複雜隧道線形條件下盾構掘進姿態控制模型研究

《複雜隧道線形條件下盾構掘進姿態控制模型研究》是依託哈爾濱工業大學，由陳劍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：複雜隧道線形條件下盾構掘進姿態控制模型研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳劍

項目摘要

隨著我國城市軌道交通建設的飛速發展及直線電機驅動捷運系統的採用，大坡度、小半徑曲線等複雜線形的捷運盾構隧道工程不斷增多，滿足複雜隧道設計軸線的盾構掘進姿態控制問題日益突出。目前，儘管在某些大型盾構上裝備有自動控制器，盾構姿態控制的現狀仍然依靠現場施工人員的經驗以人工操作的方式來實現。由於盾構操作人員的熟練程度不等，操作時的心理、情緒狀態各異，使姿態控制精度難以維持一致的標準。為此，本項目針對盾構掘進姿態控制這一涉及盾構掘進與土體相互作用數學模型建立與控制算法實現的關鍵科學問題，通過理論分析與模型試驗的方法，提出盾構超挖及鉸接角算法、盾構掘進動態荷載模型的研究內容，建立反映地層條件、盾構操作參數和盾構運行狀態耦合作用的盾構運動學和動力學模型，並且在盾構運動學和動力學模型的基礎上，設計基於指數趨近律及模糊自適應規則，具有良好適應性和穩定性的盾構掘進姿態滑模變結構控制器。

結題摘要

在小曲率半徑急曲線段，由於盾構本身為直線形剛體，不能與隧道曲線完全擬合，曲線半徑越小，盾構機身越長，則擬合難度越大。此時，盾構主要通過超挖刀（仿形刀）和鉸接裝置的配合使用及對行進千斤頂偏心推力的控制實現曲線掘進。超挖刀和鉸接裝置的使用將直接影響超挖量和超挖範圍，超挖量和超挖範圍過大將嚴重擾動周圍地層，過小將不能充分發揮鉸接裝置的作用，導致盾構過分擠壓周圍地層及過大千斤頂偏心推力引起管片破損情況的出現。 對大坡度隧道施工而言，當盾構迎坡向上掘進時，由於盾構自身質量巨大，而外殼表面較為光滑，使得盾構容易發生滑落。當盾構發生滑落時，掘進中的刀盤會與開挖面土體發生脫離，造成開挖面土體的鬆動變形，從而導致地表沉降的增大。當盾構順坡向下掘進時，盾構在自身重力沿掘進軸線的分力作用下，容易導致盾構過分擠壓開挖面土體，造成地表隆起變形。 由以上分析可見，大坡度小半徑曲線等複雜隧道線形條件下盾構掘進是一個非常複雜的土-盾構動態相互作用過程。從影響因素角度看，土-盾構相互作用同地質條件、盾構操作參數及盾構運行狀態等諸多因素直接相關，且這些因素之間存在複雜的相互耦合作用。 為實現複雜隧道線形條件下盾構掘進姿態的精細化控制，本項目研究基於空間向量運算及盾構掘進動態荷載模型，開發了一般三維曲線條件下超挖量，中折角，千斤頂推力及偏心力矩模擬研究。本項目依託具有27個曲線段的某盾構隧道工程，選取5個典型曲線段進行數值模擬，給出了急曲線條件下盾構施工參數及掘進參數的預測值，為該項目盾構急曲線連續掘進可行性分析提供了理論依據。 研究結果表明，本項目所提出的一般三維曲線條件下盾構超挖量，中折角，千斤頂推力及偏心力矩算法能滿足實際現場需要，能分析複雜線形條件下盾構掘進的可行性。本項目研究成果可作為類似盾構姿態精細模擬及控制的參考。