1.本技术涉及盾构施工技术领域，特别涉及一种盾构机掘进前方的孤石预测方法和系统。
背景技术：2.随着盾构法施工技术在地铁建设中得到广泛应用，在使用盾构法施工的过程中也会遇到一些特殊的地址条件，给盾构法施工造成较大的困难。在一些地方进行的隧道施工时均遇到孤石的情况，往往造成盾构机受损，盾构掘进困难，地层扰动增加，地表沉降加重的问题，严重的情况下甚至造成工程事故。
3.因此，探测孤石是盾构施工过程的关键环节，及时有效的探测孤石、发现孤石是盾构法施工中亟待解决的难题。
技术实现要素：4.本技术的目的在于提供一种盾构机掘进前方的孤石预测方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
5.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：本技术提供一种盾构机掘进前方的孤石预测方法，包括：步骤s101、根据盾构机掘进时的采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；步骤s102、响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；步骤s103、基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。
6.优选的，在步骤s101中，根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，对盾构机的扭矩系数进行修正，基于修正后的扭矩系数确定盾构机掘进未遇到孤石时的理论扭矩。
7.优选的，在步骤s101中，按照公式：确定盾构机掘进时的理论扭矩；其中，表示盾构机掘进时的扭矩系数；表示盾构机的刀盘直径。
8.优选的，在步骤s103中，预设的孤石预测模型为：
其中，表示孤石距盾构机刀盘旋转中心的距离；表示孤石沿刀盘径向的长度；表示未发生受力变化且靠近刀盘旋转中心的滚刀到刀盘旋转中心的距离；表示刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示未发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示处孤石沿刀盘环向的大小；表示处孤石沿刀盘环向的大小；、表示径向未发生受力变化的两个滚刀到刀盘中心的距离；表示滚刀受力变化最长时间；表示刀盘扭矩的变化时间；表示刀盘切削孤石时时刻的刀盘转速；表示孤石沿掘进方向的大小；表示时刻盾构机的掘进速度。
9.本技术实施例还提供一种盾构机掘进前方的孤石预测系统，包括：修正单元，配置为根据盾构机掘进时的采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；判断单元，配置为响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；预测单元，配置为基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。
10.优选的，修正单元进一步配置为，按照公式：确定盾构机掘进时的理论扭矩；其中，表示盾构机掘进时的扭矩系数；表示盾构机的刀盘直径。
11.优选的，修正单元进一步配置为，根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，对盾构机的扭矩系数进行修正，基于修正后的扭矩系数确定盾构机掘进未遇到孤石时的理论扭矩。
12.优选的，预测单元中部署的孤石预测模型为：
其中，表示孤石距盾构机刀盘旋转中心的距离；表示孤石沿刀盘径向的长度；表示未发生受力变化且靠近刀盘旋转中心的滚刀到刀盘旋转中心的距离；表示刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示未发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示处孤石沿刀盘环向的大小；表示处孤石沿刀盘环向的大小；、表示径向未发生受力变化的两个滚刀到刀盘中心的距离；表示滚刀受力变化最长时间；表示刀盘扭矩的变化时间；表示刀盘切削孤石时时刻的刀盘转速；表示孤石沿掘进方向的大小；表示时刻盾构机的掘进速度。
13.有益效果：本技术提供的盾构机掘进前方的孤石预测方法中，首先，根据盾构机掘进时的采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；当刀盘扭矩发生变化时，且大于理论扭矩的10%，判定盾构机掘进遇到孤石；最后，基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，即可确定孤石的具体位置和大小。籍以，在盾构机掘进过程中及时发现孤石并预测孤石的大小、位置，提高盾构机掘进的安全性。
附图说明
14.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：图1为根据本技术的一些实施例提供的盾构机掘进前方的孤石预测方法的流程示意图；图2为根据本技术的一些实施例提供的盾构机在含有孤石地层中的掘进示意图；图3为根据本技术的一些实施例提供的孤石径向大小的预测示意图；图4为根据本技术的一些实施例提供的孤石环向大小的预测示意图；图5为根据本技术的一些实施例提供的盾构机掘进前方的孤石预测系统的结构示意图。
具体实施方式
15.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
16.当地层中存在孤石这种不良地质状态，在勘探过程中，采取地表调查、钻探、物探等不同方法对孤石分布特征进行分析；这些方法可以对孤石的大小、形状、分布特征进行探测，但这些方法成本较高，并且由于钻孔间距的存在常常可能出现漏检的情况。
