考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法与流程

本发明涉及盾构控制，具体涉及一种考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法。

背景技术：

1、地下轨道交通建设过程中，城市区域盾构施工对地层变形控制具有较高的要求，为了避免安全事故的发生，盾构施工过程中需要对地表沉降进行监测和控制。对于泥水平衡盾构机，工程上通过对盾构机的掘进参数进行实时调整，进而控制地表沉降。工程上主要对气泡仓压力和注浆量两项掘进参数进行调控。通过调整盾构机气泡仓压力控制盾构机刀口前方地表沉降，通过调整盾构机盾尾注浆量控制盾尾后方地表沉降。此外，盾构机推进速度、刀盘转速作为主控掘进参数，对刀口前方地表沉降也具有一定影响。

2、现阶段盾构施工中主要通过地表沉降监测反馈，凭借人工经验对盾构机掘进参数进行调整，但地表监测存在时间滞后、监测成本较高的缺点，机器学习算法能够考虑盾构施工中的各类因素，通过预先训练的模型在较短的时间内快速预测地表沉降，预测精度相比传统的预测方法也有所提高。

3、根据工程监测数据，地表实时沉降缺乏规律性，难以为掘进参数控制提供直接指导，但工后一段时间内，地表沉降将趋于稳定，适宜作为控制目标。此外盾构机自身存在一定长度，盾尾注浆相对于刀盘气泡仓存在时间和空间上的滞后，预测某一测点的地表沉降，模型输入参数采用的气泡仓压力和注浆量应该考虑到这种滞后，在对二者进行分步优化时也应考虑到注浆滞后，如何盾尾处地表施工沉降量进行有效预测，对盾尾注浆进行优化成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，针对不同的掘进参数进行分步优化控制，首先以切口环处的地表累计施工沉降预测值作为气泡仓压力、推进速度、刀盘转速的控制目标，然后以注浆环处的地表累计施工沉降预测值作为注浆量的控制目标，考虑了盾构机盾尾注浆相对气泡仓时间、空间上的滞后，本发明方法对盾尾处地表累计施工沉降量进行预测，对盾尾注浆量进行寻优，提高盾构控制技术水平。

2、为了达到上述发明的目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，包括以下步骤：

4、s1、根据已建工程数据构建数据库，对于沉降控制良好的区段采用dbscan聚类算法实现细化工况类别提取，形成细化工况数据库，将在建工程的工况数据与细化工况数据库进行工况匹配，获取盾尾注浆量预设值；

5、s2、采用集成算法构建并训练地表沉降预测模型，在刀盘切口环处，将盾尾注浆量预设值和切口环的盾构机掘进参数作为模型输入，对切口环处地表累计施工沉降量进行预测，利用pso优化算法根据沉降预测结果对切口环掘进参数进行寻优；

6、s3、在盾尾注浆环处，将盾尾注浆量实际值和切口位于此处所记录的其他掘进参数实际值作为模型输入，对盾尾处地表累计施工沉降量进行预测，对盾尾注浆量进行寻优。本发明修正注浆量预设值。

7、进一步地，所述的s1步骤包括以下步骤：

8、s11、根据已建泥水平衡盾构工程的工程地质勘查报告、盾构机掘进参数、地表沉降监测数据构建已建工程数据库；

9、s12、采用dbscan聚类算法对已建工程数据库中沉降控制良好区段的工况数据进行聚类，剔除异常样本，形成细化工况数据库；

10、s13、对在建工程的数据进行处理，将其添加至细化工况数据库，再次进行dbscan聚类，寻找在建工程样本所在的簇，实现工况匹配；

11、s14、对在建工程样本所在簇对应的盾尾注浆量取平均值，作为在建工程在其工况下的盾尾注浆量预设值。

12、进一步地，步骤s11中已建工程数据库的字段包括环号、切平、切高、尾平、尾高、推进速度、总推力、刀盘转速、刀盘扭矩、气泡仓压力、注浆压力、注浆量、盾构机工作状态、盾构机埋深、土层黏聚力、土层内摩擦角、土层压缩模量、地表累计施工沉降量，数据库的记录为每一环的数据。

