基于土層識別的盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速控制策略研究

趙曉東

摘要：利用模擬盾構(gòu)試驗平臺，研究了土壓平衡盾構(gòu)掘進過程中土層變化隨刀盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。研究表明，以盾構(gòu)掘進時的場切深指數(shù)（FPI）、扭矩切深指數(shù)（TPI）構(gòu)成特征空間，以盾構(gòu)掘進的土層類別作為預(yù)測變量，對盾構(gòu)掘進過程中控制刀盤轉(zhuǎn)速具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道工程；盾構(gòu)掘進機；土質(zhì)分類；刀盤轉(zhuǎn)速；控制策略

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0194-03

Abstract： Using the simulating testing of the shield tunneling machine， earth layer variation in the course of the digging is studied compared with the cutter head speed. The characteristic variable space built by the Field penetration index （FPI） and Torque penetration index （TPI） of the shield machine demonstrates that the proposed method has good recognition performance and it is significant to control the cutter speed in the course of the digging.

Key words： tunneling engineering； shield tunneling machine； earth layer classification； cutter head speed； control strategy

1 前言

盾構(gòu)機是一種適用于軟土層暗挖隧道的自動化機械，它具有旋轉(zhuǎn)的刀盤和用于支撐的鋼結(jié)構(gòu)外殼。目前，盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速控制主要包括刀盤轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)速檢測、正反轉(zhuǎn)控制等[1-5]。

盾構(gòu)機掘進時，一般采用地質(zhì)初勘法了解盾構(gòu)穿越層的地質(zhì)狀況，由于勘測點間距較大，只能粗略了解隧道沿線的地質(zhì)狀況；而刀盤負載多變且時常顯現(xiàn)為非線性模式[6-7]，故操作員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速是滯后和粗糙的。為保證盾構(gòu)完成較長距離的順利推進，人工設(shè)定的刀盤轉(zhuǎn)速一般比實際需要的轉(zhuǎn)速略高一些，造成了一定的功率浪費。因此，基于經(jīng)驗設(shè)定的刀盤轉(zhuǎn)速并非是最優(yōu)的刀盤轉(zhuǎn)速，有必要進行施工參數(shù)優(yōu)化。

因此，本文通過模擬盾構(gòu)試驗平臺，研究土壓平衡盾構(gòu)掘進過程中土層隨刀盤轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，從而建立土層與刀盤轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系模型，依據(jù)土層分布自動確定刀盤轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速的自動控制，達到刀盤轉(zhuǎn)速適應(yīng)土層變化，從而降低刀盤驅(qū)動功耗的目的。

2 土層的分類預(yù)處理

3 盾構(gòu)行進過程中的刀盤參數(shù)及模型確立

3.1 與土層比例相聯(lián)系的原始特征

盾構(gòu)在隧道施工過程中的工作參數(shù)很多，其中推進力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和推進速度最能反映刀盤所面對的土層狀況的變化[8，9]。經(jīng)多次試驗分析，刀盤扭矩和推進力與土層有直接的關(guān)系。刀盤切深（貫入度Penetration，mm/r），即刀盤每轉(zhuǎn)的前進距離，能直接反映推進速度與刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系，適于做土層分類的原始特征?；谏鲜鲎兞繕?gòu)造新的特征變量，建立不同土質(zhì)狀況下刀盤轉(zhuǎn)速控制的預(yù)測函數(shù)。

3.2原始特征的二次變換

為了便于統(tǒng)計分類，對刀盤切深做相應(yīng)的二次變換，定義如下的特征參數(shù)。

扭矩切深指數(shù)TPI表示單位切深所需的刀盤表面和周向摩擦阻力矩，反映了土層對形成隧洞的抵抗能力，也具有明確的物理意義。同F(xiàn)PI指數(shù)相似，TPI指數(shù)的大小也表征了盾構(gòu)掘進時刀盤前方土層狀況，TPI越大，表明相同扭矩下產(chǎn)生的切深較小，刀盤前方的土層越硬；反之TPI越小，表明相同扭矩下產(chǎn)生的切深較大，刀盤前方的土層越軟。

