盾构掘进土层识别及刀盘转速控制策略研究

利用模拟盾构试验平台,研究了土压平衡盾构(EPB)掘进过程的土层识别方法,在此基础上提出了刀盘驱动功率效能评价方法,盾构刀盘转速适应土层变化专家控制策略,并对盾构刀盘驱动系统节能给出了新的途径.通过统计分类的模式识别方法分析了1.8 m EPB试验盾构在模拟土箱不同土层中的掘进试验数据,划分土层的类别,并使用贴近度的计算方法得到样本所属地层的量化参数,建立了土层识别方法.研究表明,以盾构掘进的场切深指数(FPI)、扭矩切深指数(TPI)构成的掘进土层状况的特征空间,具有很好的土层识别性,能够用于刀盘转速的闭环控制.     

变转速泵控模拟盾构刀盘驱动系统研究

设计了1.8 m土压平衡(EPB)模拟试验盾构的刀盘驱动液压系统,介绍了该液压驱动系统的工作原理和控制方法,该系统采用了变转速泵控技术.通过统计分类的模式识别方法分析了1.8 m试验盾构的掘进过程,以盾构掘进的场切深指数（FPI）、扭矩切深指数（TPI）构成了掘进土层状况的特征空间,基于土层识别及刀盘驱动功率效能评价建立了盾构刀盘转速专家控制方法.建立该液压驱动系统的AMESim仿真模型,仿真研究了液压系统的效率、开环和闭环调速性能.试验研究表明,该液压系统开环调速性能稳定,但刀盘转速波动较大.     

土压平衡盾构刀盘扭矩计算模型

针对目前刀盘扭矩计算模型不统一、考虑施工动态参数欠缺的问题,提出一种考虑刀具贯入度、土仓压力的刀盘扭矩计算模型.通过现场试验及理论计算结果的对比,分析刀盘摩擦扭矩的组成,在此基础上,提出土压平衡盾构在掘进过程中刀盘扭矩不断变化的关键因素,选取3处712组现场实测数据进行回归分析,探讨刀具贯入度、土仓压力2个因素对刀盘扭矩的影响,并应用力学推导、数值模拟方法对2个因素影响刀盘扭矩的机理进行解释,给出考虑施工需求的刀盘极限扭矩的计算公式.结果表明: 刀盘背面摩擦扭矩不能忽略;当刀盘贯入度增大时,刀盘扭矩明显增大的原因主要是刀盘对开挖面土体挤压的增大,而不是刀具切削扭矩的增加;土仓压力对刀盘扭矩的影响主要是增大了刀盘背面摩擦扭矩.     

盾构刀盘驱动液压系统效率对比研究

为了提高盾构刀盘驱动液压系统的效率,以6.3 m土压平衡(EPB)盾构和1.8 m模拟盾构为研究对象,提出两种新型盾构刀盘驱动液压系统.对比分析了常用的多泵联合驱动和新提出的多泵组合驱动方式的刀盘驱动液压系统效率,常用的变排量容积调速和新提出的变转速容积调速驱动方式的刀盘驱动液压系统效率.建立了液压泵和液压马达的效率计算模型,采用AMESim软件建立4种液压驱动系统的仿真模型.研究结果表明,在刀盘典型转速下（1.0～2.0 r/min）,多泵组合驱动方式比多泵联合驱动方式的刀盘驱动液压系统效率高3%～7%,变转速容积调速方式比变排量容积调速方式的刀盘驱动液压系统效率高4%～26%.     

复合式土压平衡盾构机刀盘开口模式设计

复合式土压平衡盾构机在掘进过程中,刀盘开口模式直接影响碴土流动性,碴土流动性能够保证施工开挖面压力平衡,因此合理的刀盘开口模式是保证盾构系统内部压力稳定和掘进安全的关键。本文针对加入改性材料后具有一定流动特性的碴土,运用计算流体力学的方法,研究了不同刀盘开口方式对碴土流动性的影响。分别对比了相同和不同开口率下,对于同一性质的流体,盾构系统的压力传递情况,得到了系统轴向的压力分布规律。针对不同开口率得到了开口率大小与压力传递的关系,针对相同开口率得到了不同开口位置与压力传递的关系,为刀盘开口模式的结构设计提供依据。     

某型土压平衡盾构刀盘有限元分析

根据某土压平衡盾构刀盘结构特点,在Solidworks中建立其三维实体模型,并应用ANSYS软件建立了刀盘相应的有限元计算模型,对刀盘在正常工况和脱困工况下的受力特性进行分析,得到了刀盘在各工况下的应力应变分布规律.分析结果表明,危险截面位于180～210°辅梁与辅条间,在牛腿与法兰盘、辅梁连接处也有较大应力,最大应力为204 MPa,最大变形为1.568 mm,研究结果为刀盘的结构设计和工程施工维护提供了基础数据.     

