一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法及系统与流程

1.本发明涉及隧道掘进装备技术领域，特别是涉及一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法及系统。


背景技术：

2.复合型土压平衡盾构机是一种适用于掘进面包含强度差别较大的多样复合地层的隧道掘进装备。其掘进总推力是一项重要的性能参数，用以保证设备的正常前进和施工。对于复合型土压平衡盾构机掘进总推力的预估，其关键在于建立一种能够适用于多样地层复合地质的方法。在不少由复合型土压平衡盾构机施工的隧道工程中，常遇到由全风化混合岩、全风化花岗岩、强风化砂岩、强风化混合岩、强风化花岗岩等不同类别不同风化程度岩层构成的复合地质。但目前已有的盾构掘进总推力预估方法中尚缺乏专门考虑在此类不同风化程度岩层地质中掘进时总推力的共性影响参量从而建立针对性和适用性更强的总推力预估模型的方法，如何提高复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定的针对性和适用性，成为一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法及系统，以提高复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定的针对性和适用性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法，所述确定方法包括如下步骤：
6.确定影响掘进总推力的特征参数；所述特征参数包括结构参数、操作参数和地质参数，所述结构参数包括刀盘直径、掘进速度、刀盘转速、土仓压力；所述操作参数包括：掘进速度、刀盘转速、土仓压力，所述地质参数包括：地质密度、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦系数、静止土压力系数、承载力特征值、埋深；
7.根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式；
8.分别根据各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式对各特征参数的历史工程数据和掘进总推力的历史工程数据进行无量纲化处理，获得各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据；
9.采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据；
10.根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型；
11.对所述无量纲预估模型进行规范化还原和量纲还原，获得掘进总推力确定模型；
12.获得特征参数的当前工程数据，将所述当前工程参数输入掘进总推力确定模型，获得掘进总推力的预测值。
13.可选的，所述根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式，具体包括：
14.根据基本量纲对各特征参数进行分类；
15.在每一类的特征参数中选取常数参数或对掘进总推力影响较大的参数或量纲相对简洁的参数作为每一类的基本量；
16.根据每一类的基本量对除了基本量之外的各特征参数和掘进总推力参数进行无量纲计算，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式。
17.可选的，所述采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，具体包括：
18.采用小数定标规范化法，利用公式对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据；
19.其中，i＝1,2,3...,9,f，当i＝1,2,3...,9时，πi和π'i分别为第i个特征参数的无量纲工程数据和第i个特征参数的规范化工程数据，πf和π'f分别为掘进总推力的无量纲工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，j为使得max(π'i)＜10的最小整数。
20.可选的，所述根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型，具体包括：
21.根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，采用lassocv算法，确定lasso回归算法的超参数；
22.采用超参数确定后的lasso回归算法，根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型。
23.一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定系统，所述确定系统包括：
24.特征参数确定模块，用于确定影响掘进总推力的特征参数；所述特征参数包括结构参数、操作参数和地质参数，所述结构参数包括刀盘直径、掘进速度、刀盘转速、土仓压力；所述操作参数包括：掘进速度、刀盘转速、土仓压力，所述地质参数包括：地质密度、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦系数、静止土压力系数、承载力特征值、埋深；
