盾构推进系统突变载荷顺应特性研究

针对盾构掘进过程中地质复杂多变、易出现大偏载及突变载荷的情况,提出了盾构推进系统顺应性概念及其评价指标,并基于对推进系统的参数化分析建立了顺应性计算模型,以某国产3.2 m盾构实验样机为例计算了推进系统顺应性. 在Matlab/Simulink仿真环境中,根据顺应性模型对调速溢流模式、减压大分区溢流模式、减压小分区溢流模式、减压主路溢流模式4种不同型式盾构推进系统进行了顺应性计算.为了验证盾构推进系统顺应效果,以某地铁工程遇到的实际负载为标准对4种盾构推进系统进行了顺应性效果评价分析.顺应性计算结果和顺应效果评价均表明：在同一突变载荷下4种不同型式盾构推进系统顺应性存在较大差别,顺应性与推进系统溢流元件、分区方式、工作参数、管道布置有关.推进液压系统顺应性可以作为衡量盾构承受外界突变载荷能力的指标,为新一代盾构推进系统研发设计提供了顺应性设计原则和优化目标.     

基于顺应特性的新型盾构推进系统设计

针对盾构施工地质复杂、易出现突变载荷而造成掘进装备失效的问题,提出盾构推进系统顺应性的概念并定义其评价指标.以调速阀模式为例建立盾构推进系统解析模型,计算顺应性评价指标,研究蓄能器、溢流元件、油液特性、长管道效应等对顺应特性的影响.采用MATLAB/GUI工具开发顺应性软件设计平台,以国内某地铁工程中遇到的工程载荷为条件设计基于顺应性的新型盾构推进系统,分析比较国外某典型盾构推进系统和新型盾构推进系统的顺应曲线.结果表明,新型盾构推进系统顺应性较现有盾构推进系统提高25%．     

盾构掘进机土压平衡的实现

为了控制地面沉降，减少地表变形，采用电液比例控制技术对盾构掘进机推进液压系统和螺旋输
送机液压系统进行了集成设计.其中推进液压系统采用了比例压力流量复合控制技术，螺旋输送机液压系
统采用了电反馈比例控制技术,在模拟试验台上进行了土压平衡实验分析.结果表明,通过实时控制推进速
度或螺旋输送机转速，对盾构掘进机进行推进控制或排土控制操作，可控制密封仓内土压力在设定范围
内，从而实现土压平衡.     

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.     

管道特性对盾构推进缸位移影响的数值分析

以海瑞克盾构液压推进系统为研究对象,建立了管道压力波动数学模型,分析了管道特性对液压推进单缸位移传递的影响.基于AMESim软件对系统进行了建模和仿真,讨论了盾构推进液压系统的管道特性及管道结构参数对推进缸位移动态性能的影响.结果表明:管道长度与管道直径是影响推进缸位移与值构纠偏距离的关键因素,管道长度越长、管道直径越小,管道特性在推进缸位移上的体现越明显.     

盾构机液压系统多泵优化组合驱动技术

研究了一种改进的盾构掘进机刀盘驱动液压系统,通过驱动功率优化配置实现系统的节能.液压系统由2个大排量液控比例变量泵与2个小排量的电控比例变量泵组合驱动8个液控变量液压马达.液压系统采用电液比例技术进行泵的排量控制,通过包括有比例溢流阀和功率限制阀的液控回路实现了2个大排量变量泵的比例变量和恒功率控制,通过电控系统实现2个小排量泵的比例变量和恒功率控制.建立了液压系统的AMEsim仿真模型,仿真分析了液压系统的调速特性、恒功率特性及负载变化对调速特性的影响.试验研究表明,这种多泵组合调速能满足盾构的不同工况需求.     

基于模糊-证据理论的盾构隧道施工风险综合评价

为解决盾构隧道风险评价不确定性推理与风险决策的问题,提出了基于模糊-证据理论的盾构隧道施工风险综合评价方法.首先,通过风险识别构造盾构隧道施工风险评价指标体系;然后,基于模糊-证据理论建立盾构隧道施工风险综合评价模型,采用梯形模糊数确定指标权重,在考虑风险损失及风险概率基础上,将专家的指标评语转化为Mass函数,并逐步合成指标Mass函数;最后,提出了用区间数贴近度法进行风险决策.该方法成功运用于狮子洋盾构隧道的进出洞施工风险评价,验证了其有效性和实用性.     