土压平衡盾构掘进土量平衡及参数相关性分析

土压平衡盾构掘进时,一般是通过监测地表沉降数据对土仓压力进行调整,使盾构达到土压平衡状态,但该方法过于滞后,易造成不平衡掘进状况.故分析控制土量平衡的方法使盾构掘进时处于土压平衡状态,确保开挖面土层的稳定.阐述了土量平衡中的挖土量与排土量,得出使盾构达到土量平衡状态时,控制螺旋输送机转速与推进速度的比值(N/V),并总结出盾构掘进中土量平衡控制的标准.基于合肥地铁4号线隧道工程,对现场监测数据进行土量平衡分析,同时讨论关键参数的相关性,以保障盾构施工安全.结果表明:合肥地区类似工程盾构施工时可将N/V控制在0.162附近,此时盾构对土层扰动最小;土仓压力随着N/V和刀盘扭矩的增大而减小;总推力与N/V存在一定的相关性.     

大粒径卵砾石地层盾构刀盘选型及适应性评价

大粒径卵砾石地层是北京地铁修建过程中开挖难度最大的地层之一,给土压平衡盾构施工造成了一系列的难题。刀盘是土压平衡盾构的重要构件之一,合理的刀盘结构型式是大粒径卵砾石地层土压平衡盾构高效、可靠运行的前提。为了找出适用于大粒径卵砾石地层的刀盘结构型式,以北京地铁九号线盾构工程为背景,开展大粒径卵砾石地层土压平衡盾构开挖原型试验,基于＂北京地铁盾构施工实时管理系统＂和＂北京地铁建设安全风险技术管理体系＂收集盾构关键施工参数,以现场掘进试验数据有基础,对盾构掘进效能、盾构关键参数地层适应性及刀具磨损情况进行了对比研究。研究结果表明：1）大粒径砂卵石地层辐条式刀盘适应性更好,掘进效率更高,对刀具的磨损控制更为有利;2）辐条式刀盘可适当增大开口率至55%~65%;3）大粒径卵砾石地层,辐条式刀盘比面板式土压力控制更加稳定;提高盾构掘进速度的同时,应注意盾构土压力的控制,合理的盾构推进速度应为20~60mm/min。     

复合岩层下岩石掘进机刀盘载荷特性研究

针对岩石掘进机在复合岩层掘进时地质条件多变、刀盘受力复杂的问题,建立了岩石截面圆分层模型,基于滚刀受力模型,构建了刀盘载荷描述方程。分析了刀盘受力分布特征,着重研究了岩石单轴抗压强度、分层比对刀盘动态掘进载荷的影响以及推力-扭矩之间的复杂耦合关系。结果表明:刀盘上滚刀受力随着安装半径增大而减小;随着岩石强度的增加,刀盘的推力、扭矩增大;随着分层比的增大,刀盘的推力、扭矩减小;当分层比为0.5时,刀盘的径向力和倾覆力矩最大;分层比一定时,两种岩石单轴抗拉强度相差越大,径向力和倾覆力矩越大;对于给定的岩石成分,刀盘推力和扭矩近似呈幂函数关系。通过对比秦岭隧道TB880E施工数据,对提出的计算方法和结果进行了验证。     

某供水工程TBM刀盘破岩过程动静态响应特性

刀盘是硬岩掘进机(TBM)的关键部件,为了研究刀盘刀具与掘进面耦合作用下载荷分布与变化规律,建立了某供水工程TBM刀盘-岩石相互作用的三维分析模型,基于显式动力学方法模拟TBM刀盘掘进过程,研究掌子面岩体的损伤失效状态以及刀盘刀具的动态掘进载荷。研究得到了全盘刀具三向力载荷及刀盘总载荷(总推力、总扭矩),其中刀盘扭矩平均值1 560 k N·m,最大值5 880 k N·m,推力平均值3 444 k N,最大值7 296 k N;通过工程实例验证,得到实测载荷值稍大于仿真值,总推力误差为15.74%,总扭矩误差为15.38%,验证了仿真结果的有效性。在此基础上,对刀盘的动静态响应特性进行研究,得到刀盘在极限工况下最大应力100 MPa,最大变形0.695 mm,确定刀盘有足够的刚度强度。     

盾构机刀盘变频驱动控制研究

刀盘驱动系统是盾构机重要系统之一,承担着驱动刀盘旋转、切削开挖面和密封舱内土体搅拌的任务.通过对刀盘变频驱动的控制结构、控制方式以及控制过程和相关的控制连锁的介绍,为盾构机刀盘变频驱动控制选择提供参考.     

基于局部线性嵌入和支持向量机回归的TBM施工参数预测

依托吉林引松工程开展隧道掘进机（TBM）施工参数预测研究,提出TBM施工数据分段提取算法,提取上升段前30 s的总推进力、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速电位器设定值、推进速度电位器设定值、贯入度、贯入度指数(FPI)、扭矩切深指数(TPI)9个参数作为输入;通过局部线性嵌入（LLE）完成对上升段数据特征的降维;基于支持向量机回归（SVR）建立TBM施工控制参数（推进速度、刀盘转速）和负载参数（总推进力、刀盘扭矩）预测模型. 分析是否结合前一掘进循环的FPI、TPI指数进行预测对预测效果的影响. 结果表明,上述方法在推进速度、刀盘转速、总推进力、刀盘扭矩的预测中均取得了较好的预测效果,平均预测绝对百分比误差均小于15%,验证了该预测方法的有效性,该方法可以为TBM现场施工提供指导.     