25.无量纲化计算式确定模块，用于根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式；
26.无量纲化处理模块，用于分别根据各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式对各特征参数的历史工程数据和掘进总推力的历史工程数据进行无量纲化处理，获得各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据；
27.规范化处理模块，用于采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据
和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据；
28.模型系数训练模块，用于根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型；
29.模型还原模块，用于对所述无量纲预估模型进行规范化还原和量纲还原，获得掘进总推力确定模型；
30.掘进总推力预测模块，用于获得特征参数的当前工程数据，将所述当前工程参数输入掘进总推力确定模型，获得掘进总推力的预测值。
31.可选的，所述无量纲化计算式确定模块，具体包括：
32.分类子模块，用于根据基本量纲对各特征参数进行分类；
33.基本量确定子模块，用于在每一类的特征参数中选取常数参数或对掘进总推力影响较大的参数或量纲相对简洁的参数作为每一类的基本量；
34.去量纲计算式确定子模块，用于根据每一类的基本量对除了基本量之外的各特征参数和掘进总推力参数进行无量纲计算，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式。
35.可选的，所述规范化处理模块，具体包括：
36.规范化处理子模块，用于采用小数定标规范化法，利用公式对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据；
37.其中，i＝1,2,3...,9,f，当i＝1,2,3...,9时，πi和π'i分别为第i个特征参数的无量纲工程数据和第i个特征参数的规范化工程数据，πf和π'f分别为掘进总推力的无量纲工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，j为使得max(π'i)＜10的最小整数。
38.可选的，所述模型系数训练模块，具体包括：
39.超参数确定子模块，用于根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，采用lassocv算法，确定lasso回归算法的超参数；
40.模型系数训练子模块，用于采用超参数确定后的lasso回归算法，根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型。
41.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
42.本发明公开了一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法，所述确定方法包括如下步骤：确定影响掘进总推力的特征参数；根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式；分别根据各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式对各特征参数的历史工程数据和掘进总推力的历史工程数据进行无量纲化处理，获得各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据；采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据；根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总
推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型；对所述无量纲预估模型进行规范化还原和量纲还原，获得掘进总推力确定模型；获得特征参数的当前工程数据，将所述当前工程参数输入掘进总推力确定模型，获得掘进总推力的预测值。本发明针对不同风化程度岩层复合地质，在力学分析基础上通过应用量纲分析，确定了反映该工况共性规律的无量纲特征参量，将其结合到机器学习算法训练建模，提高了方法的针对性、实用性和准确性，为复合型土压平衡盾构机掘进总推力的施工调整提供了有效的决策支持。
附图说明
43.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明提供的一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法的流程图。
具体实施方式
45.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，都属于本发明保护的范围。
