盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析

土压平衡盾构机的安全掘进施工主要依赖于盾构机刀盘与土体的相互作用,使得地表的变形得到有效控制。基于Rankine的土压力理论,研究了盾构机刀盘合理土压力的设置问题,模拟了盾构机刀盘与土体的相互作用。研究表明,仅从保证地表既不隆起又不沉陷的约束条件考虑,掘进工作面从主动土压力到被动土压力存在较大的范围。考虑到减少刀具磨损和节约能源问题,推荐理想的掘进工作面土压力为静止侧向土压力。     

花岗岩球状风化发育区盾构施工特点分析

花岗岩发育地区球状风化体(俗称"孤石")的分布直接影响城市轨道交通工程的盾构施工。基于华南地区花岗岩球状发育区盾构施工工程案例,分析了在这一特殊地质环境下盾构施工在盾构机选型和盾构推进过程中参数控制相关问题,提出花岗岩球状风化体发育区盾构施工应合理选择盾构机,在孤石地层掘进时应控制掘进速度、刀盘扭矩、盾构机的推力,刀盘的贯入量以及刀盘的转速等施工参数,做到平稳掘进,减少对地层的扰动。     

盾构穿越特殊地层掘进施工技术应用分析

针对郑州地铁2号线盾构法掘进施工过程中遇到的大量的姜石和胶结层,造成盾构机掘进迟缓、刀盘易"结饼"、扭矩增大等变化.从盾构机流体部分、电气部分、刀盘及回转接头等方面提出了改良措施,并对改良后的盾构机掘进速度、刀盘扭矩、总推力等参数和之前的数据进行拟合,分析改良效果.由于掘进隧道相邻既有建筑物,在进行路面沉降动态监测的过程中考虑了遮拦效应的影响,以保证施工的准确及安全性.这些改良措施提高了土体的流塑性,保证了土压平衡的建立,土体进入及排出土舱速度得到有效缓解,有效降低了刀盘的扭矩,而且刀盘扭矩的变化幅度也逐渐趋于平缓,避免了刀盘扭矩过大超过额定扭矩及刀盘"结饼"等现象.     

盾构机刀盘回转系统恒功率自适应控制

为提高盾构机刀盘回转系统的工作效率和系统稳定性,采用简化刀盘回转液压系统模型,建立刀盘回转液压系统数学模型.分析了刀盘回转载荷,确定了液压系统负载扭矩计算模型.采用变论域方法建立基于变论域模糊PID的刀盘回转液压系统自适应控制算法.对刀盘扭矩施加线性变载荷和随机载荷进行控制系统的仿真实例研究.研究结果表明:在掘进系统刀盘扭矩增加时,所提出的控制系统可随时调整刀盘旋转速度以实现系统总功率的平衡,并可降低刀盘转速调整过程的超调量和调整时间.研究结论为盾构机刀盘回转液压系统的设计和改进提供了理论依据.     

基于蒙特卡罗方法盾构刀盘的结构可靠性分析

盾构刀盘承担开挖土体作用,在整个掘进过程中刀盘工作环境恶劣,受力情况比较复杂,在考虑输入参数(如刀盘载荷、材料属性等)不确定性因素的基础上,对刀盘可靠性进行了研究,研究刀盘在不确定性因素的作用下刀盘结构的可靠性.该文首先通过三维建模软件Pro/E对盾构机刀盘进行建模,然后将模型导入到有限元软件ANSYS中,采用蒙特卡罗有限元方法对刀盘的可靠性进行分析,考察刀盘结构可靠性,确定刀盘的失效概率及影响其失效的显著因素.     

