楊 云, 陶冬青, 郭建豪, 陳莉娜, 蘭 浩,*

(1. 湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410000; 2. 中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司, 江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快,越來(lái)越多的建筑撥地而起,大廈密集,城市道路四通八達(dá),但與此同時(shí),各種問題也接踵而至,如用地緊張、生存空間擁擠等。在這種情況下,人們開始大力開展對(duì)城市地下空間的開發(fā)。盾構(gòu)法施工具有施工速度快、洞體質(zhì)量較穩(wěn)定、對(duì)周圍建筑物影響較小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于城市交通隧道、市政隧道的建設(shè)中。盾構(gòu)法適用于軟土地基段施工,在強(qiáng)風(fēng)化巖石地層或黏土地層掘進(jìn)時(shí),被刀盤切削破碎的渣土受持續(xù)碾壓作用形成半固結(jié)或固結(jié)塊狀體,黏附在刀盤結(jié)構(gòu)上形成泥餅[1]。盾構(gòu)施工過程中若遇到結(jié)泥餅難題,輕則造成轉(zhuǎn)矩和推力大幅度增加、推進(jìn)速度降低、刀具異常磨損,重則導(dǎo)致盾構(gòu)土艙阻塞、掘進(jìn)困難[2-3]。泥餅問題會(huì)帶來(lái)很多負(fù)面影響,包括刀具被泥餅糊住,導(dǎo)致盾構(gòu)的掘進(jìn)效率急劇下降、清理刀盤費(fèi)時(shí)、頻繁的干預(yù)以及額外的挖掘成本[4]。

針對(duì)上述問題,很多學(xué)者就泥餅的形成機(jī)制、原因及如何改善結(jié)泥餅現(xiàn)象等展開了研究。如: 嚴(yán)輝[2]通過刀盤結(jié)泥餅案例調(diào)查,從地質(zhì)、機(jī)械和施工人員因素等方面分析了刀盤結(jié)泥餅的成因,指出了當(dāng)黏土粒、碎屑含量大于25%時(shí),隧道施工工藝和刀盤結(jié)構(gòu)的不利因素組合會(huì)使泥餅發(fā)生的可能性增加。胡欣雨等[5]展開了砂卵石地層土壓盾構(gòu)開挖面動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制研究,指出由于該地質(zhì)條件下開挖土塑流性差、含水量高、滲透系數(shù)大,在土艙內(nèi)易發(fā)生閉塞、結(jié)餅。王助鋒等[6]以降低出現(xiàn)結(jié)泥餅為目標(biāo),從刀盤開口率設(shè)計(jì)、刀具布置及刀高設(shè)置等方面進(jìn)行刀盤刀具針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。鄧彬等[7]、翟圣智等[8]、陳饋等[9]、劉衛(wèi)[10]依托地鐵盾構(gòu)施工項(xiàng)目,分析了盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅的機(jī)制,并提出了防止刀盤結(jié)泥餅的有效措施。Thewes等[11-12]和Zumsteg等[13-14]通過研究泡沫劑和分散劑與泥餅的相互作用機(jī)制,主張通過在渣土中添加泡沫劑和分散劑進(jìn)行渣土改良防止刀盤結(jié)泥餅。

大量學(xué)者對(duì)刀盤泥餅與溫度之間的相互影響關(guān)系展開了進(jìn)一步研究。如: Von等[15]、Wang等[16]指出在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,旋轉(zhuǎn)刀盤通過與土壤摩擦生熱,導(dǎo)致界面溫度升高。Ying等[17]指出刀盤上泥餅的存在會(huì)影響溫度場(chǎng),同時(shí)熱量會(huì)使土壤凝固并加劇泥餅問題,導(dǎo)致惡性循環(huán)。因此,泥餅問題不僅是堵塞的結(jié)果,而且是摩擦熱引起的渣土凝固的結(jié)果[18]。Abuel-Naga等[19]指出,土壤的黏附強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加。已知刀盤泥餅與溫度之間的相互影響關(guān)系,許多學(xué)者通過刀盤上少數(shù)測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)對(duì)泥餅情況進(jìn)行判斷。如: Ji等[20]通過布置在刀盤上4個(gè)點(diǎn)位切刀中的磨損/溫度傳感器,建立了基于切刀溫度和磨損變化規(guī)律的刀盤結(jié)泥餅診斷方法。Fu等[21]基于安裝在常壓刀盤中心錐背面的溫度變化斜率,建立了刀盤中心區(qū)域泥餅判別方法。而Thewes等[22-23]、Feinendegen等[24]和Hollmann等[25]則通過土壤臨界稠度試驗(yàn)研究先后提出了用于預(yù)測(cè)刀盤結(jié)泥餅及堵塞風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)圖表,但該方法受判別人員主觀因素影響大,容易出現(xiàn)偏差。

