地铁施工变形预测与控制的计算机技术管理

在研究地铁施工变形预测与控制方法的基础上,研制了其相应的计算机技术管理系统.基于多媒体视频监控技术,开发了盾构掘进施工监控半自动化系统,然后建立多媒体数字和图像仿真及计算机应用技术的三维动态人工仿真模拟系统.指出盾构施工监控系统数据库的技术参数和工作原理及功能.研制开发了盾构掘进地表沉降变形曲面的多媒体三维动态可视化仿真软件系统.该技术在上海地铁2号线某区间盾构掘进施工中基本实现了施工信息的远程自动监控和指挥.     

盾构掘进姿态的PLC控制

掘进姿态控制是盾构控制系统的重要组成部分,介绍了盾构推进及姿态控制系统的工作原理,进行了盾构姿态控制系统的可编程控制器(PLC)软件设计,以工控机为上位机,以西门子S7-200可编程控制器为下位机,针对掘进姿态分组联合控制的要求设计了梯形图程序,可实现推进液压系统的运动姿态分组联合控制。     

珠海城际轨道交通工程大直径土压平衡盾构施工参数试验研究

盾构掘进过程不可避免地会对地层产生扰动,合理的选取盾构掘进参数对控制地层变形和提高掘进效率至关重要。珠海城际轨道交通工程采用大直径土压平衡盾构机掘进,采用现场试验和数值模拟的方法对全断面淤泥质土断面的土仓压力进行了现场的掘进试验和数值分析,利用现场实测数据对土仓压力对地面沉降的影响、不同土仓压力比情况下的推力进行了研究,并探讨了盾构机由全断面淤泥质土地层进入上软下硬地层扭矩和推力的变化情况。     

土压平衡盾构掘进的数学物理模型及各参数间关系研究

为保证开挖面稳定及控制地面沉降,土压平衡盾构掘进时必须合理匹配各施工参数。基于模型试验结果,推导土压平衡盾构的3个基本方程式,进而得到土压平衡盾构2个总平衡方程式,建立土压平衡盾构掘进的数理模型。在此基础上推导总推力、土仓压力、螺旋机转速、掘进速度间关系的数学表达式,利用盾构施工的现场数据验证关系式的正确性。利用现场掘进数据统计刀盘扭矩、刀盘转速、土仓压力间的经验关系式。这些关系对土压平衡盾构设计时的参数选择和匹配有重要的指导意义,可以应用于土压平衡盾构施工时的参数控制。土压平衡盾构掘进的连续性方程为土压平衡盾构掘进时的地面沉降控制提供了新的研究思路。     

基于智慧互联技术的成都地铁盾构施工安全风险管理信息系统研究

为了有效解决在成都富水砂卵石地层掘进时出现的滞后沉降、人员和环境不安全状态等问题,利用富水砂卵石地层盾构施工的技术特点和盾构施工过程中的关键参数,根据设计、施工、监理、监测、第三方监控等信息,开发基于智慧互联技术的盾构施工安全风险管理信息系统。系统主要包括公共事务管理、安全风险管理、远程视频监控管理、现场门禁管理和远程视频会议5个模块,可实现盾构实时数据监控、量测数据监控、视频监控、安全风险综合管理("三监控,一管理")和监控巡查管理的功能。智慧互联技术即以移动互联网和网络传输为基础、以"互联网+"的思维为理念,结合物联网、"Web GIS"及大数据等技术,实现不同类型数据的集成、分析与管理。该系统的研究与应用为成都地铁盾构施工安全风险控制提供了技术支持,为减少地铁工程建设安全事故造成的经济损失和人员伤亡提供了强有力的保障。     

硬岩滚筒掘进实验装置电气系统研制

为了将来矩形盾构开发提供设计依据,研制了硬岩滚筒掘进实验装置,本文主要介绍了实验装置的电气控制系统,并详尽分析了主要电路及软硬件的设计方法和思路,该控制系统基于PLC为控制核心,通过控制执行机构和采集现场的传感器数据实现装置的自动化控制,HMI画面在线监控显示和记录采集的数据,通过数据的导出分析,为硬岩滚筒掘进装置提供理论分析依据;     

