《基於密封艙土壓平衡的盾構機協調控制理論及套用研究》是依託大連理工大學,由邵誠擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於密封艙土壓平衡的盾構機協調控制理論及套用研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：邵誠
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
盾構掘進施工過程中，密封艙壓力失衡將導致地表塌陷等災難性事故的發生。盾構法施工過程的複雜性、地質條件和工況等的不確定性，以及掘進機各子系統之間存在著強耦合特性，很難建立掘進過程密封艙壓力控制的精確數學模型。本項目通過對密封艙壓力與開挖面土壓平衡的作用機理分析，建立密封艙壓力場的分布模型，揭示密封艙壓力失衡的動態特徵；提出採用機理分析與軟測量相結合的方法建立密封艙壓力控制模型和掘進機各子系統運動控制模型，建立掘進過程控制參數的最佳化模型，研究求解此最佳化問題的智慧型線上最佳化方法，進而提出以密封艙壓力平衡為目標的多系統動態協調控制策略，並開展套用研究，為實現密封艙壓力動態平衡控制奠定基礎。
結題摘要
土壓平衡盾構機是一種廣泛套用於捷運隧道、市政建設、資源開採、水利工程等地下工程建設的專用工程機械。盾構掘進施工中盾構機密封艙壓力失衡導致地表沉降甚至災難性事故發生的主要原因。本項目首次研究基於密封艙土壓平衡的盾構掘進過程協調控制理論與套用問題，取得了如下重要研究成果。 (1) 通過理論分析與計算模擬，揭示了密封艙內混合介質的流動特性以及盾構掘進過程密封艙土壓平衡的控制機理。通過建立密封艙時變壓力場分布模型，分析密封艙內壓力的動態變化規律以及整個開挖面的穩定狀態，探索密封艙壓力失衡的特徵，給出了基於密封艙壓力場分布變化幾何特徵的開挖面穩定性判定方法。 (2) 根據盾構掘進過程的力學平衡原理、流動連續性原理，將盾構推力、推進速度、螺旋輸送機轉速等施工控制參數對密封艙土壓的影響程度引入不同權重係數的方法，建立了密封艙土壓與掘進控制參數的關係模型和完整的密封艙土壓平衡控制模型，揭示了盾構掘進過程的土壓平衡控制機理，提出了基於密封艙多點土壓平衡的最佳化控制策略。 (3) 針對盾構機在岩性變化頻繁、物理力學特性差異大，以及複合地層掘進的情況，提出了基於密封艙土壓平衡的動態最佳化控制方法。針對在均一穩定的地質中掘進的情況，利用所提出的密封艙壓力場分布模型以及開挖面土壓狀態變化對土壓的影響，建立了密封艙等效壓力控制模型，提出了基於排土控制模式的盾構掘進過程土壓平衡控制系統。 (4) 根據盾構掘進過程土壓平衡控制機理及施工控制經驗，基於現場施工數據，分析密封艙土壓與螺旋輸送機轉速、推進速度、推力和刀盤轉速等控制參數的關聯關係，建立了掘進控制參數的最佳化模型；採用粒子群算法、遺傳算法、BP神經網路等多種智慧型最佳化算法進行全局最佳化求解，提出了密封艙土壓平衡的最佳化控制方案。 (5) 提出了基於地層識別系統、專家系統控制和非線性預測控制相結合的刀盤、推進和排渣系統的綜合協調控制方法。該方法通過以扭矩切深(TPI)和場切深(FPI)為輸入特徵參數對地層狀態進行識別，專家系統根據地層的識別結果按照協調決策規則和專家經驗給出刀盤轉速的控制策略並輸出相應的控制參數；在此基礎上，利用非線性模型預測控制算法協調控制推進速度和螺旋機轉速，並通過改進的ACS算法對控制參數實現滾動最佳化，最終實現以盾構機密封艙壓力場平衡為目標的刀盤、推進和排渣系統的綜合協調控制。
