盾構(gòu)推進系統(tǒng)順應特性及掘進姿態(tài)控制研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進機是集開挖、支護、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裝備，它主要由推進系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、螺旋輸送機系統(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。推進系統(tǒng)承擔著整個盾體的向前頂進任務，它為盾構(gòu)掘進提供足夠的反力，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)實現(xiàn)隧道的開挖，是盾構(gòu)掘進機不可或

2、缺的組成部分。考慮到整個盾構(gòu)掘進機的高建設成本、多學科交叉及現(xiàn)場試驗本身的安全風險，十分有必要針對推進液壓系統(tǒng)搭建專有試驗臺開展相關研究工作。
　　本文以盾構(gòu)推進系統(tǒng)為研究對象，設計了推進系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng);針對異常地質(zhì)施工情況提出了盾構(gòu)推進系統(tǒng)突變載荷順應特性的概念，從表面現(xiàn)象和內(nèi)在機理兩個層面探討了順應特性作為衡量盾構(gòu)承受外界突變載荷能力指標的有效性并將順應特性理論成果集成于軟件平臺以方便新型盾構(gòu)推進系統(tǒng)的設

3、計;針對不均載荷下盾構(gòu)掘進軌跡偏離理論設計軸線的情況，提出了雙閉環(huán)反饋掘進姿態(tài)精準控制理論，并通過仿真和試驗進行了驗證。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　第一章介紹了盾構(gòu)技術原理及國內(nèi)外發(fā)展歷程，根據(jù)論文研究內(nèi)容著重闡述了順應特性在不同學科領域的研究現(xiàn)狀和盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制的研究現(xiàn)狀，最后指出了論文的主要研究內(nèi)容及意義。
　　第二章研制了盾構(gòu)推進系統(tǒng)模擬試驗臺，設計了試驗臺液壓系統(tǒng)，對關鍵液壓元件進行了選型，分析校核了液壓系統(tǒng)溫升

4、，設計了試驗臺整體機械結(jié)構(gòu)用于模擬盾構(gòu)掘進時的外界載荷、掘進姿態(tài)調(diào)整和支撐盾體，最后完成了試驗臺電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電機、變量泵、液壓控制元件的控制和對傳感器信號的采集。
　　第三章提出了盾構(gòu)推進系統(tǒng)突變載荷順應特性的概念，給出了順應特性的定義，針對調(diào)速溢流模式和減壓模式分別求解了推進系統(tǒng)順應特性全參數(shù)解析模型，以Φ3.2盾構(gòu)實驗樣機為例計算了其推進系統(tǒng)的瞬時順應特性和平均順應特性，并利用現(xiàn)有試驗條件開展了順應特性試驗。最后，選取國

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

6、進系統(tǒng)的設計開發(fā)流程，利用MATLAB/GUI工具二次開發(fā)了推進系統(tǒng)軟件設計平臺，并在軟件平臺上基于國內(nèi)某地鐵施工過程中遇到的突變載荷設計了新型盾構(gòu)推進系統(tǒng)。結(jié)果表明，新型盾構(gòu)推進系統(tǒng)最佳順應特性指標值為1.45，相對理論最佳順應解誤差僅為3％，這為順應特性應用于新型盾構(gòu)推進系統(tǒng)設計提供了理論基礎和現(xiàn)實依據(jù)。
　　第五章提出了盾構(gòu)掘進姿態(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)實時更新掘進斜度來保證盾構(gòu)沿理論設計軸