針對(duì)上述研究成果存在的局限性,并考慮到刀梁等位置不易布置溫度傳感器而導(dǎo)致溫度未知,進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)刀梁泥餅進(jìn)行判別這一難題,本文在已有的泥餅形成理論的基礎(chǔ)上,采用ANSYS研究安裝在滾刀刀筒內(nèi)的溫度傳感器在不同工況下的溫度變化規(guī)律,提出結(jié)合線性插值法和克里金插值法構(gòu)建刀盤溫度場(chǎng)。從空間和時(shí)間2個(gè)維度分析刀盤局部和整體的溫度分布及變化特性,確立刀盤在正常掘進(jìn)、外側(cè)結(jié)泥餅及內(nèi)側(cè)結(jié)泥餅3種工況下的判斷條件,提出分離相鄰溫度測(cè)量點(diǎn)正/負(fù)差值,以刀盤整體正/負(fù)差值之和呈現(xiàn)同方向變化為泥餅發(fā)育初始環(huán)評(píng)判指標(biāo); 結(jié)合所建溫度場(chǎng),引入從泥餅發(fā)育初始環(huán)到當(dāng)前環(huán)一定數(shù)量點(diǎn)位的溫度變化率總和作為泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo)。2個(gè)指標(biāo)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)結(jié)泥餅程度的判別,形成一種基于克里金插值法的常壓刀盤刀梁區(qū)域泥餅發(fā)育程度算法,并對(duì)某大直徑常壓刀盤泥水盾構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行研究,與工程實(shí)際結(jié)泥餅情況進(jìn)行對(duì)比,對(duì)算法的可行性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 刀盤結(jié)泥餅監(jiān)測(cè)方法研究

本文擬采用滾刀溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行泥餅判別,為此需要通過Solidworks仿真不同工況下的滾刀溫度變化特性。

1.1 不同工況下滾刀測(cè)溫仿真

滾刀刀刃與掘進(jìn)面摩擦是導(dǎo)致滾刀溫度上升的主要原因,將溫度傳感器安裝在滾刀刀座上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾刀溫度的間接測(cè)量。為了探究安裝在滾刀刀座上的溫度傳感器在刀盤正常工作及結(jié)泥餅2種工況下溫度檢測(cè)的靈敏度,使用Solidworks對(duì)常壓滾刀及刀筒進(jìn)行三維建模,并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。為了保證單一變量,設(shè)置2種工況下滾刀刀刃溫度為100 ℃[26],環(huán)境溫度為35 ℃,空氣對(duì)流換熱系數(shù)取為10 W/ (m2·K)。在結(jié)泥餅工況下刀筒上表面會(huì)被泥餅糊住,主要熱源不再是滾刀刀刃與掘進(jìn)面摩擦產(chǎn)生的熱量,而是糊在滾刀及刀筒上表面的泥餅與掘進(jìn)面摩擦產(chǎn)生的熱量。因此,設(shè)置刀筒頂部溫度為60 ℃來(lái)模擬刀筒頂部被泥餅糊住的情況,得到2種工況下的溫度仿真結(jié)果,如圖1所示。

(a)刀盤正常工作工況

由圖1可知,刀圈溫度由內(nèi)到外呈梯度變化,刀圈上離刀刃越近的點(diǎn),其溫度越高。正常工作工況下,旋轉(zhuǎn)破巖的刀圈作為主要熱源引起傳感器位置的溫度變化,圖1(a)中傳感器檢測(cè)模塊溫度的平均值為45.93 ℃;而結(jié)泥餅工況下,附著在刀盤上的泥餅與掘進(jìn)面摩擦生熱并與刀圈共同影響傳感器的溫度變化,圖1(b)中傳感器檢測(cè)模塊溫度的平均值為56.94 ℃。2種工況下傳感器檢測(cè)到的溫度差接近11 ℃。因此,采用滾刀測(cè)溫的方法能反映出不同工況下的刀盤溫度情況,說明通過滾刀溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行泥餅判別具備可行性。