13、进一步地，地表累计施工沉降量指盾构机外壳脱出监测点所在环号一周后监测点的沉降累计值。

14、进一步地，步骤s12中，细化工况数据库的字段包括：盾构机埋深、土层黏聚力、土层内摩擦角、注浆量，其记录为每一环数据；沉降控制良好的区段指地表累计施工沉降量控制在下沉30mm以内，隆起10mm以内。

15、进一步地，步骤s2中，所述的集成算法为多层stacking集成算法。

16、进一步地，步骤s2中，切口环掘进参数包括：气泡仓压力、推进速度、刀盘转速。

17、进一步地，步骤s3中，若切口环处地表累计施工沉降量预测值在-30～10mm区间，则维持当前掘进参数运行，否则实施寻优。

18、进一步地，步骤s3中，考虑盾尾脱出管片后存在建筑空隙，需要通过浆液进行填充，注浆量的取值范围与盾尾空隙有关，其公式为：

19、v＝αq；

20、

21、其中：v为注浆量；α为注浆量参数，取1.3～1.5；q为盾尾建筑空隙；d为盾构机刀盘直径，d为盾构管片外径。

22、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

23、1.本发明考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，对盾尾处地表累计施工沉降量进行预测，对盾尾注浆量进行寻优，以修正注浆量预设值；

24、2.本发明针对不同的掘进参数进行分步优化控制，首先以切口环处的地表累计施工沉降预测值作为气泡仓压力、推进速度、刀盘转速的控制目标，然后以注浆环处的地表累计施工沉降预测值作为注浆量的控制目标，考虑了盾构机盾尾注浆相对气泡仓时间、空间上的滞后，本发明方法对盾尾处地表累计施工沉降量进行预测，对盾尾注浆量进行寻优，提高盾构控制技术水平。

技术特征：

1.一种考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，所述的s1步骤包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，步骤s11中已建工程数据库的字段包括环号、切平、切高、尾平、尾高、推进速度、总推力、刀盘转速、刀盘扭矩、气泡仓压力、注浆压力、注浆量、盾构机工作状态、盾构机埋深、土层黏聚力、土层内摩擦角、土层压缩模量、地表累计施工沉降量，数据库的记录为每一环的数据。

4.根据权利要求3所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，所述地表累计施工沉降量指盾构机外壳脱出监测点所在环号一周后监测点的沉降累计值。

5.根据权利要求2所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，步骤s12中，细化工况数据库的字段包括：盾构机埋深、土层黏聚力、土层内摩擦角、注浆量，其记录为每一环数据；沉降控制良好的区段指地表累计施工沉降量控制在下沉30mm以内，隆起10mm以内。

6.根据权利要求1所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，步骤s2中，所述的集成算法为多层stacking集成算法。

7.根据权利要求1所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，步骤s2中，切口环掘进参数包括：气泡仓压力、推进速度、刀盘转速。

8.根据权利要求1所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，步骤s3中，若切口环处地表累计施工沉降量预测值在-30～10mm区间，则维持当前掘进参数运行，否则实施寻优。

9.根据权利要求1所述的考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，其特征在于，步骤s3中，考虑盾尾脱出管片后存在建筑空隙，需要通过浆液进行填充，注浆量的取值范围与盾尾空隙有关，其公式为：

技术总结本发明公开了一种考虑注浆滞后泥水平衡盾构掘进参数分步优化方法，属于盾构控制技术领域。所述方法包括：根据已建工程数据构建数据库，采用DBSCAN聚类算法实现细化工况类别提取，将在建工程的工况数据与细化工况数据库进行工况匹配，获取盾尾注浆量预设值；采用集成算法构建并训练地表沉降预测模型，在刀盘切口环处，将盾尾注浆量预设值和切口环的盾构机掘进参数作为模型输入，对切口环处地表累计施工沉降量进行预测，利用PSO优化算法根据沉降预测结果对切口环掘进参数进行寻优；在盾尾注浆环处，将盾尾注浆量实际值和切口位于此处所记录的其他掘进参数实际值作为模型输入，对盾尾处地表累计施工沉降量进行预测，对盾尾注浆量进行寻优。技术研发人员：吴惠明,张孟喜,李刚,陈刚,郑一鸣,郑晨路,唐子淇,王志杰,董鹏,王伊,姜乐,陶昊辰受保护的技术使用者：上海隧道工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23