土-盾構相互作用研究及推進載荷規(guī)劃.pdf

1、盾構法已被廣泛應用于城市地下鐵路、越江通道和地下管線等隧道工程的施工中,但是,由于地質(zhì)條件的隨機多樣性和作業(yè)工況的不確定性,盾構作業(yè)時的安全、效率、可靠性及對地質(zhì)的適應性等問題仍是目前尚未解決的國際性重大技術難題。因此,有必要開展土-盾構相互作用研究,并建立合理的推進載荷規(guī)劃策略。本論文針對地層穩(wěn)定性問題、推進載荷規(guī)劃與控制問題開展了數(shù)值模擬、建模和實驗分析等工作。主要研究內(nèi)容及取得的成果如下:
　?、俳⒘怂淼婪€(wěn)定性分析模型

2、r>　　隨著盾構直徑的增大,傳統(tǒng)的基于均勻支護壓力假設的開挖面失穩(wěn)理論已不適用,支護壓力梯度則不可忽視。本文通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)支護壓力梯度不僅對極限支護壓力有很大的影響,而且導致開挖面失穩(wěn)模式發(fā)生變化:整體失穩(wěn)向局部失穩(wěn)轉變。此外,試驗證明太沙基松動土壓力理論在預測地層豎向極限土壓力時存在隨著埋深的增加誤差急劇增大的問題。因此,本文探討了剛性滑塊極限分析上限法的適用性,并對隧道圍巖穩(wěn)定性問題進行了研究,分別提出多層剛性滑塊失穩(wěn)模型(MLB

3、FM)和松動土壓力極限分析模型。實例分析結果表明:MLBFM能夠根據(jù)不同的支護壓力梯度合理地估算出開挖面極限支護壓力,準確預測出局部失穩(wěn)現(xiàn)象;相對于太沙基松動土壓力理論,松動土壓力極限分析模型的計算結果更接近數(shù)值模擬結果。
　?、诮⒘硕軜嬐七M載荷動態(tài)預測模型
　　確定推進載荷的關鍵是精確計算圍巖載荷和掘進界面載荷。本文基于反演分析法建立了推進載荷動態(tài)預測模型,反映了地層特性、盾構運行狀態(tài)、結構參數(shù)和操作參數(shù)之間的相互耦合作

4、用,實現(xiàn)了推進載荷在線預測。模型由:掘進界面載荷反演優(yōu)化模型和圍巖載荷反演優(yōu)化模型兩部分構成。前者是通過土倉支護壓力的實時監(jiān)測值反分析掘進界面土壓力及其分布,從而考慮了掘進界面載荷隨機變化特性。后者采用地層反力曲線描述圍巖法向土壓力與地層位移之間的映射關系,并假設圍巖地層法向位移由地層損失引起的初始位移和盾構姿態(tài)變化的附加位移組成。實例分析結果表明:在相對平穩(wěn)階段,推進載荷預測結果與實測數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢,預測精度較高;但是在突變階

5、段,預測結果存在明顯滯后,誤差增大。
　?、劢⒘嘶隈R爾科夫決策過程的推進載荷規(guī)劃模型
　　工程中,通常采用人工方式或經(jīng)驗模型控制盾構掘進,由于缺少理論背景,盾構實際掘進軌跡呈現(xiàn)“蛇形”運動趨勢。本文充分考慮掘進過程中隨機因素,將盾構自動糾偏看成不確定環(huán)境下序貫決策問題,采用馬爾科夫決策過程(MDP)理論研究推進載荷規(guī)劃策略。并引入?yún)^(qū)間數(shù)描述狀態(tài)轉移概率,即在推進載荷作用下,不僅盾構位姿的轉移具有不確定性,而且轉移概率也在

6、給定區(qū)間內(nèi)隨機取值。實例分析結果表明:在相對平穩(wěn)階段,基于非平穩(wěn)策略的俯仰力矩規(guī)劃結果很好地吻合了實測值,同推進載荷動態(tài)預測模型相比具有更高的精度;而在突變階段,后者的預測精度要高。
　?、芙⒘嘶诓糠挚捎^測馬爾科夫決策過程的推進載荷規(guī)劃模型
　　推進載荷規(guī)劃是在極其復雜的環(huán)境下所做出的多階段決策活動。為了順應高達數(shù)十甚至上百倍變化的隨機突變載荷,必須在模型中引入盾構受到的載荷(以下簡稱“掘進載荷”)狀態(tài)信息,使盾構能夠在

7、與環(huán)境的交互中不斷增強推進載荷序貫決策能力。結合推進載荷動態(tài)預測模型和基于MDP的推進載荷規(guī)劃模型的優(yōu)勢,本文提出一種基于部分可觀測馬爾科夫決策過程(POMDP)的推進載荷規(guī)劃模型,其中狀態(tài)量和觀測量分別定義為掘進載荷和盾構姿態(tài)、掘進速度及密封艙壓力。在計算值函數(shù)時,考慮了盾構位姿偏離程度和盾構載荷平穩(wěn)程度對推進載荷決策的影響。為了求解超大規(guī)模POMDP問題,在信念狀態(tài)不確定性和分布均勻性相協(xié)調(diào)的基礎上,提出隨機競爭值迭代算法。實驗分析