一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法

技术领域

本发明涉及土压平衡隧道施工技术领域，尤其涉及一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法。

背景技术

随着地铁隧道的里程日益剧增，土压平衡盾构因其安全、高效、建造成本低等优势而被广泛应用，有超过90％的城市软土隧道采用土压平衡盾构修建。土压平衡盾构机在其开挖过程中，原始地层会被盾构刀盘切削并进入土仓，被切削下的土体作为一种支撑媒介用于平衡掌子面前面的水土压力。为使渣土能够以一种可控的方式通过螺旋输送机被排出，通常需进行渣土改良进而确保渣土具有合适的改良状态。

现有关于盾构渣土改良状态的评价方法均是在大气压条件下进行的，但实际上的盾构渣土在土仓内是处于带压状态，因此常规的渣土改良状态评价方法具有一定的局限性，不能准确评价盾构渣土的改良状态，从而导致盾构施工具有一定的盲目性。

发明内容

针对现有技术盾构土仓压力难以准确调控的问题，本发明提供一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法，包括如下步骤：

S1、其中以土仓压力、改良参数和级配参数作为输入变量，以有效侧向土压力系数作为输出变量，训练得到随机森林模型；

S2、计算渣土压缩系数最小建议值对应的土仓压力P

S3、计算所述土仓压力P

S4、根据所述泡沫注入比FIR

S5、根据所述有效侧向土压力系数K

ρ

公式(5)中，ρ

S6、获取盾构机内土仓压力传感器的示数，计算土仓内渣土的类密度ρ

公式(6)中，P

S7、根据步骤S6中计算得到的类密度ρ

S8、当所述改良状态处于第一改良状态时，按照所述预设改良参数进行掘进，否则需调整所述预设改良参数，直至所述改良状态处于第一改良状态。

具体的，步骤S1具体为：通过渣土的压缩试验获取第一数量组有效侧向土压力系数，随机选取其中第二数量组数据作为训练样本，剩余的第三数量组数据作为测试样本，其中以土仓压力、改良参数和级配参数作为输入变量，以有效侧向土压力系数作为输出变量，训练得到随机森林模型。

具体的，所述级配参数包括控制粒径、曲率系数和不均匀系数，所述改良参数包括含水率、泡沫注入比。

所述步骤S2中计算渣土压缩系数最小建议值所对应的土仓压力P

公式(1)中，e

具体的，步骤S3中所述计算所述土仓压力P

公式(3)中，FIR

具体的，步骤S4根据所述泡沫注入比FIR

公式(4)中，ρ

具体的，步骤S6中所述上方土仓压力传感器和下方土仓压力传感器分别位于刀盘水平中轴线的上侧和下侧。

具体的，步骤S6中所述上方土仓压力传感器和下方土仓压力传感器之间的间距z为1/2D～4/5D，其中D为盾构机的刀盘直径。

具体的，步骤S7中所述改良状态包括第一改良状态、第二改良状态、第三改良状态及第四改良状态，其中，

若1g/cm

若ρ

若ρ

若0<ρ

具体的，步骤S8中所述否则需调整所述预设改良参数，直至所述改良状态处于第一改良状态具体为：

当所述改良状态处于第二改良状态或第三改良状态时，增加泡沫注入比，当所述改良状态处于第四改良状态时，减少泡沫注入比，直至所述改良状态处于第一改良状态。

本发明公开了一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法，所述方法包括：以土仓压力、改良参数和级配参数作为输入变量，以有效侧向土压力系数作为输出变量，训练随机森林模型，进一步将渣土压缩系数最小建议值对应的土仓压力、预设改良参数和预设级配参数输入到已训练好的模型中，训练得到有效侧向土压力系数，进而计算得到渣土压缩系数最小建议值所对应的类密度，并结合地层原始密度，构建渣土改良状态评价体系，通过不断优化改良参数以满足盾构的安全施工要求。

本发明的基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法基于类密度概念，通过计算渣土压缩系数最小建议值所对应的类密度并将其作为渣土改良状态和压缩性评价参考指标，可以更加准确的评价带压状态下盾构渣土真实改良状态，进而实时反馈指导施工，避免了渣土改良的盲目性，在一定程度上能有效避免盾构安全事故的发生，大幅节约渣土改良的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例提供的一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法流程图；

图2是根据本发明实施例提供的随机森林模型示意图；

图3是根据本发明实施例提供的土仓压力传感器示意图；

图4是根据本发明实施例计算的盾构渣土压缩曲线。

其中，1-上方土仓压力传感器，2-刀盘，3-下方土仓压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参考图1，根据本实施例公开了一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法，其包括如下步骤：

