[发明专利]一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法

说明书

本发明公开了一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法，涉及深埋隧道护盾式TBM高效掘进和安全控制的技术领域。本方法是：①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器；②获得测点应变实测数据ε_m；③建立TBM护盾有限元计算模型；④通过护盾外表面分区得到荷载识别参数；⑤通过牛顿迭代和Moore‑Penrose广义逆求解得到护盾外表面围岩荷载；⑥对荷载积分得到护盾外表面摩阻力。本发明的计算精度高，可视化效果好，适合于现场TBM护盾外表面荷载的识别，能够为开挖隧道安全施工、卡机预警和事故处理提供指导。

技术领域

本发明涉及深埋隧道护盾式TBM高效掘进和安全控制的技术领域，尤其涉及一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法。

背景技术

TBM(Tunnel boring machine)工法相对传统钻爆法具有优质、高效、经济、安全和环保等优势，在深埋长大隧道建设过程中成为优先的考虑对象。但是，TBM在穿越深埋高应力软弱破碎地层时，在开挖扰动作用下围岩容易发生挤压大变形。一旦围岩变形量超过TBM护盾与围岩之间的预留间隙，围岩便对护盾造成挤压，当机器推挤系统的额定推力不足以克服护盾表面的摩阻力，即发生卡机事故。由于护盾的存在限制了对围岩状态的观察，一般只有当机器完全被卡住才能察觉卡机事故的发生。卡机事故的处理不仅延误工期，而且还会造成严重的经济损失。围岩的变形通常具有显著的时效性，护盾表面围岩荷载大小的演变也是一个逐渐发展的过程。因此，如果在掘进过程中能够有效地识别护盾表面的围岩荷载，便能够在围岩荷载发展前期及时地采取措施避免卡机，这对隧道施工安全管理、进度控制和成本控制等都有着重大意义。但是，围岩与护盾之间的间隙狭小，且存在强烈的相互作用，在护盾外表面安装传感器直接监测围岩荷载目前还存在困难。考虑到获取护盾内表面应变相对简单，可以通过数值反演来确定护盾外表面的荷载分布，进而确定护盾表面摩阻力的大小。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维TBM护盾表面围岩荷载识别方法，为护盾式TBM开挖隧道安全施工、卡机预警和事故处理提供指导。该方法识别精度高，实现简单，适合于三维TBM护盾外表面围岩荷载识别问题，同时也能够扩展到其它结构的荷载识别问题。

本发明采用下述技术方案：

具体地说，本方法包括以下步骤：

①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器

所述的预设测点数目应尽量多且均匀分布，避开护盾内部移动机械构件作用区域；

所述的应变监测传感器采用表面应变计或者光纤应变传感器，传感器在每个测点分别沿护盾内表面轴向和环向布置，也可以沿单个方向布置，同时需要对传感器施加保护措施；

②获得测点应变实测数据ε_m

所述的实测应变数据利用现有的应变数据采集仪获取，以便实现长期工作，现场需将采集仪进行防水密封处理，并配备UPS不间断电源；

③建立TBM护盾有限元计算模型

所述的有限元计算模型通过有限元建模程序或者软件生成，应考虑护盾实际结构及其内部与盾体相连的主要部件，如焊接在护盾上的圈梁、支撑等，模型采用实体单元网格划分，模型尺寸和材料属性与实际一致。

④通过护盾外表面分区得到荷载识别参数

所述的护盾外表面分区采用多边形进行分区，各多边形区域的节点值作为荷载识别参数P_I，记录荷载识别参数个数d，任意区域内部的荷载通过该区域节点值线性插值或者非线性插值得到，具体插值形式视分区方式而定；

⑤通过牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解得到护盾外表面围岩荷载

所述的牛顿迭代和Moore-Penrose广义逆求解流程如下：