1.2 全刀盤溫度仿真計(jì)算方法

常用的空間溫度插值方法有克里金插值法及反距離權(quán)重插值法,這2種方法要求已知溫度樣本分布均勻并足夠密集,然而由于刀梁位置不便安裝溫度傳感器,導(dǎo)致在對(duì)刀梁區(qū)域的泥餅情況進(jìn)行判別時(shí)缺少必要的數(shù)據(jù)支撐。因此,先基于多傳感器布置方案盡可能多地獲取刀盤溫度數(shù)據(jù),再依據(jù)已有數(shù)據(jù)構(gòu)建刀梁區(qū)域的虛擬溫度點(diǎn),實(shí)現(xiàn)溫度樣本的擴(kuò)展,然后利用克里金插值法或反距離權(quán)重插值法計(jì)算獲得全刀盤溫度場(chǎng)。

1.2.1 虛擬溫度點(diǎn)構(gòu)建方法

從空間相鄰的2個(gè)刀箱上各取1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位作為參考點(diǎn),借助2個(gè)參考點(diǎn)構(gòu)建虛擬溫度點(diǎn),如圖2所示。

i為構(gòu)建虛擬溫度點(diǎn)的編號(hào),i=1,2,…,n; Mi1和Mi2分別為虛擬溫度點(diǎn)Mi的參考點(diǎn)1和參考點(diǎn)2; ri1、ri2分別為2個(gè)參考點(diǎn)的半徑; θi1、θi2分別為2個(gè)參考點(diǎn)的角度。

虛擬溫度點(diǎn)的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中:Ti、Ri、θi分別為虛擬溫度點(diǎn)i的溫度、半徑、角度;ti1、ti2分別為2個(gè)參考點(diǎn)的溫度。

參考點(diǎn)的選取需滿足以下2個(gè)條件: 1)為了避免誤差疊加,虛擬溫度點(diǎn)不能作為另一虛擬溫度點(diǎn)的參考點(diǎn); 2)2個(gè)參考點(diǎn)之間沒有其他溫度點(diǎn),如圖2中畫斜線區(qū)域。斜線區(qū)域可表示為:

(2)

式中:r為半徑;θ為角度。

1.2.2 刀盤溫度場(chǎng)構(gòu)建方法

1.2.2.1 Kriging插值法

Kriging插值法是一種基于統(tǒng)計(jì)理論的插值技術(shù),通常Kriging模型變量X=[x1,x2,…,xg]與計(jì)算位置的真實(shí)值y之間的關(guān)系為:

y=λf(x)+μ(x)。

(3)

式中:f(x)為回歸函數(shù)(一般采用多項(xiàng)式形式);λ為回歸系數(shù);μ(x)是均值為0、方差為σ2的隨機(jī)函數(shù)。

μ(x)的協(xié)方差矩陣為:

cov[μ(x(e)),μ(x(f))]=σ2W[R(x(e),x(f))],(e,f=1,2,…,g)。

(4)

式中:e,f為采樣點(diǎn)編號(hào);W為沿對(duì)角線對(duì)稱的相關(guān)矩陣;R(x(e),x(f))為采樣點(diǎn)x(e)與x(f)的相關(guān)函數(shù),常用平穩(wěn)高斯函數(shù)表示。

1.2.2.2 反距離權(quán)重插值法

反距離權(quán)重插值法(inverse distance weighted,IDW)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域的空間分析與制圖,其IDW算法公式為:

(5)

式中:Z為插值點(diǎn)估計(jì)值;Ze為第e個(gè)樣本點(diǎn)觀測(cè)值;de為插值點(diǎn)與第e個(gè)樣本點(diǎn)之間的歐氏距離;n為用于估算插值點(diǎn)值的樣本數(shù);p為冪指數(shù),當(dāng)p=2時(shí),IDW被稱為距離平方反比法。

將刀盤視為極坐標(biāo),計(jì)算第e個(gè)樣本點(diǎn)和插值點(diǎn)的歐氏距離de,若已知插值點(diǎn)的安裝半徑及安裝角度分別為r、θ,則de的計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