FPI和TPI指數(shù)分別用單位每轉(zhuǎn)切深的推力和扭矩表示，是為了消除刀盤轉(zhuǎn)速的影響，能夠反映刀盤與土層之間的法向作用及切向作用的本質(zhì)特征。由此可見，使用FPI和TPI指數(shù)作為盾構(gòu)掘進土層狀況識別的特征參數(shù)是比較理想的。

掘進過程中的多次實踐表明，在理想狀況即完整性較好的土層，F(xiàn)PI和TPI的相關(guān)性較好；但遇到各類土質(zhì)混雜等情況時二者間的關(guān)系并不明確，例如以下幾種情況：

（1）盾構(gòu)遇到諸如巨型石塊等障礙物或隧道開挖面突然斷裂；

（2）泥漿類巖石與其他粘土經(jīng)地質(zhì)作用形成粉末狀礦物質(zhì)，受壓狀態(tài)下在刀盤表面或土倉內(nèi)形成泥餅；

（3）盾構(gòu)被諸如石塊、硬土等雜物裹挾而不能正常調(diào)整其工作姿態(tài)，從而使得機械參數(shù)出現(xiàn)異常。

3.3 場切深指數(shù)和扭矩切深指數(shù)特征空間的建立

四個區(qū)內(nèi)的土質(zhì)顯現(xiàn)出不同的參數(shù)特性，例如A區(qū)中代表粘土，具有較小的場切深指數(shù)和扭矩切深指數(shù)，說明在產(chǎn)生相同的貫入度時所需要的外部推力和扭矩較小，此時盾構(gòu)機較容易掘進和施工；B區(qū)代表砂土，具有較小的場切深指數(shù)和較大的扭矩切深指數(shù)，說明在產(chǎn)生相同的貫入度時，盾構(gòu)所需要的扭矩較大，而外部推力可以保持在中等的水平；C區(qū)代表粉土，具有較大的場切深指數(shù)和較小的扭矩切深指數(shù)，說明在切深指數(shù)相同時，盾構(gòu)所需的外部推力較大，而扭矩保持在一個中等水平即可；D區(qū)是施工相對較困難的砂礫區(qū)，此時具有較大的場切深指數(shù)和扭矩切深指數(shù)，說明需要在產(chǎn)生相同需求的貫入度時，盾構(gòu)所需的外部推力及扭矩都很大，施工困難，難以掘進。

4 盾構(gòu)行進過程中的土層識別及刀盤控制策略

綜合第2節(jié)及第3節(jié)的內(nèi)容，可以得到土層識別的具體操作步驟如下：

（1）首先根據(jù)盾構(gòu)在行進過程中的采樣數(shù)據(jù)，分別求出其對應(yīng)的貫入度（即切深指數(shù)），場切深指數(shù)FPI和扭矩切深指數(shù)TPI。

（2）根據(jù)1中求出的FPI和TPI構(gòu)成的二維數(shù)據(jù)點，識別出該數(shù)據(jù)所在的土層類別（數(shù)據(jù)大致所在的類別，即A、B、C、D四種土層的一種）；

（3）根據(jù)2的結(jié)果將數(shù)據(jù)點放在小區(qū)域內(nèi)做二次劃分；

（4）根據(jù)3的結(jié)果輸出具體土質(zhì)類別。

依據(jù)上述算法思想，可得如下的盾構(gòu)行進土質(zhì)識別流程圖。

根據(jù)文中設(shè)計的土層識別算法，可以準確定位出盾構(gòu)機具體的工作土質(zhì)環(huán)境，然后依據(jù)施工經(jīng)驗，適當修正在該工作環(huán)境下的盾構(gòu)物理參數(shù)，例如刀盤電流、刀盤扭矩、盾構(gòu)推力、倉壓等等，這樣既可以保護盾構(gòu)機免受損壞，又可以有效的減少電力資源的浪費。

5 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計原理和模式識別相關(guān)內(nèi)容，研究了盾構(gòu)掘進的場切深指數(shù)和扭矩切深指數(shù)，得到了盾構(gòu)所在的具體土質(zhì)工作環(huán)境，然后依據(jù)土層和土質(zhì)情況，適當調(diào)整物理參數(shù)。試驗結(jié)果表明，本文提出的算法對盾構(gòu)在掘進過程中刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤電流、盾構(gòu)推力等物理參數(shù)的調(diào)整具有積極的指導(dǎo)意義。

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