盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)順應(yīng)特性及掘進(jìn)姿態(tài)控制研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是集開挖、支護(hù)、襯砌、出渣為一體，專用于地下軟土地質(zhì)隧道施工的大型掘進(jìn)裝備，它主要由推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、盾尾密封系統(tǒng)以及排渣系統(tǒng)組成，廣泛應(yīng)用于水利工程、城市地鐵、市政管線、跨海隧道、公路鐵路等施工工程中。推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)盾體的向前頂進(jìn)任務(wù)，它為盾構(gòu)掘進(jìn)提供足夠的反力，控制盾構(gòu)糾偏及轉(zhuǎn)向要求，影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率及開挖面的壓力平衡，協(xié)調(diào)配合盾構(gòu)其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隧道的開挖，是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)不可或

2、缺的組成部分?？紤]到整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的高建設(shè)成本、多學(xué)科交叉及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)本身的安全風(fēng)險(xiǎn)，十分有必要針對(duì)推進(jìn)液壓系統(tǒng)搭建專有試驗(yàn)臺(tái)開展相關(guān)研究工作。
　　本文以盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng);針對(duì)異常地質(zhì)施工情況提出了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)突變載荷順應(yīng)特性的概念，從表面現(xiàn)象和內(nèi)在機(jī)理兩個(gè)層面探討了順應(yīng)特性作為衡量盾構(gòu)承受外界突變載荷能力指標(biāo)的有效性并將順應(yīng)特性理論成果集成于軟件平臺(tái)以方便新型盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)

3、計(jì);針對(duì)不均載荷下盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡偏離理論設(shè)計(jì)軸線的情況，提出了雙閉環(huán)反饋掘進(jìn)姿態(tài)精準(zhǔn)控制理論，并通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　第一章介紹了盾構(gòu)技術(shù)原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，根據(jù)論文研究?jī)?nèi)容著重闡述了順應(yīng)特性在不同學(xué)科領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制的研究現(xiàn)狀，最后指出了論文的主要研究?jī)?nèi)容及意義。
　　第二章研制了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵液壓元件進(jìn)行了選型，分析校核了液壓系統(tǒng)溫升

4、，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)用于模擬盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的外界載荷、掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整和支撐盾體，最后完成了試驗(yàn)臺(tái)電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)、變量泵、液壓控制元件的控制和對(duì)傳感器信號(hào)的采集。
　　第三章提出了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)突變載荷順應(yīng)特性的概念，給出了順應(yīng)特性的定義，針對(duì)調(diào)速溢流模式和減壓模式分別求解了推進(jìn)系統(tǒng)順應(yīng)特性全參數(shù)解析模型，以Φ3.2盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為例計(jì)算了其推進(jìn)系統(tǒng)的瞬時(shí)順應(yīng)特性和平均順應(yīng)特性，并利用現(xiàn)有試驗(yàn)條件開展了順應(yīng)特性試驗(yàn)。最后，選取國(guó)

5、外四種不同型式典型盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了順應(yīng)特性求解，結(jié)果表明，四種盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)順應(yīng)特性存在顯著差別，順應(yīng)特性與液壓系統(tǒng)溢流元件、分區(qū)方式、管道布置、工作參數(shù)有關(guān)，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)順應(yīng)特性可以作為衡量盾構(gòu)承受外界突變載荷能力的指標(biāo)。
　　第四章提出了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)順應(yīng)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)的概念，從載荷傳遞特性和衰減特性詮釋了順應(yīng)特性的含義，在此基礎(chǔ)上研究了蓄能器、長(zhǎng)管道效應(yīng)、溢流元件、油液特性等對(duì)順應(yīng)特性的影響因素分析，給出了基于順應(yīng)特性新型盾構(gòu)推

6、進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，利用MATLAB/GUI工具二次開發(fā)了推進(jìn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，并在軟件平臺(tái)上基于國(guó)內(nèi)某地鐵施工過程中遇到的突變載荷設(shè)計(jì)了新型盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)。結(jié)果表明，新型盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)最佳順應(yīng)特性指標(biāo)值為1.45，相對(duì)理論最佳順應(yīng)解誤差僅為3％，這為順應(yīng)特性應(yīng)用于新型盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
　　第五章提出了盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)雙閉環(huán)反饋控制思想，通過小閉環(huán)精確控制液壓缸速度和大閉環(huán)實(shí)時(shí)更新掘進(jìn)斜度來保證盾構(gòu)沿理論設(shè)計(jì)軸