盾构隧道穿越浅埋天然气地层瓦斯安全防控探讨

文章结合成都地铁18号线麓-博-兴三站两区间盾构穿越苏码头浅埋天然气地层施工情况,通过对盾构加装瓦斯监控系统,具备风、瓦、电闭锁功能;对局部通风系统优化布置,保障盾构台车及回风流中风速不低于0.5 m/s;成立行之有效的瓦斯防控管理组织机构及制度保障;采取瓦斯封堵安全施工技术措施并对重点工序现场强化管控,实现了土压平衡盾构隧道安全高效快速掘进目标,总结出瓦斯隧道盾构施工技术措施及瓦斯安全管理经验。     

复杂地质条件下盾构隧道下穿马骝洲水道施工技术优化研究

结合实际工程,采用理论计算、数值模拟及现场监测等手段对盾构隧道掘进综合施工技术进行研究,分析了盾构推进过程中引起的河底隆起、管片上浮情况,优化了盾构下穿水道掘进参数。研究表明:盾构机在穿越马骝洲水道时,须做好管片的抗浮计算和相应的抗浮处理,避免河床隆起。在掘进过程中,由于管片拱底的上浮值大于拱顶的上浮值,为避免隧道偏离轴线应及时做好监控量测。根据理论计算值和数值模拟结果,结合试验段现场监测情况,得出在不同地层中优化后的盾构掘进参数,并总结出一套使得盾构安全快速下穿水道的施工关键技术。     

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。     

土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究

土压平衡盾构在掘进时有两种平衡状态,一种是盾构与前方土体接触压力和土水压力的平衡,另一种是出土的平衡。两种平衡状态只有在刀盘开口率非常大时才等价。由于面板的挤压作用,开口率较小的盾构两种平衡状态将有较大偏离。出土率是控制土压平衡的重要指标,当其接近100%时,盾构处于出土的平衡掘进状态。盾构掘进时很难直接控制出土率,可通过施工参数间接控制。推导出土率与螺旋机转速、推进速度的定量关系,通过模型试验验证三者关系;推导平衡状态时上述三个参数的关系,该关系可作为通过施工参数控制平衡状态的标准;提出通过模型试验确定平衡状态时参数匹配的方法。当出土率小于或大于100%时及采用开口率较小的面板式刀盘时,盾构将产生不平衡掘进。大部分土压平衡盾构不平衡掘进产生挤土作用,造成正的地层损失及附加的应力场。试验结果表明,不平衡推进时挤土量一部分产生体积应变,一部分形成正的地层损失,使盾构前方地表产生了隆起;现场试验测试了刀盘前方附加应力场的大小和范围。研究成果可以指导土压平衡盾构推进时的参数控制,对控制推进时地表变形有指导意义。     

大型多功能盾构掘进模拟试验台的研制

盾构掘进模拟试验台本身包含有多个系统,这种试验台的研制是一项涉及到机、电、液、控以及土工等多学科的综合而复杂的研究和制造工作。介绍了我国第一台大型多功能盾构掘进模拟试验台的研制情况、盾构掘进模拟试验台的主要组成部分及其特点,以及主要技术指标。试验台的建成将为我国盾构机的研制和盾构隧道工程提供关键的试验设备。     

Electro-hydraulic proportional control of thrust system for shield tunneling machine

In this paper, a thrust hydraulic system of shield tunneling machine with pressure and flow compound control scheme is proposed. In the control system, the task of real-time measuring of the pressure and the displacement of hydraulic cylinder in each thrust group is accomplished by pressure sensor and displacement sensor respectively, forming the closed-loop pressure and speed control with proportional valves. Thrust system mathematical modeling including hydraulic system and multi-cylinder acting dynamics is presented. Synchronization motion control between cylinders is also achieved by means of master–slave PID with dead band compensating displacement error. Experiments of thrust pressure and speed control as well as cylinder synchronization are conducted on the shield simulation test rig. The experimental results show that the proposed thrust hydraulic system and its control can meet the requirements of tunneling.     