1.3 刀盤泥餅發(fā)育程度算法

刀盤泥餅判別有2個(gè)核心問題: 1)如何確定泥餅開始發(fā)育的時(shí)間,即關(guān)注結(jié)泥餅狀態(tài),可以進(jìn)行一定程度防結(jié)泥餅干預(yù); 2)泥餅發(fā)育后的程度如何,即確定清理泥餅的工作量。

1.3.1 泥餅發(fā)育初始環(huán)評(píng)判指標(biāo)

刀盤溫度與泥餅之間相互影響,摩擦熱導(dǎo)致刀盤升溫,熱量加劇泥餅固結(jié),泥餅的產(chǎn)生導(dǎo)致刀盤溫度場(chǎng)發(fā)生改變。因此,通過溫度的變化映射泥餅的形成過程是可行的。

建立泥餅發(fā)育初始環(huán)的判別依據(jù)。刀盤未結(jié)泥餅時(shí),外側(cè)刀具由于切削距離長(zhǎng),其所在區(qū)域的溫度高于內(nèi)側(cè);當(dāng)?shù)侗P內(nèi)側(cè)出現(xiàn)結(jié)泥餅異常現(xiàn)象時(shí),由于泥餅具有保溫特性使刀盤內(nèi)側(cè)的溫度損失減小,進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)。其公式表示為[16]:

(7)

式中ΔT為外側(cè)溫度與內(nèi)側(cè)溫度的差值。

式(7)僅表示了刀盤內(nèi)側(cè)結(jié)泥餅的判斷依據(jù),當(dāng)?shù)侗P外側(cè)結(jié)泥餅時(shí),不滿足ΔT<0的條件。因此,在式(7)的基礎(chǔ)上,分析理想條件下若干刀盤外側(cè)測(cè)溫點(diǎn)與內(nèi)側(cè)相鄰測(cè)溫點(diǎn)溫度差的統(tǒng)計(jì)值∑ΔT在正常掘進(jìn)、外側(cè)結(jié)泥餅及內(nèi)側(cè)結(jié)泥餅3種工況下的分布及變化趨勢(shì)?？芍? 未結(jié)泥餅時(shí),∑ΔT應(yīng)圍繞某一正值上下波動(dòng);刀盤內(nèi)側(cè)結(jié)泥餅時(shí),∑ΔT由大變小; 刀盤外側(cè)結(jié)泥餅時(shí),∑ΔT越變?cè)酱?具體如式(8)所示,亦可用圖3表示。

(8)

圖3 理想條件下不同工況時(shí)∑ΔT的分布及變化曲線

(9)

式中:j為滾刀分區(qū)編號(hào),一般分為若干個(gè)刀箱及中心區(qū)域,j=1,2,…,m;l為刀箱j上的測(cè)溫點(diǎn)編號(hào),刀盤外側(cè)測(cè)溫點(diǎn)編號(hào)大于內(nèi)側(cè)測(cè)溫點(diǎn)編號(hào),l=2,3,…,w;p為環(huán)號(hào),p=1,2,…,h。

(10)

(11)

(12)

假設(shè)在y環(huán)滿足式(12)的條件,說明在y-1環(huán)出現(xiàn)溫度異常,即刀盤外側(cè)泥餅發(fā)育初始環(huán)為y-1環(huán)。

1.3.2 刀盤泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo)

(13)

式中:q為在刀梁x上的分析點(diǎn)編號(hào),q=1,2,3,…,s;x為刀梁編號(hào),x=1,2,3,…,z。

(14)

2 案例分析

2.1 工程地質(zhì)條件

某泥水盾構(gòu)項(xiàng)目右線隧道全長(zhǎng)3 957.8 m,主要穿越粉砂、細(xì)砂、石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、凝灰角礫巖和粉質(zhì)黏土等多種地層,項(xiàng)目右線隧道縱剖面地質(zhì)分布如圖4所示。主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)匯總?cè)绫?所示。

表1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)匯總

圖4 某泥水盾構(gòu)項(xiàng)目右線隧道縱剖面地質(zhì)分布圖

2.2 多傳感器測(cè)溫布置方案

項(xiàng)目采用直徑為15.07 m的常壓刀盤大直徑泥水盾構(gòu)施工,刀盤由1個(gè)中心塊和6個(gè)刀盤主壁組成,除了刀箱3上裝有1個(gè)單滾刀刀筒外,其余均為雙滾刀刀筒。綜合考慮刀盤結(jié)構(gòu)及使用空間插值法時(shí)對(duì)溫度樣本分布及數(shù)量的要求: 邊緣及中心滾刀數(shù)量少,且分布不規(guī)律,必須保證邊緣和中心位置的每個(gè)滾刀刀筒內(nèi)至少安裝1個(gè)傳感器;正面滾刀數(shù)量多且分布規(guī)律,可選擇一部分安裝傳感器;同時(shí),需滿足溫度數(shù)據(jù)分布均勻且足夠密集的條件。依據(jù)上述要求,最終確定傳感器分布方案如圖5所示。