46.本发明的目的是提供一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法及系统，以提高复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定的针对性和适用性。
47.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
48.如图1所示，本发明提供一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法，所述确定方法包括如下步骤：
49.步骤101，确定影响掘进总推力的特征参数；所述特征参数包括：结构参数：刀盘直径d(m)，操作参数：掘进速度v(m/s)、刀盘转速w(r/min)、土仓压力pe(mpa)，地质参数：地质密度ρ(g/cm3)、剪切模量g(mpa)、泊松比μ、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数静止土压力系数k0、承载力特征值w(kpa)、埋深h(m)。
50.步骤102，根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式。
51.步骤102所述根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式，具体包括：
52.根据基本量纲对各特征参数进行分类，具体的，依据力学问题所涉及的基本量纲m、l、t对步骤1所述参数分类并列出其量纲，分类方法是将包含基本量纲m的参数归为一类，将包含基本量纲l的参数归为一类，将包含基本量纲t的参数归为一类，分类结果如表1-3所示。
53.表1包含基本量纲m的参数及其量纲列表
[0054][0055][0056]
表2包含基本量纲l的参数及其量纲列表
[0057]
参数dvρck0pewg量纲llt-1
ml-3
ml-1
t-2
ml-2
t-2
ml-1
t-2
ml-1
t-2
ml-1
t-2
[0058]
表3包含基本量纲t的参数及其量纲列表
[0059]
参数ωvgk0cpew量纲t-1
lt-1
ml-1
t-2
ml-2
t-2
ml-1
t-2
ml-1
t-2
ml-1
t-2
[0060]
在每一类的特征参数中选取常数参数或对掘进总推力影响较大的参数或量纲相对简洁的参数作为每一类的基本量；具体的，对每一类中各特征参数分别遵循“优先考虑常数参量、量纲相对简洁的参量以及对目标量产生关键影响的参量”的原则选择基本量，且所选基本量需满足以下条件：每类参数中必须且只能选出一个参数作为基本量；三个基本量的量纲必须彼此独立。包含基本量纲m的参数中所选基本量为：g，包含基本量纲l的参数中所选基本量为：d；包含基本量纲t的参数中所选基本量为：ω。
[0061]
根据每一类的基本量对除了基本量之外的各特征参数和掘进总推力参数进行无量纲计算，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式；
[0062]
具体的，基于所选的基本量将剩余影响参数和掘进推力无量纲化，确定复合型土压平衡盾构机掘进过程中的各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式，具体包括：π3＝μ、＝μ、π8＝k0、
[0063]
其中，π1、π2、π3、π4、π5、π6、π7、π8、π9分别为特征参数：掘进速度v(m/s)、土仓压力pe(mpa)、泊松比μ、地质密度ρ(g/cm3)、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数承载力特征值w(kpa)、静止土压力系数k0、埋深h(m)无量纲化后的九个无量纲特征π量，πf为目标量掘进总推力f(kn)无量纲化后的π量。
[0064]
步骤103，分别根据各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式对各特征参数的历史工程数据和掘进总推力的历史工程数据进行无量纲化处理，获得各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据。
[0065]
步骤104，采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据。
[0066]
步骤104所述采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，具体包括：
[0067]
采用小数定标规范化法，利用公式对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据。
[0068]
其中，i＝1,2,3...,9,f，当i＝1,2,3...,9时，πi和π'i分别为第i个特征参数的无量纲工程数据和第i个特征参数的规范化工程数据，πf和π'f分别为掘进总推力的无量纲工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，j为使得max(π'i)＜10的最小整数。
[0069]
步骤105，根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型。
[0070]
步骤105之前还包括：基于步骤102中的无量纲特征π量和无量纲化的掘进总推力，依据各特征量与掘进推力间线性正相关的一般理论影响关系，确定无量纲输入函数，如下：
