基于土压平衡盾构机控制策略研究

发布时间：2020-03-20 04:33

【摘要】：盾构机作为地下轨道交通最重要的机械设备,主要负责隧道的掘进及衬砌。土压平衡盾构机以其独特的优点得到了广泛的应用。由于盾构施工随地质条件变化较大,控制参数之间存在耦合关系,难以识别建立精确的数学模型,盾构掘进过程中只能依靠盾构司机的经验对电气控制系统进行操作,施工质量人为操作影响因素较多,会出现地表的塌陷和隆起。因此利用智能控制算法建立土压预测模型,优化控制参数,并对盾构机电气控制系统进行研究设计,对于实现盾构掘进的自动控制,提高施工安全性具有重要的意义。论文首先,基于本次课题研究的背景与意义进行了详细的论述,对国内外盾构技术的发展现状进行了阐述说明,并对土压平衡盾构控制技术的研究现状进行了介绍,研究了盾构机密封舱土压平衡控制的必要性及合理性。其次,介绍了土压平衡盾构机的主要系统组成,通过对盾构机推进机理的分析得到影响密封舱压力的主要参数,并做了详细的分析,提出了基于粒子群智能算法优化的BP神经网络算法建立密封舱压力预测模型的方法,利用粒子群智能算法对BP神经网络的权值和阈值进行寻优,在土压预测模型的基础上,以密封舱多点输出和期望土压的差值最小为优化目标,采用粒子群智能算法优化螺旋输送机转速,实现密封舱的土压平衡控制,利用现场施工数据进行了仿真分析,验证了该方案的有效性。最后,针对典型盾构机设计了主要电气控制系统与和监控系统。采用可编程控制器实现了盾构机对推进、刀盘及螺旋输送机等子系统的控制,采用OPC技术实现了上位机监控系统的设计,从系统结构上对监控系统的硬件组成、软件架构、数据库结构以及软件的各个功能进行了设计。在对本系统的结构和功能进行设计的基础上,实现了监控系统各个功能模块的现场调试,并详细阐述了具体的实现方法,在项目施工现场进行了施工应用并取得了理想的效果。
【图文】：

土压平衡盾构,机构,刀盘

图 2-1 土压平衡盾构机构造图Figure2-1 The structure of earth pressure balance for shield machine2.2.1 刀盘系统盾构机的刀盘驱动系统是盾构设备的核心系统之一，是进行隧道挖掘的核工作系统。盾构机刀盘在隧道掘进过程中的转速虽然不高，但是由于刀盘的直较大且实际施工地质结构复杂，要求刀盘的液压驱动系统需要具有输出扭矩大高功率、转速可调范围大、具有较好的抗冲击能力、刀盘的正向/逆向旋转和困等功能，同时，在满足实际工程需要的基础上，具有最小化装机功率、节省源和降低损耗等工作特点。盾构机刀盘的具体作用有：隧道岩石破碎切削功能固定盾构机整体平稳功能以及搅拌推进功能。目前的刀盘驱动方式主要为变频动方式和液压驱动方式。变频驱动方式：由变频器、电机、各种传感器、工控机减速机及相应的密封装置等组成，其优点是噪音低，温度变化小，效率高，，精高，电机功率恒定，使用及维修保养方便，且价格上比液压驱动方式有优势。是其占地面积大，对环境湿度要求高。液压驱动方式：液压驱动方式主要由液泵站、管路、马达驱动机构、减速机及相应的密封装置等组成，其功率体积比大

刀盘,盾构机

图 2-2 盾构机刀盘Figure2-2 Cutterheads of shield machine机在不同地层的地质条件可以选择采用辐条式或面板式。在刀时，由于渣土流会经刀盘开口流入密封舱，盾构机在推进的过前方土体的水土压力之间会产生压力降，且根据不同刀盘的开力降也不同，因此对于盾构掘进面的水土压力的把握比较困难刀盘仅由几根辐条组成，刀盘转动切削下来的渣土流直接进会有压力的流失，同时在刀盘的后面安设有搅拌密封舱渣土的更好的流动性，容易进行土压平衡的控制。因此刀盘形式选择一土质且土质较软地层的适应能力相对于面板式的盾构机要强的刀盘无法设置滚刀，因此在地质条件较硬且分布不均匀的土时，应该选择刀盘形式为面板式的盾构机。盾构机刀盘结构如
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.43

【参考文献】