圖5 多傳感器測(cè)溫布置方案

圖5中,分別有5、15、12個(gè)傳感器分布在中心滾刀、正面滾刀和邊緣滾刀上。其中,全部中心滾刀、邊緣滾刀刀筒內(nèi)均布置了溫度傳感器,其余的溫度傳感器較為均勻地布置在正面滾刀刀筒內(nèi),一共32個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)。

2.3 全刀盤溫度仿真計(jì)算

實(shí)際的工程項(xiàng)目為泥水盾構(gòu)項(xiàng)目,刀盤泥水沖刷分為泥漿管路沖刷和刀筒內(nèi)管路沖刷。刀筒內(nèi)管路沖刷一般是掘進(jìn)結(jié)束之后進(jìn)行,因此,對(duì)刀盤掘進(jìn)過程中溫度場(chǎng)的影響可以忽略。泥漿管路沖刷在掘進(jìn)過程中一直開啟,意味著對(duì)刀盤溫度場(chǎng)的影響程度隨時(shí)間變化較小,其帶來(lái)的溫度變化不會(huì)掩蓋刀盤表面形成泥餅后溫度升溫快、降溫慢的變化趨勢(shì),因此,可忽略刀盤泥水沖刷對(duì)刀盤溫度的影響。

2.3.1 構(gòu)建虛擬溫度點(diǎn)

選取刀盤在第851環(huán)某時(shí)刻的傳感器數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 傳感器測(cè)溫點(diǎn)的坐標(biāo)及溫度數(shù)據(jù)

根據(jù)已知的傳感器測(cè)溫點(diǎn),加入如表3所示的虛擬溫度點(diǎn),故虛擬溫度點(diǎn)數(shù)量n為8,擴(kuò)展樣本后的刀盤溫度點(diǎn)有40個(gè)。

表3 虛擬溫度點(diǎn)匯總

2.3.2 構(gòu)建刀盤溫度場(chǎng)

利用Matlab中Kriging插值工具箱的dacefit和predictor函數(shù),可實(shí)現(xiàn)Kriging插值運(yùn)算,回歸模型采用regpoly1,相關(guān)函數(shù)為高斯函數(shù),theta=[10,10]。根據(jù)式(5)和式(6),自編代碼實(shí)現(xiàn)反距離權(quán)重插值法的全刀盤溫度計(jì)算。僅以測(cè)溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)作為樣本,2種空間溫度插值方法計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

(a) 反距離權(quán)重插值法

由圖6可知,未加入虛擬溫度點(diǎn)作為插值樣本前,計(jì)算結(jié)果顯示刀盤局部高溫集中,同時(shí)延展性和銜接性較差,分析原因是由于缺乏刀梁位置的樣本數(shù)據(jù)。

結(jié)合表2和表3的數(shù)據(jù),將測(cè)溫點(diǎn)及虛擬溫度點(diǎn)共40個(gè)溫度數(shù)據(jù)作為計(jì)算樣本,構(gòu)建刀盤溫度場(chǎng)如圖7所示。

采用孟加拉紅培養(yǎng)基[18]，分別接種10-5、10-6、10-7、10-8 四個(gè)稀釋梯度的懸浮液，將接種好的培養(yǎng)皿于30 ℃培養(yǎng)24 h后進(jìn)行酵母菌計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)時(shí)選取培養(yǎng)基上濕潤(rùn)、光滑、不透明、大而厚的菌落進(jìn)行酵母菌計(jì)數(shù)。

(a) 反距離權(quán)重插值法

由圖7可知,擴(kuò)展樣本后反距離權(quán)重插值法的計(jì)算結(jié)果改善仍然不明顯,而克里金插值法計(jì)算的結(jié)果延展性較好,分布也更符合結(jié)泥餅的溫度傳遞規(guī)律。因此,采用線性插值擴(kuò)展刀梁位置溫度數(shù)據(jù)的方法能很好地解決用于構(gòu)建溫度場(chǎng)的樣本數(shù)據(jù)分布不均、數(shù)量不足的問題。

