一种根据TBM自振信息识别地层并调整掘进参数的方法与流程

本发明属于tbm硬岩掘进机施工技术领域，具体涉及一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法。

背景技术：

掌子面又称礃子面，是坑道施工中的一个术语，即开挖坑道（采煤、采矿或隧道工程中）不断向前推进的工作面

反演，是指由结果及某些一般原理（或模型）出发去确定表征问题特征的参数（或模型参数）。

近年来，tbm硬岩掘进机技术得到快速发展，该技术具有造价低，掘进速度快，通风难题易解决等优势。但在施工过程中也存在一些问题:tbm硬岩掘进机掘进过程中，刀具磨损量较大，需要不断地更换刀具，掘进地层岩性条件不同，导致各位置刀具磨损不同，刀具更换时间不尽相同，不能够及时判断出刀具故障进行更换。

另外，设置合理的掘进参数才可以有效降低刀具磨损、降低设备损坏概率，而地质情况对于设置掘进机掘进参数有重要影响，在隧道施工前期所作的地质勘测中，勘测点通常选取的较远，不能够显示每一处掘进处的地质情况，目前还没有实时反演地质情况的方案。

此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，是非常有必要的。

技术实现要素：

针对现有技术的上述现有tbm硬岩掘进机掘进过程中掘进地层岩性条件不同，导致各位置刀具磨损量不同，无法及时判断刀具故障进行更换的缺陷，本发明提供一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，以解决上述技术问题。

本发明提供一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，包括如下步骤：

s1.在tbm硬岩掘进机的刀盘后侧设置振动传感器及通讯处理模块；

s2.在tbm操作区设置数据接收模块及数据处理模块；

s3.设置振动传感器获取tbm硬岩掘进机刀盘工作状态的实时振动信息，并将实时振动信息通过通讯处理模块以及数据接收模块传递到数据处理模块；

s4.设置数据处理模块根据tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，反演出实时掘进处的地质信息并保存，再结合之前设定第一时间段内掘进的历史地质信息，预测设定第二时间段之后掌子面的地质信息；

s5.设置tbm硬岩掘进机根据预测的地质信息对掘进参数进行动态调整。从当前时间段向前的连续的一段时间作为历史地质信息的时间段，从当前时间段向后的连续的一段时间作为预测地质信息的时间段。

进一步地，步骤s1具体步骤如下：

s11.在tbm硬岩掘进机的刀盘后侧设置一个通讯处理模块和若干振动传感器；

s12.设置各振动传感器均匀设置在刀盘表面；

s13.设置各振动传感器与通讯处理模块连接。

进一步地，振动传感器的数量为五个，一个振动传感器设置在刀盘中心位置，设置四个振动传感器各自距离刀盘中心的位置相等，均大于刀盘半径的1/2，小于刀盘半径的3/4，且相邻振动传感器与刀盘中心的夹角等于90度。

进一步地，设置四个振动传感器各自距离刀盘中心的位置为刀盘半径的2/3。

进一步地，步骤s3中，设置数据接收模块通过无线接收数据处理模块发送的振动传感器采集的tbm掘进机刀盘的实时振动信息。

进一步地，步骤s1中振动传感器内设置有电池，用于对振动传感器供电。

进一步地，所述振动传感器包括加速度器单元和放大器单元。

进一步地，步骤s4中，振动信息包括振动频率和振动加速度；

步骤s4中，数据处理模块反演出tbm硬岩掘进机实时掘进处的地质信息，并将地质信息可视化输出。

进一步地，步骤s4具体步骤如下：

s41.数据处理模块分析tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，判断振动加速度波形振幅是否超过设定阈值；

若是，进入步骤s42；

若否，进入步骤s43；

s42.数据处理模块判定tbm硬岩掘进机处于岩层交界处，进入步骤s44；

s43.数据处理模块判定tbm硬岩掘进机实时掘进处岩层性质单一，进入步骤s44；

s44.数据处理模块反演出tbm硬岩掘进机实时掘进处的地质信息。

进一步地，数据处理模块反演出的tbm硬岩掘进机的实时掘进处的地质信息以及保存的历史地质信息可通过刀盘切削下来的渣土验证与确定。

进一步地，步骤s5具体步骤如下：

s51.设置tbm硬岩掘进机判断是否处于岩层交界处；

若是，进入步骤s53；

若否，进入步骤s52；

s52.设置tbm硬岩掘进机判断岩石强度是否发生变化；

若否，设置tbm硬岩掘进机选择自动控制推力模式，掘进参数无需调整，返回步骤s3；

若是，设置tbm硬岩掘进机选择自动扭矩控制模式，调整推力，返回步骤s3；

s53.设置tbm硬岩掘进机选择手动模式，调整转速及推力。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，通过设置在tbm硬岩掘进机刀盘处的振动传感器，有效识别刀盘自身的振动，振动传感器占据空间小，结构简单，容易实现，通过数据处理模块不但可以反演出tbm硬岩掘进机已掘进的历史地质信息，还可以预测将要掘进处的地质信息，降低tbm硬岩掘进进故障停机概率，提高工程的施工效率。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明的方法流程示意图一；