盾构掘进机推进力计算模型

为了解决传统基于经验系数的盾构掘进机总推进力计算公式在确定推力时存在随机性的问题,在分析盾构掘进机总推进力的各种影响因素及计算方法的基础上,以直径为6 m的地铁盾构为对象,计算在盾构掘进过程中受到的各种推进阻力,通过对比忽略次要部分,建立盾构推进分项阻力计算模型.利用土压平衡盾构模拟试验台对在黏土和砂土2种土质条件下的计算模型进行验证.结果表明,土压力在推进力计算中发挥关键性作用.为了进一步修正分项阻力计算模型,提出切深率的概念,分析切深率与盾构总推进力之间的关系,确定由土压力与切深率2个重要因素组成的推进力计算模型.     

盾构掘进机液压系统参数匹配特性

在分析盾构掘进机的推进系统和刀盘系统的基础上,推导推进系统压力、刀盘系统压力、推进系统净流量与刀盘系统流量之间的关系,通过实验数据验证了推导模型的正确性.分析土舱内土体的流动连续性,得到螺旋输送机流量、刀盘系统流量、推进系统压力与土舱压力之间的1阶微分方程式,提出以推进压力、土舱压力和刀盘转速的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前馈 反馈土压平衡模型.可知,土舱压力是由推进系统压力、刀盘系统流量和螺旋输送机流量多个因素共同决定的.实验表明,前馈 反馈控制模型的控制效果较好.     

盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析

合理确定掘进工作面的土压力对于准确设定土压平衡盾构机密封舱的土压力以及有效控制隧道掘进过程中地表变形是十分重要的.基于弹性力学理论、土力学原理和迭加原理,分别建立了掘进工作面土压力三种计算模型.结合某工程实例,分析了三种计算方法的异同点.研究表明,基于弹性力学理论和土力学原理所得到的解基本相近;而采用土压力与水压力分开计算然后叠加方法所得到的解在极限条件下比前两种方法大50%.     

盾构刀具整体磨损状态识别研究

刀具磨损情况是影响盾构机掘进效率的重要因素,也是决定开仓换刀时间和频率的关键依据。针对盾构掘进过程中刀具整体磨损状态难以判断的问题,统计换刀点每把刀具磨损量与限定磨损量之间的关系,提出了3个磨损状态等级。在推导3种关键掘进参数(推力、扭矩和掘进速度)与单把滚刀切削分力理论关系的基础上,提出一种对掘进参数信号进行小波包分解以识别刀具整体磨损状态的方法。该方法以分解后的信号节点小波包系数标准差组成的特征向量作为磨损识别指标,通过敏感性分析找出对刀具磨损最敏感的节点特征向量,进而通过拟合分析确定磨损状态与磨损识别指标的函数关系。对深圳地铁14号线大运站至宝荷站区间工程实例的分析结果表明,该方法能准确识别盾构刀具的整体磨损状态,其中使用掘进速度信号进行识别的精度最高,推力次之,扭矩最低。该方法在使用中仅需对盾构机自动采集的掘进参数进行处理分析,不需要布置传感器,具有简便易行、成本低和精度高等优点,为及时开仓换刀提供了可靠依据。     

基于深度信念网络的盾构隧道施工安全研究

针对广州地铁18号线盾构隧道工程施工的主要安全问题——地表沉降和管片上浮，基于现场监测得到的施工参数与安全问题间的海量大数据，采用深度学习网络——深度信念网络构建了施工安全预测模型，并研究了六个主要施工掘进参数对施工安全的影响。结果表明：深度信念网络可以根据现场监测大数据得到较准确的地表沉降和管片上浮预测值；且地表沉降量随土仓压力、注浆量和注浆压力的增大而减小，随千斤顶推力、刀盘扭矩和掘进速度的增大而增大。而管片上浮量随土仓压力和注浆压力的增大而增大，随千斤顶推力和注浆量的增大而减小，刀盘扭矩和掘进速度对管片上浮影响不大。     

基于盾构密封舱压力直接反馈地表变形控制

为了解决传统地表变形控制方法对施工人员经验的依赖性与控制的滞后性造成施工事故频发的问题,在分析引起盾构前方地表变形原因的基础上,提出密封舱压力直接反馈地表变形控制技术. 以土压平衡盾构为对象,建立2种密封舱压力调节模式的数学模型,并在Φ1.8 m土压平衡盾构综合试验台上开展多次实验,分析引起土压力波动的原因和检验新地表变形控制方法的有效性.实验结果表明,切深率变化会引起密封舱压力波动,不利于地表变形控制.采用密封舱压力直接反馈,通过自整定PID控制器控制螺旋输送机转速可以精确控制排土量和出土率,保证密封舱压力实时平衡,并能将盾构前方地表变形控制在-5~+3 mm,满足隧道施工标准要求．