2.4 刀盤結(jié)泥餅程度計(jì)算

對(duì)案例項(xiàng)目中盾構(gòu)在846—855環(huán)掘進(jìn)期間進(jìn)行結(jié)泥餅程度判別,根據(jù)圖4可知,雖然盾構(gòu)在846—855環(huán)掘進(jìn)時(shí)主要穿越細(xì)砂和中風(fēng)化粉砂巖2種地層,但在實(shí)際工程中,通過抽刀的形式觀察滾刀結(jié)泥餅情況,發(fā)現(xiàn)該地層依舊處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

2.4.1 泥餅發(fā)育初始環(huán)評(píng)判指標(biāo)的計(jì)算

由圖5可知,滾刀分區(qū)數(shù)量m為7,包括6個(gè)刀箱區(qū)域及1個(gè)中心區(qū)域。依據(jù)上述已知信息對(duì)該案例進(jìn)行泥餅判別分析。根據(jù)獲得的傳感器溫度數(shù)據(jù),通過式(9)計(jì)算刀箱1上各測(cè)溫點(diǎn)在第851環(huán)時(shí)的溫度及與相鄰測(cè)溫點(diǎn)的溫度差,如表4所示。

表4 刀箱1上各測(cè)溫點(diǎn)在第851環(huán)時(shí)的溫度及與相鄰測(cè)溫點(diǎn)的溫度差匯總

表5 泥餅發(fā)育初始環(huán)計(jì)算匯總

根據(jù)式(11)和表5,計(jì)算得到∑ΔT,并繪制曲線如圖8所示。

圖8 ∑ΔT的分布及變化曲線

由圖8可知,在第852環(huán)滿足式(12)的條件,因此,確定刀盤外側(cè)泥餅發(fā)育初始環(huán)為851環(huán)。

2.4.2 刀盤泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo)的計(jì)算

為了確定刀盤刀梁區(qū)域的泥餅發(fā)育程度,在基于克里金插值法得到全刀盤溫度數(shù)據(jù)的前提下,選取刀梁區(qū)域上的溫度分析點(diǎn)來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域的泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo),在各刀梁區(qū)域分別選取6個(gè)溫度分析點(diǎn)。因此,溫度分析點(diǎn)數(shù)量s為6個(gè),刀梁數(shù)量z為6個(gè),共36個(gè)溫度分析點(diǎn),如圖9所示。

溫度分析點(diǎn)11是指刀梁1上編號(hào)為1的溫度分析點(diǎn)。

根據(jù)計(jì)算所得的刀盤溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),通過式(14)計(jì)算圖9中851—855環(huán)所有分析點(diǎn)的Kx值,結(jié)果如表6所示。

表6 工程實(shí)際比例bx0及各種插值方法下的b1x匯總

2.5 誤差率計(jì)算

將判別結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。由于溫度變化率與泥餅程度是2個(gè)不同的度量單位,因此,考慮進(jìn)行數(shù)量級(jí)歸一化處理。采用各刀梁實(shí)際泥餅面積比得到實(shí)際比例值bx0,這個(gè)比例可反映各刀梁結(jié)泥餅情況,然后再將刀盤泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo)Kx作為計(jì)算比例與實(shí)際比例統(tǒng)一度量,得到以刀梁v的實(shí)際比例值作為基準(zhǔn)統(tǒng)一度量后的刀梁x計(jì)算比例值bvx,計(jì)算以刀梁v作為基準(zhǔn)時(shí)的判別誤差率δv。計(jì)算公式如式(15)所示。

(15)

由于盾構(gòu)刀盤直徑達(dá)15 m,只能通過觀測(cè)局部區(qū)域的結(jié)泥餅情況,然后匯總得到全刀盤泥餅分布情況。刀盤某刀梁局部泥餅現(xiàn)場(chǎng)圖如圖10所示。圖10(a)中刀梁區(qū)域整格均被泥餅覆蓋,即圖中矩形框覆蓋區(qū)域;圖10(b)中刀梁區(qū)域接近半格被泥餅覆蓋,即圖中2個(gè)矩形框覆蓋區(qū)域。設(shè)定以矩形面積衡量每個(gè)刀梁的泥餅面積相對(duì)大小,設(shè)定圖10(a)中大矩形所代表的物理量大小為1,圖10(b)中小矩形的面積為大矩形的1/4。