S1、其中以土仓压力、改良参数和级配参数作为输入变量，以有效侧向土压力系数作为输出变量，训练得到随机森林模型；

具体的，步骤S1具体为：通过渣土的压缩试验获取第一数量组有效侧向土压力系数，随机选取其中第二数量组数据作为训练样本，剩余的第三数量组数据作为测试样本，其中以土仓压力、改良参数和级配参数作为输入变量，以有效侧向土压力系数作为输出变量，训练得到随机森林模型，如图2所示。

优选的，本实施例选取的第一数量为150，第二数量为130，第三数量为20；

在另一种实施方式中随机森林模型也可以提前训练获得。

具体的，所述级配参数包括控制粒径、曲率系数和不均匀系数，所述改良参数包括含水率、泡沫注入比。

S2、计算渣土压缩系数最小建议值对应的土仓压力P

具体的，所述步骤S2中计算渣土压缩系数最小建议值所对应的土仓压力P

具体的，首先通过公式(1)得到渣土的压缩曲线，如图4所示；公式(2)为压缩系数的定义，由于其斜率的负值代表压缩系数，换言之，对公式(1)求导即为压缩系数曲线，进而可得到所述渣土压缩系数最小建议值对应的土仓压力P

公式(1)中，e

具体的，通过公式(1)得到的渣土的压缩曲线，根据曲线上的点可以得到相应的土仓压力和孔隙比，由公式(2)可知压缩系数即为压缩曲线上的点对应斜率的负值，换言之，根据公式(1)求导建立的渣土压缩系数曲线上每个点亦可得到相应的土仓压力和孔隙比，所以联立公式(1)和公式(2)可以计算出渣土压缩系数最小建议值所对应的土仓压力P

优选的，本实施例中所述渣土压缩系数最小建议值为2.6％/Bar；

优选的，本实施例中第一预设压力为100kPa，第二预设压力为200kPa。

S3、计算所述土仓压力P

具体的，步骤S3中所述计算所述土仓压力P

公式(3)中，FIR

S4、根据所述泡沫注入比FIR

具体的，步骤S4根据所述泡沫注入比FIR

公式(4)中，ρ

S5、根据所述有效侧向土压力系数K

ρ

公式(5)中，ρ

S6、获取盾构机内土仓压力传感器的示数，计算土仓内渣土的类密度ρ

公式(6)中，P

具体的，如图3所示，刀盘2的水平中轴线上侧和下侧分别设置有上方土压仓压力传感器1和下方土仓压力传感器3，两个压力传感器分别监测土仓上下两侧的压力并反馈压力读数。土压仓压力传感器1和下方土仓压力传感器3的压力读数可随时读取，当改良参数改变时，压力读数可能会随着改良参数的改变而改变。

具体的，所述上方仓压力传感器1与下方土仓压力传感器3之间的间距为1/2D～4/5D，D为盾构机的刀盘2的直径。

S7、根据步骤S6中计算得到的类密度ρ

若1g/cm

若ρ

但压缩性不合适；

若ρ

若0<ρ

S8、当所述改良状态处于第一改良状态时，按照所述预设改良参数进行掘进，否则需调整所述预设改良参数，直至所述改良状态处于第一改良状态。

具体的，步骤S8中所述否则需调整所述预设改良参数，直至所述改良状态处于第一改良状态，具体为：

当所述改良状态处于第二改良状态或第三改良状态时，增加泡沫注入比，当所述改良状态处于第四改良状态时，减少泡沫注入比，直至所述改良状态处于第一改良状态。

当1g/cm

本实施例公开了一种基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法，所述方法包括：以土仓压力、改良参数和级配参数作为输入变量，以有效侧向土压力系数作为输出变量，训练随机森林模型，进一步将渣土压缩系数最小建议值对应的土仓压力、预设改良参数和预设级配参数输入到已训练好的模型中，训练得到有效侧向土压力系数，进而计算得到渣土压缩系数最小建议值所对应的类密度，并结合地层原始密度，构建渣土改良状态评价体系，通过不断优化改良参数以满足盾构的安全施工要求。

本实施例的基于类密度带压条件下盾构渣土改良评价方法基于类密度概念，通过计算渣土压缩系数最小建议值所对应的类密度并将其作为渣土改良状态和压缩性评价参考指标，可以更加准确的评价带压状态下盾构渣土真实改良状态，进而实时反馈指导施工，避免了渣土改良的盲目性，在一定程度上能有效避免盾构安全事故的发生，大幅节约渣土改良的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。