[0071]
πf＝k1π1+k2π2+k3π3+k4π4+k5π5+k6π6+k7π7+k8π8+k9π9[0072]
其中，ki,i＝1,2,3...,9分别为各无量纲特征π量πi,i＝1,2,3...,9所对应的待定系数。
[0073]
π1、π2、π3、π4、π5、π6、π7、π8、π9分别为特征参数：掘进速度v(m/s)、土仓压力pe(mpa)、泊松比μ、地质密度ρ(g/cm3)、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数tanφ、承载力特征值w(kpa)、静止土压力系数k0、埋深h(m)无量纲化后的九个无量纲特征π量，πf为目标量掘进总推力f(kn)无量纲化后的π量。
[0074]
根据步骤104中的规范化处理过程，本发明的无量纲输入函数的改写如下：
[0075]
πf'＝k1π1'+k2π2'+k3π3'+k4π4'+k5π5'+k6π6'+k7π7'+k8π8'+k9π9'。
[0076]
其中，ki,i＝1,2,3...,9分别为各特征参数的无量纲特征π量π'i,i＝1,2,3...,9所对应的待定系数。π
′1、π
′2、π
′3、π
′4、π
′5、π
′6、π
′7、π
′8、π
′9分别为特征参数：掘进速度v(m/s)、土仓压力pe(mpa)、泊松比μ、地质密度ρ(g/cm3)、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数承载力特征值w(kpa)、静止土压力系数k0、埋深h(m)的无量纲特征π量：π1、π2、π3、π4、π5、π6、π7、π8、π9规范化后的九个无量纲特征π量，π
′f为目标量掘进总推力f(kn)的无量纲π量πf规范化后的无量纲π量。
[0077]
步骤105所述根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型，具体包括：
[0078]
根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，采用lassocv算法，确定lasso回归算法的超参数；
[0079]
具体的，将处理得到的数据导入lassocv算法实施十折交叉计算，实现不同超参数值下的待定系数识别，并获得其无量纲输入函数的预测均方误差随超参数值的变化规律，进而在此变化规律的基础上遵循“使得均方误差(mse，mean square error)稳定在较低水平”的原则，确定超参数的取值范围：
[0080]
α≤10-n
[0081]
式中，α为超参数，n为使得mse不再降低的最大整数。然后在小于10-n
的附近依据经验判断取2～3个值来依此设置超参数值并分别进行多次随机抽样试算，当系数随抽样的变
化相对稳定时，将其所对应的超参数值作为对该工程数据进行lasso回归建模的超参数设置。需要注意的是，针对不同工程的数据进行建模时须分别通过此法确定其适用的超参数。
[0082]
采用超参数确定后的lasso回归算法，根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型；
[0083]
具体的，基于确定的超参数设置，通过lasso回归算法对工程数据进行训练并输出各π量所对应的识别系数，将系数代入无量纲输入函数，得到无量纲预估模型。
[0084]
步骤106，对所述无量纲预估模型进行规范化还原和量纲还原，获得掘进总推力确定模型。
[0085]
掘进总推力确定模型为：
[0086][0087]
其中，ki,i＝1,2,3...,9分别为各无量纲特征π量πi',i＝1,2,3...,9所对应的待定系数。v为掘进速度，单位：(m/s)；pe为土仓压力，单位：(mpa)；μ为泊松比；ρ为地质密度，单位：(g/cm3)；c为粘聚力，单位：(kpa)；为内摩擦系数；w为承载力特征值，单位：(kpa)；k0为静止土压力系数；h为埋深，单位:(m)；g为剪切模量，单位：(mpa)；w为刀盘转速，单位：(r/min)；d为刀盘直径，单位:(m)。无量纲化后的九个无量纲特征π量，f为掘进总推力，单位：(kn)。
[0088]
需要注意的是，在具体工程中将会有多项系数为0，从而筛选出具体工程中影响复合型土压平衡盾构机掘进总推力的主要参数，最终模型非常简洁。
[0089]
步骤107，获得特征参数的当前工程数据，将所述当前工程参数输入掘进总推力确定模型，获得掘进总推力的预测值。
[0090]
本发明还提供一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定系统，所述确定系统包括：
[0091]
特征参数确定模块，用于确定影响掘进总推力的特征参数；所述特征参数包括结构参数、操作参数和地质参数，所述结构参数包括刀盘直径、掘进速度、刀盘转速、土仓压力；所述操作参数包括：掘进速度、刀盘转速、土仓压力，所述地质参数包括：地质密度、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦系数、静止土压力系数、承载力特征值、埋深；
[0092]
无量纲化计算式确定模块，用于根据无量纲化计算方法，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式。
[0093]
