本發(fā)明屬于tbm施工，具體涉及一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法及補(bǔ)償系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、tbm目前廣泛應(yīng)用在鐵路、公路、礦山、水電建設(shè)等隧道工程，tbm掘進(jìn)過(guò)程中，撐靴為其提供穩(wěn)定的支撐力，保證tbm的刀盤具有正常的掘進(jìn)姿態(tài)。

2、在掘進(jìn)過(guò)程中，若隧道的巖壁出現(xiàn)塌腔或者隧道斷面尺寸較大時(shí)，撐靴的油缸行程不足以使撐靴接觸到巖壁，導(dǎo)致?lián)窝ナブ吸c(diǎn)，無(wú)法通過(guò)撐緊巖壁為tbm提供推進(jìn)力和支撐力。

3、面對(duì)上述問(wèn)題時(shí)，目前一般會(huì)在塌腔位置或巖壁表面堆砌枕木，堆砌枕木的難度較大，而且枕木堆砌不當(dāng)時(shí)，在撐靴的擠壓下容易松散。

4、另外，針對(duì)出現(xiàn)塌腔的情況，還可采用澆注混凝土來(lái)修補(bǔ)塌腔，但是該方法需要等待混凝土凝固，在混凝土徹底凝固之前無(wú)法進(jìn)行施工，十分耽誤時(shí)間。

5、公開(kāi)于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，用于解決tbm的撐靴無(wú)法穩(wěn)定支撐至隧道的塌腔位置和巖壁的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一具體實(shí)施方式提供了一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

3、提供一種tbm撐靴，tbm撐靴包括一級(jí)油缸、安裝于一級(jí)油缸伸縮端的一級(jí)撐靴、安裝于一級(jí)撐靴背向一級(jí)油缸一側(cè)的多個(gè)二級(jí)油缸、一一對(duì)應(yīng)安裝于二級(jí)油缸伸縮端的多個(gè)二級(jí)撐靴和一一對(duì)應(yīng)安裝于各個(gè)二級(jí)撐靴上的多個(gè)光纖傳感器；

4、將隧道的待支撐部位劃分為與多個(gè)二級(jí)油缸一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)待支撐區(qū)域；

5、當(dāng)一級(jí)油缸的伸出量達(dá)到極限行程時(shí)，各個(gè)二級(jí)油缸伸出，驅(qū)動(dòng)各個(gè)二級(jí)撐靴朝向待支撐部位移動(dòng)；

6、當(dāng)二級(jí)撐靴與對(duì)應(yīng)的待支撐區(qū)域接觸，并且二級(jí)撐靴與對(duì)應(yīng)的待支撐區(qū)域的接觸應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力閾值σ時(shí)，二級(jí)油缸停止伸出；

7、通過(guò)光纖傳感器檢測(cè)各個(gè)待支撐區(qū)域的應(yīng)變量，根據(jù)應(yīng)變量計(jì)算各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度和梯度變化率

8、根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度和梯度變化率控制各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)的伸出順序。

9、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，計(jì)算各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度和梯度變化率包括如下步驟：

10、各個(gè)光纖傳感器均包括多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位，基于各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位的應(yīng)變量檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用差值法計(jì)算得到相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位應(yīng)變梯度，對(duì)所有的應(yīng)變梯度求平均值獲得平均梯度

11、基于計(jì)算得到的所有應(yīng)變梯度，利用線性規(guī)劃模型計(jì)算出各個(gè)待支撐區(qū)域的梯度變化率

12、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，利用線性規(guī)劃模型計(jì)算出各個(gè)待支撐區(qū)域的梯度變化率包括如下步驟：

13、多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位呈矩陣狀布置，根據(jù)每行或每列檢測(cè)點(diǎn)位的應(yīng)變梯度，利用一元二次線性回歸模型計(jì)算出每行或每列的應(yīng)變梯度模型，各個(gè)應(yīng)變梯度模型斜率的平均值作為梯度變化率

14、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度和梯度變化率控制各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)的伸出順序，包括如下步驟：

15、根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序模型確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)的伸出順序，優(yōu)先級(jí)排序模型為：

16、

17、其中，ni為二級(jí)油缸的優(yōu)先級(jí)系數(shù)，α為第一權(quán)重系數(shù)；

18、二級(jí)油缸的優(yōu)先級(jí)系數(shù)ni越大，則越先伸出。

19、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，tbm撐靴行程補(bǔ)償方法還包括如下步驟：根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的油缸壓力pi和伸出速度vi。

20、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的油缸壓力pi，包括如下步驟：

21、根據(jù)油缸壓力控制模型確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的油缸壓力pi，油缸壓力控制模型為：

22、

23、其中，pbase為基準(zhǔn)油缸壓力，gref為梯度參考值，β為第二權(quán)重系數(shù)。

24、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的伸出速度vi，包括如下步驟：

25、根據(jù)油缸伸出速度控制模型確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的伸出速度vi，所述油缸伸出速度控制模型為：

