数，且、、、均大于0。

15、更进一步地，所述地下水位降低速率的计算公式为：

16、

17、其中，是水平渗透率，是地下水位下降的高度差，是地下水位下降的影响区域的截面积，表示地下水位监测时间段。

18、更进一步地，所述地质振动偏差幅值的计算公式为：

19、

20、其中，为盾构机施工过程中实时监测的岩层振动强度，为施工区域地质承受最大振动强度。

21、更进一步地，所述地表沉降离散指数的获取过程如下：

22、步骤s101：计算地表沉降标准差，公式如下：

23、

24、其中，，表示隧道施工地表监测点的数量，为正整数，表示第i个地表监测点处的地表沉降值，表示地表沉降平均值；

25、步骤s102：根据地表沉降平均值与沉降阈值之间的关系，以及地表沉降标准差与标准差阈值之间关系，得到对应的地表沉降离散指数，具体如下：

26、若地表沉降平均值≤沉降阈值，且地表沉降标准差≤标准差阈值，则；

27、若地表沉降平均值≤沉降阈值，且地表沉降标准差＞标准差阈值，则；

28、若地表沉降平均值＞沉降阈值，且地表沉降标准差＞标准差阈值，则；

29、若地表沉降平均值＞沉降阈值，且地表沉降标准差≤标准差阈值，则。

30、更进一步地，所述刀盘转速浮动系数的计算公式为：

31、

32、其中，为刀盘的实时转速变化量，为液压供给压力波动预警的时段，为刀盘噪声分贝预警的时段。

33、更进一步地，在所述预警模块中，获取施工系数值后，若施工系数值＞第二阈值，则判断发出预警信号，若施工系数值≤第二阈值，则判断不发出预警信号。

34、更进一步地，在所述优化模块中，获取施工系数值后，若施工系数值≤第一阈值，判断不需要调节盾构挖掘速度，若第一阈值＜施工系数值≤第二阈值，判断需要调节盾构挖掘速度。

35、更进一步地，在所述计算模块中，通过施工系数重新修正初始盾构速度后获取实时盾构速度，计算公式为：

36、

37、其中，表示初始盾构速度，表示实时盾构速度，为施工系数。

38、本实施例中基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制方法，利用上述的系统对盾构挖掘速度进行调节控制，包括以下步骤：

39、步骤s1：模拟隧道施工地点的环境状态，并实时监测盾构施工下的隧道周边的环境数据；

40、步骤s2：模拟盾构施工过程中盾构机的运行状态，并实时监测盾构机的性能数据；

41、步骤s3：对步骤s1得到的环境数据和步骤s2中得到的性能数据进行预处理后，实时分析环境数据和性能数据并生成施工系数；

42、步骤s4：依据施工系数与第二阈值的对比结果判断是否发出预警信号，当判断发出预警信号时，将预警信号发送至远程管控中心；

43、步骤s5：依据施工系数与第一阈值、第二阈值的对比结果判断是否需要调节盾构挖掘速度；

44、步骤s6：当需要调节盾构挖掘速度时，通过施工系数重新修正初始盾构速度后获取实时盾构速度。

45、本发明相比现有技术具有以下优点：该基于隧道施工环境量化模拟的盾构速度控制系统及方法，通过环境模拟模块实时监测盾构施工下的隧道周边环境数据，设备模拟模块实时监测盾构机的性能数据，分析模块对环境数据和性能数据进行预处理后，实时分析环境数据和性能数据并生成施工系数，预警模块获取施工系数后，依据施工系数与第二阈值的对比结果判断是否发出预警信号，当判断发出预警信号时，将预警信号发送至显示模块以及远程管控中心，优化模块获取施工系数后，依据施工系数与第一阈值、第二阈值的对比结果判断是否需要调节盾构挖掘速度，当需要调节盾构挖掘速度时，计算模块通过施工系数重新修正初始盾构速度后获取实时盾构速度，该模拟系统能够在隧道施工时，依据盾构机性能以及施工对环境的影响来调节盾构机的盾构挖掘速度，保障施工安全性和盾构机运行的稳定性，并且，能够有效预测施工异常，从而在异常发生前及时作出预警，进一步提高隧道施工的安全性。