所述无量纲化计算式确定模块，具体包括：分类子模块，用于根据基本量纲对各特征参数进行分类；基本量确定子模块，用于在每一类的特征参数中选取常数参数或对掘进总推力影响较大的参数或量纲相对简洁的参数作为每一类的基本量；去量纲计算式确定子模块，用于根据每一类的基本量对除了基本量之外的各特征参数和掘进总推力参数进行无量纲计算，确定各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式。
[0094]
无量纲化处理模块，用于分别根据各特征参数的无量纲计算式和掘进总推力参数的无量纲计算式对各特征参数的历史工程数据和掘进总推力的历史工程数据进行无量纲化处理，获得各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据。
[0095]
规范化处理模块，用于采用小数定标规范化法，对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据。
[0096]
所述规范化处理模块，具体包括：规范化处理子模块，用于采用小数定标规范化法，利用公式对各特征参数的无量纲工程数据和掘进总推力的无量纲工程数据进行规范化处理，获得各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据；其中，i＝1,2,3...,9,f，当i＝1,2,3...,9时，πi和π'i分别为第i个特征参数的无量纲工程数据和第i个特征参数的规范化工程数据，πf和π'f分别为掘进总推力的无量纲工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，j为使得max(π'i)＜10的最小整数。
[0097]
模型系数训练模块，用于根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型。
[0098]
所述模型系数训练模块，具体包括：超参数确定子模块，用于根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据，采用lassocv算法，确定lasso回归算法的超参数；模型系数训练子模块，用于采用超参数确定后的lasso回归算法，根据各特征参数的规范化工程数据和掘进总推力的规范化工程数据对用于确定掘进总推力的无量纲输入函数的各个系数进行训练，获得系数确定后的无量纲输入函数，作为无量纲预估模型。
[0099]
模型还原模块，用于对所述无量纲预估模型进行规范化还原和量纲还原，获得掘进总推力确定模型；
[0100]
掘进总推力预测模块，用于获得特征参数的当前工程数据，将所述当前工程参数输入掘进总推力确定模型，获得掘进总推力的预测值。
[0101]
本发明还提供一个具体的实施方式以对本发明的复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法及系统的实施过程及效果进一步的说明。
[0102]
本实施例结合某地铁工程的某施工段，为全、强风化花岗岩层复合地质。以下将以该工程数据为例，给出复合型土压平衡盾构机掘进总推力建模的详细步骤：
[0103]
第一步，确定特征参数
[0104]
确定影响掘进总推力的特征参数，包括：结构参数：刀盘直径d(m)，操作参数：掘进速度v(m/s)、刀盘转速w(r/min)、土仓压力pe(mpa)，地质参数：地质密度ρ(g/cm3)、剪切模量g(mpa)、泊松比μ、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数静止土压力系数k0、承载力特征值w(kpa)、埋深h(m)。
[0105]
第二步，将上述特征参数按基本量纲归类
[0106]
对第一步所述参数按包含基本量纲m、l、t分类并列出其量纲，如表1-表3所示。
[0107]
第三步，基于以上分类选取各基本量纲下的基本量
[0108]
对第二步中各类参量分别遵循“优先考虑常数参量、量纲相对简洁的参量以及对目标量产生关键影响的参量”的原则选择基本量，且所选基本量需满足以下条件：每类参数中必须且只能选出一个参数作为基本量；三个基本量的量纲必须彼此独立。包含基本量纲m的参数中所选基本量为：g，包含基本量纲l的参数中所选基本量为：d；包含基本量纲t的参数中所选基本量为：ω。
[0109]
第四步，基于已选基本量计算确定无量纲特征参数及无量纲推力
[0110]
基于第三步中所选的基本量将剩余参数和掘进推力无量纲化，确定复合型土压平衡盾构机掘进过程中的无量纲特征量和无量纲化的掘进总推力，具体包括：π3＝μ、π8＝k0、
[0111]
其中，π1、π2、π3、π4、π5、π6、π7、π8、π9分别为影响参数：掘进速度v(m/s)、土仓压力pe(mpa)、泊松比μ、地质密度ρ(g/cm3)、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数承载力特征值w(kpa)、静止土压力系数k0、埋深h(m)无量纲化后的九个无量纲特征π量，πf为目标量掘进总推力f(kn)无量纲化后的π量。
[0112]
第五步，确定无量纲输入函数
[0113]
基于第四步中的无量纲特征量和无量纲化的掘进总推力，依据各特征量与掘进推力间线性正相关的一般理论影响关系，确定无量纲输入函数，如下：
[0114]