基于WOA-LightGBM的盾构切削锚杆参数预测

在对锚固地层工程特性分析的基础上,提出了6个可指代锚固地层特性的工程相关指标,将3个盾构机可操作参数一并纳入输入特征,并以盾构机贯入度和刀盘扭矩作为盾构机掘进性能的输出指标,构建了一套适用于盾构机穿锚问题预测的模型指标。依托武汉地铁实际工程,收集了盾构机穿锚实时掘进数据,采用LightGBM方法分别搭建了贯入度和刀盘扭矩预测模型,并利用鲸鱼优化算法（WOA）对LightGBM内的超参数进行寻优,最终得到WOA-LightGBM预测模型。结果表明,构建的盾构机穿锚模型指标具有一定的合理性,可成功预测盾构机穿锚掘进性能;与传统BP、ELM神经网络相比,WOA-LightGBM预测模型耗时相近,在预测精度方面有着明显优势。     

土压平衡盾构掘进参数相关性分析及预测模型

为了研究盾构机在特定地层条件正常掘进状态下的掘进参数选取和预测,以深圳地铁16号线天健花园站—龙城中路站左线土压平衡盾构施工区间的微风化灰岩地层段为背景,对其掘进参数进行数理统计、Pearson相关性分析及建立预测模型.考虑了施工工艺等因素对数据的影响;对6个主要掘进参数的相关性进行了定量分析;用多元线性回归和随机森林方法对主要掘进参数进行建模预测.研究结果表明,在该地层条件下的推进速度平均值为15.81 mm/min、总推进力平均值为12973.69 kN等;计算出6个掘进参数间的Pearson相关系数,其中总推进力和刀盘转矩的相关系数r为0.569,存在显著的中等正相关关系;运用相关系数r、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)3个指标对模型进行对比评估,结果表明随机森林模型预测性能更优.     

基于能量原理的TBM刀盘掘进参数与刀间距匹配特性分析

全断面岩石掘进机是立体化城市建设的重要隧道施工机械,其掘进参数(贯入度和刀盘转速)和刀间距的合理匹配是全断面岩石掘进机施工效能的关键因素,同时也是制约刀盘布局与拓扑结构设计的重要依据.基于能量原理,以刀盘转动产生的动能作为输入能量,以岩石破坏释放的能量与滚刀由于摩擦产生的摩擦功作为输出能量,借助CSM滚刀受力预测公式,建立包含地质参数、刀盘掘进参数、滚刀刀间距等多领域参数相匹配的TBM破岩能量守恒模型.应用此模型,以MB264-311-8030,mm TBM刀盘为工程实例,通过给定刀间距计算贯入度,最终得到最小比能约束条件下的刀盘开挖时的刀盘转速介于经文献查阅得到的刀盘驱动基本参数,说明从合理能耗考虑刀盘的掘进转速模型具有一定的工程意义,也为多参数耦合刀盘刀具布置优化设计提供了理论参考.     

盾构机密封舱土压平衡综合优化控制

为了实现盾构机掘进过程密封舱土压平衡的精确高效控制,提出了盾构刀盘系统、推进系统和排渣系统的综合优化控制方法.设计了以扭矩切深指数(TPI)和场切深指数(FPI)为特征输入参数的地层识别系统,然后建立了专家控制系统,根据地层识别的量化结果和控制规则给出刀盘转速的控制策略;在此基础上,提出了采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)非线性预测控制方法来协调控制推进速度和螺旋输送机转速,并利用蚁群算法(ACS)滚动优化控制变量,实现密封舱土压平衡控制.实验结果表明即使在工况发生变化时亦能够很好地控制密封舱土压平衡,证明了方法的有效性,实现了盾构机土压平衡的多子系统协调优化控制.     

盾构掘进参数的统计试验与优化控制

盾构掘进参数的变化与控制对盾构自身及周围环境的影响是十分关键的.结合天津地铁建国道站至天津站区间盾构施工参数记录,针对盾构掘进过程中的掘进速度和力学掘进参数进行了分析与模糊统计试验,并提出了针对力学掘进参数的优化控制措施.研究结果表明:盾构机掘进速度过高或过低均为盾构机掘进的不利工作状态,存在一个盾构机掘进的最优工作状态;基于模糊集合理论,定义了盾构力学掘进参数在各自最优取值范围内的工作状态,为其"正常掘进状态",相应的掘进速度、力学掘进参数的最优取值范围可以应用于制定对地表沉降的优化控制措施,为满足地表毫米级沉降要求提供了有效保障.     

