盾构密封舱土压预测及优化控制智能策略

盾构掘进过程中开挖面压力失衡易导致地表塌陷或隆起的灾难性事故。由于密封舱土压的变化情况与开挖面压力密切相关,因此精确预测及控制密封舱土压是有效预防开挖面压力失衡的关键技术之一。为建立密封舱土压的预测模型,首先从机理上对密封舱土压与掘进参数的关系,特别是刀盘扭矩对土压的影响,做了详细分析,以此为基础确定了密封舱土压模型新的输入输出参数。然后建立了依据密封舱压力传感器数据、基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）的土压预测模型。并且基于此预测模型,以密封舱内四点土压预测值与设定值偏差最小为优化指标,采用粒子群算法（PSO）对控制参数进行在线优化,实时控制密封舱土压平衡。最后结合现场施工数据进行了仿真对比分析,验证了模型的有效性和准确性,为准确预测和控制密封舱土压,保证掘进过程安全提供了技术支持。     

基于密封舱压力场的盾构土压平衡控制建模与仿真

为实现更准确、有效的土压平衡控制,提出一种新的密封舱土压平衡控制的建模方法.基于小波阈值去噪后的现场施工数据,采用最小二乘法建立了密封舱压力场分布模型;在此基础上,通过分析掘进控制参数与密封舱压力的关系以及土压状态发生变化的影响因子,建立了以等效压力为控制目标的密封舱土压平衡控制模型.设计了模糊自适应PID控制器,构建了土压平衡控制系统.最后,利用现场施工数据进行仿真验证,结果表明模型的有效性,为盾构掘进过程的土压平衡控制奠定了基础。     

基于数据驱动的盾构机密封舱土压预测

盾构机是一种暗挖地下隧道工程的专用机械。为了保证盾构机安全、高效掘进,必须控制密封舱土压平衡。盾构机掘进过程中密封舱土压受多系统、多场耦合和地质条件突变等诸多因素影响,极易导致密封舱土压失衡而引起地表塌陷等安全事故。针对难以建立有效的机理模型进行密封舱土压预测并实施控制的问题,提出了基于多粒子群协同优化的并行支持向量机(PCPSO-PSVM)密封舱土压的数据驱动建模方法。采用分而治之的原则将数据样本分成4个子集、3个层次进行并行学习,再采用交叉反馈的方式更新初始样本重新训练直至结束,得到支持向量;利用协同粒子群并行计算优化支持向量机的参数,将粒子群并行分组寻优,在各自独立的进程内进行独立搜索,最后各群体汇集到主进程,计算得到模型的全局最优参数C和σ,得到密封舱土压预测模型。基于盾构施工现场的实测数据进行了仿真实验,对密封舱内4个土压力监测点进行建模预测,结果表明该方法具有较高的计算效率和预测精度,能够满足实时在线计算预测的要求。因此,完全可以通过这些压力监测点做出整个开挖面的土压力预测,以对密封舱土压失衡做出提前预警和决策。该方法实现了基于数据的快速密封舱土压建模预测,能够为开挖面的稳定控制提供及时、准确的判断依据,指导工程实践。     

盾构掘进土压平衡控制模型

分析了影响盾构土压平衡的掘进参数之间及其与土仓压力间的相互关系,采用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）建立了一个以推进力、推进速度、土仓压力实时数据采样值为输入,螺旋输送机转速为输出的基于排土控制的盾构土压平衡控制模型.在Matlab中利用100组施工现场数据对模型进行训练和参数优化,并采用另外100组数据对训练好的模型加以检验.结果表明,模型预测结果与实测数据吻合较好,说明该土压平衡控制模型能够很好地逼近盾构掘进此类非线性过程,同时可以对掘进参数进行有效的预测控制.     

土压平衡盾构机密封舱压力控制实验研究

为了解决土压平衡盾构机密封舱压力自动控制问题,建立了密封舱压力控制机理模型和实验台。根据实验台观测数据,采用系统辨识方法识别控制模型中的参数。以优化理论为基础,提出了密封舱压力稳健控制方法。实验研究结果表明,所建立的压力控制机理模型、模型参数辨识方法和优化控制策略是有效的。     

不同注浆参数下盾构施工引起的隧道和地表沉降规律研究

土压平衡盾构掘进时壁后同步注浆效果的好坏很大程度上决定着地表沉降的大小。以郑州地铁3号线1期二七广场站—顺城街站盾构区间为背景,借助FLAC~(3D)软件建立双线地铁盾构施工的三维模型,分析不同浆液的弹性模量、注浆压力所引起的隧道拱顶沉降和地表沉降变化规律,并得出适用于实际工程的注浆参数建议值。     