17.如图1-图4所示，该盾构机掘进前方的孤石预测方法包括：步骤s101、根据盾构机掘进时的采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩。
18.本技术中，通过盾构机中的隧道施工实时管理信息系统，即pdv数据采集系统，对
盾构机的掘进参数进行实时采集。具体的，通过pdv数据采集系统实时监测记录盾构的刀盘转速、掘进速度、总推力、采集扭矩（采集的刀盘扭矩）、土仓压力、螺旋输送机转速、以及滚刀受力等。
19.在此，盾构pdv数据采集系统通过cp5611与盾构机的可编程逻辑控制器（programmable logic controller，简称plc）进行通讯，获取；并通过com2与远程控制端（例如，远程计算机等）进行数据传输。盾构pdv数据采集系统所获取的测量数据通过连续的时钟脉冲里的测量传感器采集，在设定时刻被记录，并通过平均值计算获取其多次采集的平均值作为输出。
20.本技术中，根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，对盾构机的扭矩系数进行修正，基于修正后的扭矩系数确定盾构机掘进未遇到孤石时的理论扭矩。具体的，根据pdv数据采集系统采集到的刀盘扭矩对理论扭矩进行修正，即在盾构机掘进未遇到孤石时，根据采集的刀盘扭矩和基于初步确定的扭矩系数计算的理论扭矩的差值，对扭矩系数进行修正，直至采集的刀盘扭矩和计算的理论扭矩的差值小于等于预设扭矩阈值，确定此时的理论扭矩对应的扭矩系数即为盾构机的实际扭矩系数。
21.在盾构机掘进过程中，按照修正后确定的盾构机的实际扭矩系数计算盾构机的理论扭矩，并将理论扭矩与采集的刀盘扭矩进行对比，根据二者的扭矩误差即可确定盾构机掘进是否遇到孤石。
22.进一步按照公式（1）确定盾构机掘进时的理论扭矩。公式（1）如下：
…………………………
（1）其中，表示盾构机掘进时的扭矩系数；表示盾构机的刀盘直径。
23.在此，对不同类型的盾构，扭矩系数的取值不同。具体的，对机械式盾构，的取值范围为；对泥水盾构，的取值范围为；对土压盾构，的取值范围为。
24.步骤s102、响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；在本技术中，基于土木施工时的容许误差，在刀盘扭矩大于理论扭矩的10%时，判定盾构机掘进过程遇到孤石。在此，可以理解的是，盾构机在掘进过程中遇到孤石时，刀盘扭矩的增大会在一定时间段内一直大于理论扭矩，且根据刀盘扭矩与理论扭矩之间的差值的大小，可以判断遇到的孤石的大小。当刀盘扭矩远超过理论扭矩时，即刀盘扭矩与理论扭矩之间的差值较大时，盾构机掘进遇到的孤石较大；当刀盘扭矩稍微超过理论扭矩时，即刀盘扭矩与理论扭矩之间的差值较小时，盾构机掘进遇到的孤石较小。
25.步骤s103、基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。
26.具体的，孤石预测模型如公式（2）所示，公式（2）如下：
…………………………
（2）其中，表示孤石距盾构机刀盘旋转中心的距离；表示孤石沿刀盘径向的长度；表示未发生受力变化且靠近刀盘旋转中心的滚刀到刀盘旋转中心的距离；表示刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示未发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示处孤石沿刀盘环向的大小；表示处孤石沿刀盘环向的大小；、表示径向未发生受力变化的两个滚刀到刀盘中心的距离；表示滚刀受力变化最长时间；表示刀盘扭矩的变化时间；表示刀盘切削孤石时时刻的刀盘转速；表示孤石沿掘进方向的大小；表示时刻盾构机的掘进速度。
27.在本技术中，盾构机掘进过程中，当滚刀遇到孤石时，根据滚刀受力实时监测系统记录的滚刀的受力情况，参与切削孤石的滚刀受力会发生变化。当一刀盘径向的滚刀切削过孤石时，受力发生变化的滚刀即为在孤石所处的范围。进而，根据刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离和未发生受力变化的两滚刀之间的距离，按照公式（2）即可确定孤石沿刀盘径向的长度。
28.本技术中，滚刀受力实时监测系统主要通过无线应变节点传感器对不同位置的滚刀受力进行实时监测，无线应变节点传感器通过无线网关对采集到的滚刀受力数据进行发送。
29.本技术中，通过盾构机掘进时的滚刀受力、掘进速度、刀盘扭矩即可有效的判断盾构机掘进是否遇到孤石，以及盾构机前方遇到的孤石的位置和大小，不但操作简单、成本低，而且便捷、快速的预测孤石，确保盾构机的掘进安全。
30.图5为根据本技术的一些实施例提供的一种盾构机掘进前方的孤石预测系统的结构示意图；如图5所示，该盾构机掘进前方的孤石预测系统包括：修正单元501、判断单元502和预测单元503。修正单元501配置为根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；判断单元502配置为响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；预测单元503配置为基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。
31.修正单元501进一步配置为根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，对盾构机的扭矩系数进行修正，基于修正后的扭矩系数确定盾构机掘进未遇到孤石时的理论扭矩。
32.修正单元501进一步配置为，按照公式：确定盾构机掘进时的理论扭矩；其中，表示盾构机掘进时的扭矩系数；表示盾构机的刀盘直径。