26、

27、其中，vmax為最大允許伸出速度，k為衰減系數(shù)。

28、本發(fā)明另一方面還提供了一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償系統(tǒng)，包括一級(jí)撐靴組件、二級(jí)撐靴組件、多個(gè)光纖傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊。一級(jí)撐靴組件包括一級(jí)撐靴和驅(qū)動(dòng)一級(jí)撐靴的一級(jí)油缸。二級(jí)撐靴組件安裝于一級(jí)撐靴背向一級(jí)油缸的一側(cè)，二級(jí)撐靴組件包括多個(gè)二級(jí)撐靴和一一對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)二級(jí)撐靴的多個(gè)二級(jí)油缸。多個(gè)光纖傳感器分布于各個(gè)二級(jí)撐靴朝向隧道的巖壁，并用于檢測(cè)各個(gè)待支撐區(qū)域的應(yīng)變量。數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)光纖傳感器測(cè)得的應(yīng)變量，計(jì)算各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度gi和梯度變化率控制模塊其用于控制多個(gè)二級(jí)油缸的伸出順序。

29、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序模型計(jì)算出各個(gè)二級(jí)油缸的優(yōu)先級(jí)系數(shù)ni，優(yōu)先級(jí)排序模型為：

30、

31、其中，ni為二級(jí)油缸(3)的優(yōu)先級(jí)系數(shù)，α為第一權(quán)重系數(shù)。

32、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)處理模塊還用于根據(jù)油缸壓力控制模型確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的油缸壓力pi，油缸壓力控制模型為：

33、

34、其中，pbase為基準(zhǔn)油缸壓力，gref為梯度參考值，β為第二權(quán)重系數(shù)；

35、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)處理模塊還用于根據(jù)油缸伸出速度控制模型確定各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)伸出時(shí)的伸出速度vi，油缸伸出速度控制模型為：

36、

37、其中，vmax為最大允許伸出速度，k為衰減系數(shù)。

38、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，各個(gè)光纖傳感器均沿矩形螺旋線布置于所述二級(jí)撐靴上。

39、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，二級(jí)油缸與二級(jí)撐靴之間通過(guò)球鉸連接。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用一級(jí)撐靴組件和二級(jí)撐靴組件對(duì)tbm的撐靴行程進(jìn)行補(bǔ)償，使得tbm在隧道的待支撐部位可以獲得足夠的支撐力來(lái)調(diào)整姿態(tài)。并且，本發(fā)明還可通過(guò)各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度和梯度變化率，控制各個(gè)二級(jí)油缸的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)撐靴的精細(xì)化控制。

技術(shù)特征：

1.一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，計(jì)算各個(gè)待支撐區(qū)域(81)的平均梯度和梯度變化率包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，利用線性規(guī)劃模型計(jì)算出各個(gè)待支撐區(qū)域(81)的梯度變化率包括如下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域(81)的平均梯度和梯度變化率控制各個(gè)二級(jí)油缸(3)后續(xù)的伸出順序，包括如下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，所述tbm撐靴行程補(bǔ)償方法還包括如下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域(81)的平均梯度確定各個(gè)二級(jí)油缸(3)后續(xù)伸出時(shí)的油缸壓力pi，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償方法，其特征在于，根據(jù)各個(gè)待支撐區(qū)域(81)的平均梯度確定各個(gè)二級(jí)油缸(3)后續(xù)伸出時(shí)的伸出速度vi，包括如下步驟：

8.一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊(6)根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序模型計(jì)算出各個(gè)二級(jí)油缸(3)的優(yōu)先級(jí)系數(shù)ni，所述優(yōu)先級(jí)排序模型為：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的tbm撐靴行程補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，各個(gè)所述光纖傳感器(5)均沿矩形螺旋線布置于所述二級(jí)撐靴(4)上；和/或，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多級(jí)油缸聯(lián)動(dòng)的TBM撐靴行程補(bǔ)償方法及補(bǔ)償系統(tǒng)，包括以下步驟：當(dāng)一級(jí)油缸的伸出量達(dá)到極限行程時(shí)，各個(gè)二級(jí)油缸伸出，驅(qū)動(dòng)各個(gè)二級(jí)撐靴朝向隧道的巖壁移動(dòng)；二級(jí)撐靴與待支撐部位接觸，二級(jí)撐靴與待支撐部位的接觸應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力閾值σ時(shí)，二級(jí)油缸停止伸出；檢測(cè)待支撐部位的應(yīng)變量，計(jì)算待支撐部位的平均梯度和梯度變化率；根據(jù)平均梯度和梯度變化率控制各個(gè)二級(jí)油缸后續(xù)的伸出順序。本發(fā)明能夠?qū)BM的撐靴行程進(jìn)行補(bǔ)償，使得TBM在待支撐部位可以獲得足夠的支撐力來(lái)調(diào)整姿態(tài)。并且，通過(guò)計(jì)算各個(gè)待支撐區(qū)域的平均梯度和梯度變化率，能夠控制各個(gè)二級(jí)油缸的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)撐靴的精細(xì)化控制。

技術(shù)研發(fā)人員：張家樂(lè),楊明,趙敬秋,初月朗,梁程程,謝付沅,劉璐璐,王念濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15