图2是本发明的方法流程示意图二；

图3是本发明实施例tbm硬岩掘进机刀盘的振动传感器设置示意图；

图4是本发明实施例的振动加速度反演地质信息示意图；

图5是本发明实施例的tbm硬岩掘进机切割复合地层示意图；

图6是本发明实施例的振动频率反演地质信息示意图；

图中，1-振动传感器；2-通讯处理模块；5-刀盘；6-掌子面处地层，7-振动加速度；8-不同岩层交界处；9-岩层一；10-岩层二；11-历史地质信息；12-预测地质信息。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，包括如下步骤：

s1.在tbm硬岩掘进机的刀盘后侧设置振动传感器及通讯处理模块；

s2.在tbm操作区设置数据接收模块及数据处理模块；

s3.设置振动传感器获取tbm硬岩掘进机刀盘工作状态的实时振动信息，并将实时振动信息通过通讯处理模块以及数据接收模块传递到数据处理模块；

s4.设置数据处理模块根据tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，反演出实时掘进处的地质信息并保存，再结合之前设定第一时间段内掘进的历史地质信息，预测设定第二时间段之后掌子面的地质信息；

s5.设置tbm硬岩掘进机根据预测的地质信息对掘进参数进行动态调整。

实施例2：

如图2所示，本发明提供一种根据tbm自振信息识别地层并调整掘进参数的方法，包括如下步骤：

s1.在tbm硬岩掘进机的刀盘后侧设置振动传感器及通讯处理模块；具体步骤如下：

s11.在tbm硬岩掘进机的刀盘后侧设置一个通讯处理模块和若干振动传感器；

s12.设置各振动传感器均匀设置在刀盘表面；

s13.设置各振动传感器与通讯处理模块连接；振动传感器内设置有电池，用于对振动传感器供电；振动传感器包括加速度器单元和放大器单元；

s2.在tbm操作区设置数据接收模块及数据处理模块；

s3.设置振动传感器获取tbm硬岩掘进机刀盘工作状态的实时振动信息，并将实时振动信息通过通讯处理模块以及数据接收模块传递到数据处理模块；设置数据接收模块通过无线接收数据处理模块发送的振动传感器采集的tbm掘进机刀盘的实时振动信息；

s4.设置数据处理模块根据tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，反演出实时掘进处的地质信息，将地质信息可视化输出并保存，再结合之前设定第一时间段内掘进的历史地质信息，预测设定第二时间段之后掌子面的地质信息；振动信息包括振动频率和振动加速度；具体步骤如下：

s41.数据处理模块分析tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，判断振动加速度波形振幅是否超过设定阈值；

若是，进入步骤s42；

若否，进入步骤s43；

s42.数据处理模块判定tbm硬岩掘进机处于岩层交界处，进入步骤s44；

s43.数据处理模块判定tbm硬岩掘进机实时掘进处岩层性质稳定，进入步骤s44；

s44.数据处理模块反演出tbm硬岩掘进机实时掘进处的地质信息；

s45.数据处理模块将反演出的实时掘进处的地质信息，结合之前设定第一时间段内掘进的历史地质信息，预测设定第二时间段之后掌子面的地质信息；数据处理模块反演出的tbm硬岩掘进机的实时掘进处的地质信息以及保存的历史地质信息可通过刀盘切削下来的渣土验证与确定；

s5.设置tbm硬岩掘进机根据预测的地质信息对掘进参数进行动态调整；具体步骤如下：

s51.设置tbm硬岩掘进机判断是否处于岩层交界处；

若是，进入步骤s53；

若否，进入步骤s52；

s52.设置tbm硬岩掘进机判断岩石强度是否发生变化；

若否，设置tbm硬岩掘进机选择自动控制推力模式，掘进参数无需调整，返回步骤s3；

若是，设置tbm硬岩掘进机选择自动扭矩控制模式，调整推力，返回步骤s3；

s53.设置tbm硬岩掘进机选择手动模式，调整转速及推力。

上述实施例2中，如图3所示，步骤s1中，设置振动传感器1的数量为五个，一个振动传感器1设置在刀盘中心位置，设置四个振动传感器1各自距离刀盘中心的位置为刀盘半径的2/3，且相邻振动传感器1与刀盘中心的夹角等于90度。

上述实施例2中，步骤s4中，数据处理模块根据tbm硬岩掘进机刀盘的实时振动信息，反演出实时掘进处的地质信息，将地质信息可视化输出并保存。如图4所示，根据振动加速度反演出的地质信息，振动加速度在刀盘5切割不同岩性的岩体时有明显差别，振动加速度7随着掌子面处地层6的不同而变动，若已知两种地层分别为砾石层和砂层，由于砾石层振动加速度大于砂层，因此可判断下侧为砾石层，上侧为砂层。

上述实施例2中，如图6所示，振动频率在刀盘5切割不同岩性的岩体时有明显差别，振动传感器通过不同岩层交界处8时，记录的振动波形频率会发生显著变化，利用数据处理模块对所收集振动频率以及振动波形进行分析，反演已经掘进的历史地质信息，并结合此前部分的掘进信息，预测出即将掘进处地质信息。步骤s5中，设置tbm硬岩掘进机根据预测的地质信息对掘进参数进行动态调整。如图5所示，刀盘5在岩层一9与岩层二10的不同岩层交界处8，假定岩层一9岩体强度较低，而岩层二10强度较高，在掘进至混合断面前，整个掘进断面都为岩层一9，此时掘进采用自动控制推力模式，选择高推进速度，推力设定为不小于额定推力的95%。当在掘进的过程中前方地层在经过系统识别后为混合断面，且岩层二10强度较高，此时采用手动模式，并设置推力作为主控参数，而扭矩设定为额定扭矩的55%，使其变化幅度不超过10%。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。