33.预测单元503中部署的孤石预测模型为：其中，表示孤石距盾构机刀盘旋转中心的距离；表示孤石沿刀盘径向的长度；表示未发生受力变化且靠近刀盘旋转中心的滚刀到刀盘旋转中心的距离；表示刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示未发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示处孤石沿刀盘环向的大小；表示处孤石沿刀盘环向的大小；、表示径向未发生受力变化的两个滚刀到刀盘中心的距离；表示滚刀受力变化最长时间；表示刀盘扭矩的变化时间；表示刀盘切削孤石时时刻的刀盘转速；表示孤石沿掘进方向的大小；表示时刻盾构机的掘进速度。
34.本技术实施例提供的盾构机掘进前方的孤石预测系统能够实现上述任一盾构机掘进前方的孤石预测方法的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
35.以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
技术特征：1.一种盾构机掘进前方的孤石预测方法，其特征在于，包括：步骤s101、根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；步骤s102、响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；步骤s103、基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。2.根据权利要求1所述的盾构机掘进前方的孤石预测方法，其特征在于，在步骤s101中，根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，对盾构机的扭矩系数进行修正，基于修正后的扭矩系数确定盾构机掘进未遇到孤石时的理论扭矩。3.根据权利要求1所述的盾构机掘进前方的孤石预测方法，其特征在于，在步骤s101中，按照公式：确定盾构机掘进时的理论扭矩；其中，表示盾构机掘进时的扭矩系数；表示盾构机的刀盘直径。4.根据权利要求1盾构机掘进前方的孤石预测方法，其特征在于，在步骤s103中，预设的孤石预测模型为：其中，表示孤石距盾构机刀盘旋转中心的距离；表示孤石沿刀盘径向的长度；表示未发生受力变化且靠近刀盘旋转中心的滚刀到刀盘旋转中心的距离；表示刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示未发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示处孤石沿刀盘环向的大小；表示处孤石沿刀盘环向的大小；、表示径向未发生受力变化的两个滚刀到刀盘中心的距离；表示滚刀受力变化最长时间；表示刀盘扭矩的变化时间；表示刀盘切削孤石时时刻的刀盘转速；表示孤石沿掘进方向的大小；表示时刻盾构机的掘进速度。5.一种盾构机掘进前方的孤石预测系统，其特征在于，包括：修正单元，配置为根据盾构机掘进时的采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；
判断单元，配置为响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；预测单元，配置为基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。6.根据权利要求5所述的盾构机掘进前方的孤石预测系统，其特征在于，修正单元进一步配置为，根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，对盾构机的扭矩系数进行修正，基于修正后的扭矩系数确定盾构机掘进未遇到孤石时的理论扭矩。7.根据权利要求5所述的盾构机掘进前方的孤石预测系统，其特征在于，修正单元进一步配置为，按照公式：确定盾构机掘进时的理论扭矩；其中，表示盾构机掘进时的扭矩系数；表示盾构机的刀盘直径。8.根据权利要求5所述的盾构机掘进前方的孤石预测系统，其特征在于，预测单元中部署的孤石预测模型为：其中，表示孤石距盾构机刀盘旋转中心的距离；表示孤石沿刀盘径向的长度；表示未发生受力变化且靠近刀盘旋转中心的滚刀到刀盘旋转中心的距离；表示刀盘径向上发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示未发生受力变化的两滚刀之间的距离；表示处孤石沿刀盘环向的大小；表示处孤石沿刀盘环向的大小；、表示径向未发生受力变化的两个滚刀到刀盘中心的距离；表示滚刀受力变化最长时间；表示刀盘扭矩的变化时间；表示刀盘切削孤石时时刻的刀盘转速；表示孤石沿掘进方向的大小；表示时刻盾构机的掘进速度。
技术总结本申请提供了一种盾构机掘进前方的孤石预测方法和系统。该方法包括：根据盾构机掘进时采集的刀盘扭矩，确定盾构机的扭矩系数，以计算盾构机掘进时的理论扭矩；响应于刀盘扭矩发生变化，且大于理论扭矩的10%，确定盾构机掘进遇到孤石；基于预设的孤石预测模型，根据盾构机掘进时的刀盘转速和掘进速度，确定孤石的位置和大小。籍以，通过盾构机掘进时的滚刀受力、掘进速度、刀盘扭矩即可有效的判断盾构机掘进是否遇到孤石，以及盾构机前方遇到的孤石的位置和大小，不但操作简单、成本低，而且便捷、快速的预测孤石，确保盾构机的掘进安全。确保盾构机的掘进安全。确保盾构机的掘进安全。
技术研发人员：王怀东 佟方硕 刘晓迪 裴柏铮 莫宏岩 谢天祥 刘洪宇 李志重 崔广宇 孙建平 谢国兴 刘强 周明亮
受保护的技术使用者：中铁大连地铁五号线有限公司
技术研发日：2022.06.02
技术公布日：2022/7/5