盾构机土仓压力平衡模型参数辨识方法研究

为了在盾构机隧道掘进过程中控制土仓压力和地表变形,提出了基于遗传算法的盾构机土仓压力控制模型辨识方法。为了验证控制模型辨识方法的有效性,建立了盾构机土仓压力控制实验台。该实验台由盾构机推进系统、螺旋输送机排土系统、土仓压力与螺旋输送机转速监测系统组成。用于系统模型参数辨识的输入和输出为螺旋输送机的转速和土仓压力。系统辨识的目标函数定义为实验观测的土仓压力与模型计算值残差平方和最小,而模型计算的土仓压力是系统被辨识参数的函数。为了解决参数估计中的局部极小值问题,采用了改进的十进制遗传算法。实验结果表明,与最小二乘法和梯度搜索方法相对比,遗传算法得到的模型参数具有更高的预测精度,预测的土仓压力与观测值吻合的较好。     

基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制

依据盾构推进各阶段特征,分析了盾构推进引发地面沉降的机理。基于地层损失,建立了盾构隧道地面沉降控制体系。该体系综合了土层特性和盾构隧道设计参数,通过设定地层损失率,利用经验公式对隧道纵横两个方向的地面沉降做出预测,基于沉降控制指标反算需要控制的地层损失率,用于控制沉降;利用数值模拟分析隧道施工过程,基于地面沉降三维曲面,分析地层损失及施工控制参数对地面沉降的影响。对比分析设定地层损失率计算结果与现场监测数据,建立地面沉降—地层损失率—施工参数之间的联系,通过施工参数控制实现地面沉降的控制。     

Pose and trajectory control of shield tunneling machine in complicated stratum

The present study is focused on developing a method for controlling the pose and trajectory of a shield tunneling machine (STM) applied in complicated stratum. Lacking method to determine target motions of thrust cylinders and suitable electro-hydraulic control system are major restrictions for the STM to realize automatic pose control. To overcome these bottlenecks, a mathematical method for determining the target motions of thrust cylinders is proposed based on kinematic analysis of the thrust mechanism. With this method, target motions of thrust cylinders when the STM excavates along any specific curves can be obtained and used as the input signal of the pose control system. A multi-cylinder control system is proposed based on master/slave control strategy to control the length of each kinematic chain in order to adjust the pose of the thrust mechanism. Experiments are carried out to evaluate the performances of this control system. The experimental results verify that the proposed pose control system is effective in controlling the pose and trajectory of the shield machine no matter it advances along a straight or a curved tunnel axis. Considering the complex loads during the experiments, the proposed system has great potential for applying in practical tunnel construction.     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。     

盾构法隧道施工中盾构控制滞后效应的研究

盾构机的姿态控制是其在隧道施工作业中的一项重要问题。在分析盾构法隧道施工中盾构机受力情况的基础上 ,引进盾构机运动力学模型 ,通过现场资料实测值与计算值对其进行了验证 ,并应用此模型研究了盾构机行为控制与运动响应之间的滞后效应 ,得到一些有用的结论 ,为盾构施工中的姿态控制提供了有意义的依据     

Machine learning-based automatic control of tunneling posture of shield machine

For a tunnel driven by a shield machine, the posture of the driving machine is essential to the construction quality and environmental impact. However, the machine posture is controlled by the experienced driver of shield machine by setting hundreds of tunneling parameters empirically. Machine learning (ML) algorithm is an alternative method that can let the computer to learn from the driver's operation and try to model the relationship between parameters automatically. Thus, in this paper, three ML algorithms, i.e. multi-layer perception (MLP), support vector machine (SVM) and gradient boosting regression (GBR), are improved by genetic algorithm (GA) and principal component analysis (PCA) to predict the tunneling posture of the shield machine. A set of the parameters for shield tunneling is extracted from the construction site of a Shanghai metro. In total, 53,785 pairwise data points are collected for about 373 d and the ratio between training set, validation set and test set is 3:1:1. Each pairwise data point includes 83 types of parameters covering the shield posture, construction parameters, and soil stratum properties at the same time. The test results show that the averaged R² of MLP, SVM and GBR based models are 0.942, 0.935 and 0.6, respectively. Then the automatic control for the posture of shield tunnel is illustrated with an application example of the proposed models. The proposed method is proved to be helpful in controlling the construction quality with optimized construction parameters.