基于改进AHP-PSO的三模盾构掘进模式地质适应性研究

为提出一种可靠的复合盾构各掘进模式地质适应性分析方法,根据地质条件、地质风险、设计参数和工程需求评估影响盾构掘进的关键参数,并基于层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)算法建立三模盾构的土压、泥水、隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)3种掘进模式的地质适应性评价模型。同时,通过混合逻辑结构改进AHP算法,并结合粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法提高了其一致性检验和权重求解的能力。最后,以广州地铁7号线二期工程萝岗-水西区间三模式盾构施工工程为例进行三模式盾构地质适应性分析及掘进模式选取,得到的掘进模式选取方案在实际工程应用中取得了较好的掘进质量和掘进效率。该工程证实研究成果能对相关工程施工提供可靠的掘进模式选取方法。     

基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

基于物元可拓及理论的深基坑施工定量风险分析

深基坑工程建设项目中包含了许多相互关联的风险因素,每个因素都存在一定的不确定性,又不能用同一个标准衡量,尤其给定量的风险评价带来了难题。引入物元和可拓集合理论,参考肯特评分改进方法,建立了深基坑施工风险定量评定的计算模型,确定了人的素质、施工管理、设计因素和周围环境4个主要评价要素,以及各风险特征评分及其权重赋值的计算方法。在此基础上以某段地铁车站深基坑工程为例进行了风险定量计算,表明基于物元和可拓集合理论的评定方法对深基坑的风险评定是可行的,为城市地铁深基坑施工安全的风险定量分析提供了新的思路。     

复合地层双模盾构与复合盾构刀具磨损对比

软硬交替复合地层中可采用双模盾构和复合式盾构进行掘进施工。然而目前针对双模盾构和复合盾构在软硬交替地层中的适应性缺乏清晰明确的现场掘进数据进行对比验证，特别是施工参数和刀具磨损方面。本文基于深圳地铁12号线相似地层的三个相邻盾构区间工程，对比不同盾构机的盾构掘进施工参数、刀具服役情况及岩渣形态，分析刀具磨损的原因及特征，并进一步对比在长距离软硬交叠地层下EPB/TBM双模盾构和复合EPB盾构的掘进效能。结果表明：（1）双模盾构TBM模式在岩质地层中的推进速度可达到双模盾构EPB模式的2倍及复合EPB盾构的3倍。受土仓压力和刀盘转速影响，刀盘推力和扭矩差异较大的双模EPB模式和复合EPB盾构更易造成刀具异常磨损。（2）双模盾构TBM模式滚刀磨损速度更低，其刀具寿命是双模盾构EPB模式和复合EPB盾构的3~5倍，换刀时间占比约为后两者的1/2~3/8，EPB/TBM双模盾构总体掘进效能优于复合EPB盾构。（3）双模盾构TBM模式的岩渣中岩片更多且形状细长而扁平，在岩石地层中EPB/TBM双模盾构掘进效率优于复合EPB盾构。     

粉性土中土压平衡盾构施工的扰动影响

结合上海轨道交通明珠线二期工程“溧阳路站—临平路站”区间盾构推进工程,进行静力触探试验、超孔隙水压力测量以及地面沉降的量测.从上述不同角度,分析了EBP(土压平衡)盾构在粉性土中推进对土体扰动、变形的影响,研究了受影响区域土体静力触探强度、超孔隙水压力随着时间的变化趋势及随之表现出来的地面变形趋势,得出了超孔隙水压力发展的规律及经验公式,并总结分析了三者之间的相互关系.为今后盾构施工扰动的分析及控制提供有益的参考.     