基于GIS和突变理论的区域地震危险度多准则评价

针对地震孕灾环境的复杂性和危险度的随机性、模糊性,在分析区域地震环境影响因素和突变行为的基础上,基于尖点突变模型,建立了区域地震环境突变分析模型,并构建了区域地震危险度突变层次结构体系,划分了区域地震危险度指标分级标准;基于经典突变理论及其推广形式,提出了区域地震危险度评价的突变方法,结合GIS空间分析技术实现区域地震潜在危险度的可视化.该方法首先利用GIS技术对底层评价指标赋值且量纲为一化,根据各层次指标体系的特点选取相应的突变模型,并逐层递归运算出区域地震危险度的总突变值,与地震危险度多准则评价标准比较得到危险分级;其次,利用GIS的可视化功能绘制出区域地震潜在危险度评价图,从而综合评判区域的地震危险度.最后,通过实例计算与分析,验证了该方法的可行性和合理性,评价结果可为区域地震危险度分析和潜在地震危险度评价提供理论依据.     

基于突变理论的战场电磁环境复杂性评价方法研究

给出了战场电磁环境主观复杂性和客观复杂性的内涵;基于尖点突变模型、燕尾突变模型和蝴蝶突变模型,提出了战场电磁环境复杂性评价的突变评价方法,对战场电磁环境主观复杂性、客观复杂性和综合复杂性进行了评价.该方法为解决战场电磁环境复杂性评价问题提供了一种新思路.     

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%.     

Motion control of thrust system for shield tunneling machine

The thrust hydraulic system of the prototype shield machine with pressure and flow compound control scheme was introduced. The experimental system integrated with proportional valves for study was designed. Dynamics modeling of multi-cylinder thrust system and synchronous control design were accomplished. The simulation of the synchronization motion control system was completed in AMESim and Matlab/Simulink software environments. The experiment was conducted by means of master/slave PID with dead band compensating flow and conventional PID regulating pressure. The experimental results show that the proposed thrust hydraulic system and its control strategy can meet the requirements of tunneling in motion and posture control for the shield machine, keeping the non-synchronous error within ±3 mm.     

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.     

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．     

Sliding mode robust controller for automatic rectification of shield machine

According to the actual engineering problem that the precise load model of shield machine is difficult to achieve, a design method of sliding mode robust controller oriented to the automatic rectification of shield machine was proposed. Firstly, the nominal load model of shield machine and the ranges of model parameters were obtained by the soil mechanics parameters of certain geological conditions and the messages of the self-learning of shield machine by tunneling for previous segments. Based on this rectification mechanism model with known ranges of parameters, a sliding mode robust controller was proposed. Finally, the simulation analysis was developed to verify the effectiveness of the proposed controller. The simulation results show that the sliding mode robust controller can be implemented in the attitude rectification process of the shield machine and it has stronger robustness to overcome the soil disturbance.     

Modeling and prediction for the thrust on EPB TBMs under different geological conditions by considering mechanical decoupling

EPB TBMs (Earth pressure balance Tunneling Boring Machines) are extensively used in tunneling constructions because of its high efficiency and low disturbance on structures above ground. It is critically significant to predict the thrust acting on TBMs under different geological conditions for both the design of power system and the control of tunneling process. The interaction between the cutterhead and the ground is the core of excavation, through which geological conditions determine the thrust re-quirement combined with operating status and structural characteristics. This paper conducted a mechanical decoupling analysis to obtain a basic expression of the cutterhead-ground interactive stress. Then more engineering factors (such as cutterhead topological structure, underground overburden, thrusts on other parts, etc.) were further considered to establish a predicting model for the total thrust acting on a machine during tunneling. Combined with three subway projects under different geological conditions in China, the model was verified and used to analyze how geological, operating and structural parameters influence the acting thrust.     

基于施工数据的TBM支撑推进协调控制系统

针对全断面硬岩隧道掘进机（TBM）在较强推进负载冲击下撑靴打滑、偏软岩层段靴体压溃侧壁围岩等问题,提出基于推进力限定和支撑力恒定的支撑推进控制系统（TFRSFCGT）,以及基于掘进方向推进分力恒定和支撑力恒定的支撑推进控制系统（TFCSFCGT）. 建立TBM支撑推进机构力学模型,推导支撑油缸输出力、推进油缸输出力和支撑处围岩类别的耦合关系,设计2种基于新型控制策略的电液控制系统,利用AMESim软件和Matlab软件分别搭建液压系统模型和控制系统模型,最后搭建电液联合仿真模型. 仿真结果表明：TFRSFCGT系统和TFCSFCGT系统在提供系统所需推进力的前提下,能保持围岩实际所受支撑力恒定,最大超调量别为0.928%、0.378%;在相同负载特性下,TFCSFCGT系统掘进速度更快,而TFRSFCGT系统对负载冲击顺应性更强.