[发明专利]一种三维TBM护盾外表面围岩荷载识别方法

摘要

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。

主权项

1.一种三维TBM护盾表面围岩荷载识别方法，其特征在于包括以下步骤：①在TBM护盾内表面预设测点安装应变监测传感器(101)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(102)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(103)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部件，包括焊接在护盾上的圈梁和支撑，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(104)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(105)所述的牛顿迭代和Moore‑Penrose广义逆求解流程如下：A、给定荷载识别参数P_I初始值P_I⁰，收敛精度δ，采用有限元计算软件进行正分析，得到测点应变的计算值ε_c；B、得到系统目标方程：r(P_I)＝ε_m‑ε_c   (1)；C、根据牛顿迭代公式，对于第k次迭代：‑(J^k(P_I^k))·ΔP_I^k＝r^k(P_I^k)   (2)；式中，J为雅可比矩阵，即系统目标方程的一阶偏导数矩阵，具有如下形式：式中，w为测点的个数，e_j(j＝1，2…d)表示第j个元素为1的单位向量，为摄动量；D、引入Moore‑Penrose广义逆对方程(2)进行求解，采用下式求解：当w<d时：ΔP_I^k＝‑(J^k(P_I^k))^T·(J^k(P_I^k)·(J^k(P_I^k))^T)^‑1·r^k(P_I^k)   (4)；当w≥d时：ΔP_I^k＝‑((J^k(P_I^k))^T·J^k(P_I^k))^‑1·J^k(P_I^k)·r^k(P_I^k)   (5)；E、检查测点应变计算值是否满足收敛要求||r^k||/||ε_m||＜δ，如果满足则停止计算，以P_I^k+1＝P_I^k+ΔP_I^k作为反演结果，通过插值得到护盾外表面围岩荷载，否则进入下一轮迭代；⑥对荷载积分得到护盾外表面摩阻力(106)所述的摩阻力F_f的计算方法如下：公式中：n：沿TBM护盾外表面环向分区个数；m：沿TBM护盾外表面轴向分区个数；μ：TBM护盾外表面的摩擦系数；P(z,θ)：TBM护盾外表面任意一点的荷载值；z：柱坐标系下TBM护盾外表面任意一点的轴向坐标；θ：柱坐标系下TBM护盾外表面任意一点的环向坐标。