(a) 整格結(jié)泥餅

分別觀察各刀梁上的結(jié)泥餅情況,整合后繪制刀盤整體泥餅分布圖如圖11所示。圖11中綠色部分為刀盤上主要結(jié)泥餅的位置,圖10(a)中的黑框?qū)?yīng)圖11中的大矩形框,圖10(b)中的黑框?qū)?yīng)圖11中的小矩形框。由圖11可知: 結(jié)泥餅最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榈读?和刀梁6區(qū)域;刀梁2、3、4區(qū)域結(jié)泥餅情況相近,與其他區(qū)域相比結(jié)泥餅情況最輕微; 刀梁5區(qū)域結(jié)泥餅情況介于兩者之間。將計(jì)算比例以刀梁1的實(shí)際比例值作為基準(zhǔn),統(tǒng)一度量得到b1x,并得到刀梁1—6的結(jié)泥餅實(shí)際比例值bx0,如表6中所示。

圖11 刀盤整體泥餅分布圖

表6中b1x是以刀梁1的實(shí)際比例值作為基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一度量后的值,基準(zhǔn)不同所計(jì)算的誤差率也不相同,故分別以刀梁1—6的實(shí)際比例值作為基準(zhǔn),根據(jù)式(14)計(jì)算對(duì)應(yīng)的誤差率,如表7所示。

表7 誤差率δv匯總

由表7可知,由于未擴(kuò)展插值樣本,計(jì)算結(jié)果的誤差率超過100%,如表7中的“131.18”。對(duì)比3種方法,刀梁區(qū)域?qū)嶋H泥餅情況與基于樣本擴(kuò)展后的克里金插值法的計(jì)算結(jié)果最為接近,準(zhǔn)確率達(dá)70.87%,說明擴(kuò)展樣本的必要性及所建刀盤泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo)的實(shí)用性。

3 結(jié)論與建議

以某泥水盾構(gòu)工程為背景,提出一種基于克里金插值法的常壓刀盤刀梁區(qū)域泥餅發(fā)育程度算法,實(shí)現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅判別從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變,為清潔泥餅提供時(shí)間及點(diǎn)位參考。通過本文的研究,可得到以下結(jié)論。

1)通過仿真對(duì)安裝在刀筒內(nèi)的溫度傳感器在正常掘進(jìn)、結(jié)泥餅2種工況下的溫度變化規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明滾刀溫度數(shù)據(jù)能反映刀盤結(jié)泥餅工況下的溫度異常。利用多點(diǎn)位的傳感器溫度數(shù)據(jù),提出線性插值擴(kuò)展刀盤刀梁區(qū)域溫度數(shù)據(jù)的方法,保證空間溫度插值法形成刀盤溫度場(chǎng)的應(yīng)用效果。

2)從空間和時(shí)間2個(gè)維度分析刀盤溫度分布及變化特性,得到刀盤在正常掘進(jìn)、外側(cè)結(jié)泥餅及內(nèi)側(cè)結(jié)泥餅3種工況下的判斷條件,提出分離相鄰測(cè)溫點(diǎn)正/負(fù)差值,以刀盤整體正/負(fù)差值之和呈現(xiàn)同增趨勢(shì)作為刀盤外側(cè)區(qū)域泥餅發(fā)育初始環(huán)的評(píng)判指標(biāo)。

3)結(jié)合所建溫度場(chǎng)引入一定數(shù)量的溫度分析點(diǎn),從泥餅發(fā)育初始環(huán)到當(dāng)前環(huán)的溫度變化率總和作為泥餅發(fā)育程度評(píng)判指標(biāo)。根據(jù)某泥水盾構(gòu)項(xiàng)目結(jié)泥餅的實(shí)際案例,對(duì)結(jié)泥餅程度判別的算法流程進(jìn)行驗(yàn)證,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,平均準(zhǔn)確率高達(dá)70.87%。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,可以結(jié)合本文提出的泥餅發(fā)育程度算法,研究不同泥餅發(fā)育程度下的防治措施,實(shí)現(xiàn)更靈活且有針對(duì)性的泥餅監(jiān)控及防治方案設(shè)計(jì)。