πf＝k1π1+k2π2+k3π3+k4π4+k5π5+k6π6+k7π7+k8π8+k9π9其中，ki,i＝1,2,3...,9分别为各无量纲特征π量πi,i＝1,2,3...,9所对应的待定系数。π1、π2、π3、π4、π5、π6、π7、π8、π9分别为影响参数：掘进速度v(m/s)、土仓压力pe(mpa)、泊松比μ、地质密度ρ(g/cm3)、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数承载力特征值w(kpa)、静止土压力系数k0、埋深h(m)无量纲化后的九个无量纲特征π量，πf为目标量掘进总推力f(kn)无量纲化后的π量。
[0115]
第六步，基于无量纲特征参数及无量纲推力表达式将工程数据无量纲化
[0116]
基于第四步中无量纲特征参数及无量纲推力表达式将该施工段数据无量纲化，计算得到各π量(πf,πi,i＝1,2,3...,9)所对应的工程数据。
[0117]
第七步，将无量纲化的工程数据规范化
[0118]
将第六步中计算所得到的工程数据进行归一化处理，具体方法是对各π量所对应数据分别采用小数定标归一化法，计算方法如下：
[0119][0120]
式中，j是使得max(π'i)＜10的最小整数，i＝1,2,3...,9,f，该施工数据的具体计算公式如下：
[0121][0122]
此时，第五步中的无量纲输入模型改写如下：
[0123]
πf'＝k1π1'+k2π2'+k3π3'+k4π4'+k5π5'+k6π6'+k7π7'+k8π8'+k9π9'
[0124]
其中，ki,i＝1,2,3...,9分别为各无量纲特征π量πi',i＝1,2,3...,9所对应的待定系数。π
′1、π
′2、π
′3、π
′4、π
′5、π
′6、π
′7、π
′8、π
′9分别为影响参数：掘进速度v(m/s)、土仓压力pe(mpa)、泊松比μ、地质密度ρ(g/cm3)、粘聚力c(kpa)、内摩擦系数承载力特征值w(kpa)、静止土压力系数k0、埋深h(m)的无量纲特征π量：π1、π2、π3、π4、π5、π6、π7、π8、π9规范化后的九个无量纲特征π量；π
′f为目标量掘进总推力f(kn)的无量纲π量πf规范化后的无量纲π量。
[0125]
第八步，确定lasso回归算法的超参数
[0126]
将第七步中规范化处理后的数据导入lassocv算法实施十折交叉验证计算，实现不同超参数值下的待定系数识别，并获得其无量纲预估模型的预测均方误差随超参数值的变化规律。进而在此变化规律的基础上遵循“使得mse稳定在较低水平”的原则，确定超参数的取值范围：
[0127]
α≤10-2
[0128]
式中，α为超参数。
[0129]
然后在小于10-2
附近取2个值0.5
×
10-2
和1
×
10-3
分别作为超参数进行20次随机抽样试算，获得系数随抽样的变化图，发现当α＝0.5
×
10-2
时系数相对稳定，故将0.5
×
10-2
作为对该工程施工段数据进行lasso回归建模的超参数设置值。
[0130]
第九步，基于lasso回归算法识别无量纲输入模型的系数
[0131]
基于八步中所确定的超参数设置，通过lasso回归算法对工程数据随机抽样进行训练并输出各π量所对应的识别系数，将系数代入步骤7所述无量纲输入函数，得到无量纲预估模型：
[0132]
πf'＝0.6626π4'+0.1056π8'
[0133]
其中，π
′f为目标量掘进总推力f(kn)的无量纲π量πf规范化后的无量纲π量；π
′4和π
′8分别为地质密度ρ(g/cm3)和静止土压力系数k0的无量纲特征π量：π4、π8规范化后的无量纲特征π量。
[0134]
第十步，将无量纲预估模型量纲还原并规范化还原
[0135]
基于第九步所得无量纲预估模型，将其量纲还原并规范化还原，最终载荷模型由如下公式确定：
[0136]
f＝6.626
×
103ρω2d4+1.056
×
10-2
k0gd2ꢀꢀ
(1)
[0137]
其中，ρ为地质密度，单位：(g/cm3)；k0为静止土压力系数；g为剪切模量，单位：(mpa)；w为刀盘转速，单位：(r/min)；d为刀盘直径，单位:(m)。无量纲化后的九个无量纲特征π量，f为掘进总推力，单位：(kn)。
[0138]
随机选取第180环的工程数据，如表4所示。
[0139]
表4第180环的工程数据列表
[0140]
参数vwgρk0df单位mm/minr/minmpakg/m31mkn数值481.269.9471832.7310.4896.2811470
[0141]
带入式(1)可得该工程段复合型土压平衡盾构机掘进第180环时所需总推力f的大小如下：
[0142]
f＝10355.400(kn)
[0143]
预测误差小于9.718％。
[0144]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0145]
本发明公开了一种复合型土压平衡盾构机的掘进总推力确定方法及系统，本发明针对不同风化程度岩层复合地质，在力学分析基础上通过应用量纲分析，确定了反映该工况共性规律的无量纲特征参量，将其结合到机器学习算法训练建模，提高了方法的针对性、实用性和准确性，为复合型土压平衡盾构机掘进总推力的施工调整提供了有效的决策支
持。
[0146]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0147]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。