基于模糊层次分析法的岩溶区土压平衡盾构适应性评价

土压平衡盾构作为一种较为先进的隧道掘进机械,由于其安全、可靠等优势,在我国的城市地铁隧道工程施工中得到了广泛的应用。我国南方地区岩溶地层非常普遍,土压平衡盾构在岩溶地层中掘进容易产生“栽头”、刀具不均匀磨损等问题,因此评价岩溶地层条件下土压平衡盾构的适应性是非常有必要的。本文依托南宁地铁4号线2标相关盾构隧道工程,分析岩溶区各方面因素对土压平衡盾构适应性产生的影响,通过层次分析法确定最终的土压平衡盾构在岩溶地区的适应性评价指标,参考已有研究成果结合模糊数学方法确定评价指标的隶属函数,构造了岩溶区土压平衡盾构适应性评价模型,提供了岩溶区土压平衡盾构适应性评价方法。以南宁地铁4号线2标“良良”、“体良”和“清龙”盾构区间所采用的土压平衡盾构机为应用实例,现场盾构施工情况与本文提出的评价方法的评价结果匹配较好。本文提出的岩溶区盾构适应性评价方法对类似地层盾构机评价及应用具有一定的指导意义。     

大直径土压平衡盾构下穿既有线U型槽结构变形

为确保盾构安全顺利地下穿地铁运营U形槽线路,避免下穿过程中引起U形槽结构过量沉降,影响运营安全,以北京新机场线2、3号风井盾构区间大直径土压平衡盾构下穿既有大兴线U形槽为工程背景,研究了砂卵石地层盾构隧道开挖对U形槽变形影响。通过对U形槽结构竖向位移、横向位移、轨道竖向位移、轨距等大量监测数据进行分析,得出盾构隧道开挖过程中既有结构的变形规律。结果表明:下方隧道开挖会造成U形槽和轨道结构产生不均匀隆起、沉降变形,竖向变形在2. 0 mm以内;隧道横向变形表现为不规则波动,变形在±0. 5 mm以内;轨距变化在±1 mm以内。既有U形槽结构竖向位移与盾构掘进参数关系密切;通过严格控制盾构施工参数,采用二次注浆、深孔注浆方式对管片背后进行填充,可大幅减少结构沉降。研究结果可为控制U形槽结构变形,确保既有线运行的安全提供借鉴。     

基于MRTD和MTF的热成像系统综合性能评价方法的对比

在最小可分率温差(MRTD)信道宽度的热成像和调制传递函数(MTF)信道宽度的光电成像系统性能评价方法的基础上,通过实际热成像系统性能的理论模拟和实际观测试验,对比分析了两种方法对于评价热成像系统综合性能的一致性及系统主要参数变化对匹配效率的影响. 两种方法描述的系统最佳放大率与实际情况一致,且基于MRTD信道宽度的热成像系统性能评价方法与实际观察具有更好的一致性,适合热成像系统综合性能的评价. 结果表明,该方法对于研究光电成像系统的优化设计具有理论意义.     

基于PSO-LSSVM算法的隧道掘进机掘进参数预测方法

为了规避隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)掘进参数人为设定的主观性,提出了一种基于粒子群-最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)的TBM掘进参数预测方法。通过从海量TBM工程掘进数据中探寻参数变化规律,降低了TBM主司机设定掘进参数的主观性,辅助其合理选择掘进参数,有利于提高掘进效率、规避工程风险,经实验和工程数据验证,PSO-LSSVM算法通过对样本粒子全局迭代寻优来优化参数,提升了预测算法泛化能力和预测精度,对推力、扭矩和推进速度参数预测数值偏差满足要求,可辅助指导主司机设定掘进参数。     

土压平衡盾构中顶进推力的计算分析

针对土压平衡盾构开挖过程中顶进推力难以确定的问题。采用理论计算与数值拟合相结合的方法,计算土仓和掘进面的等效压力,从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。以实际工程为背景,利用ABAQUS在该顶进推力作用下地表沉降规律。结果表明:①该土仓与掘进面压力的计算方法适用于卵石地层;②盾构推进力为110 000 N时,开挖较为稳定;③监测与模拟的地表沉降值较为接近,两者之差小于2 mm。该研究对卵石地层中的盾构开挖具有一定的指导意义。