基于密封舱压力场梯度的盾构开挖面稳定性判定

提出了一种基于密封舱压力场梯度的土压平衡盾构开挖面稳定性的判定方法。利用非均匀B样条最小二乘方法建立了密封舱压力场的分布模型,在此基础上,分析了竖直与水平方向压力梯度的变化,基于密封舱压力场梯度范数给出了开挖面的稳定域及判定方法。对于压力场梯度范数的极值,采用多级动态惩罚函数与粒子群相结合的优化算法对优化函数进行求解。最后,利用现场施工数据进行了仿真研究,对密封舱压力平衡、失衡时的压力场及等压线分布特征进行了分析,并进一步对开挖面的稳定性进行了判断,验证了判定方法的有效性。     

盾构机掘进过程中受力平衡分析

对盾构机进行受力平衡分析对于有效地控制地表变形和降低盾构掘进过程中的能源消耗是十分重要的.采用解析方法研究了盾构机掘进过程中的受力状态;研究了掘进工作面土压力、盾壳摩擦阻力和刀盘切刀贯入阻力的解析计算方法.研究表明,掘进工作面土压力阻力大约为盾壳与周围土体摩擦阻力的一半;而刀盘切刀贯入阻力为掘进工作面土压力阻力的20%左右.     

土压平衡盾构机密封舱土压力控制方法

基于有限元数值模拟方法,建立了密封舱土压力控制的参考模型。以密封舱渣土的Duncan-Chang非线性弹性本构模型为基础,建立了盾构机密封舱土压力与盾构机推进速度和螺旋输送机转速的映射关系,提出了盾构机密封舱土压力优化控制模型。数值模拟结果表明,该方法对于有效控制密封舱土压力行之有效且易于实现。     

固体充填开采顶板多跨超静定结构分析与充填支架 控制作用研究

为解决不同地质与开采条件下充填支架的关键参数确定问题,以充填开采条件下岩层移动的实际变形形态为基础,将基本顶作为研究对象,建立了基于多跨超静定结构的“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型,煤壁和充填体为主要承载体,充填支架对顶板起限定变形作用,据此建立了连续顶板的力学平衡方程和变形协调方程,在充填支架支撑载荷未知的情况下进行问题的求解,将充填体分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承,取单跨隔离体进行分析,建立截面切口形变分量方程,进而推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式,得到的n+2个变形协调方程与3个平衡方程构成n+5个求解方程,对应n+5个未知约束,所求问题全部得解;为了更真实地反映顶板载荷的分布,更合理地分析顶板、支架和充填体的相互作用关系,尝试将力学模型与数值模型相结合,改变以往力学模型中将顶板载荷作为均布载荷的简化分析方法,建立与力学模型中充填支架作用和充填体参数一致的数值模型,将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷q(x),代入“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型,由此解出模型中所有支座的反力、梁体内力、梁端弯矩等未知量,从而得出顶板载荷、支架和充填体支撑作用力的相互作用关系,通过具体算例分析了不同充填体弹性地基系数和不同顶板限定变形量条件下双顶梁结构充填支架前顶梁和后顶梁支护强度的变化规律,为充填支架关键参数的确定提供有效依据。     

一种新的盾构机土仓压力控制模式及其实验研究

为解决盾构机土仓压力控制的快速性和稳定性问题,提出了一种新的控制策略。该控制策略将螺旋输送机的旋转速度和盾构机的推进速度作为可控变量,采用优化算法实现盾构机土仓压力自适应控制。研究表明：由于刀盘的直径比螺旋输送机的直径大很多,因此通过补充调整盾构机的推进速度控制土仓压力会更有效。试验结果表明,与单独控制螺旋输送机转速控制土仓压力方法相对比,土仓压力控制的快速性和稳定性都得到了提高。     

盾构机土压平衡系统的ARMA模型及其参数估计

为了表征盾构机土仓压力平衡系统的时滞特性和提高模型的预测精度,建立了该系统的自回归滑动平均(ARMA)模型,并提出了基于优化算法的ARMA模型参数估计方法。实验结果表明,与经典的线性机理模型相对比,新模型显著提高了土仓压力的拟合和预测精度。ARMA模型预测土仓压力的最大相对误差从机理模型的41%降低到9%。结合实验数据,分析了该系统动态响应的时滞特性,分析表明,螺旋输送机转速对下一时刻土仓压力影响的时滞特性更加明显。     

盾构机土仓压力控制模型及其参数辨识

基于改性后渣土的非线性本构关系,建立了盾构机土仓压力控制模型。根据现场观测的土仓压力、螺旋输送机转速和盾构机推进速度数据,提出了基于遗传算法的土仓压力控制模型参数辨识方法。工程实践应用结果表明,所建立的土仓压力控制模型及其参数辨识方法是十分有效的,土仓压力控制模型预测的土仓压力与观测值吻合较好。