盾构刀盘驱动扭矩计算模型及实验研究

在盾构驱动系统设计时,需要研究刀盘扭矩的准确计算模型,以便预测不同土层掘进时的刀盘驱动功率.在分析影响土压平衡盾构刀盘扭矩的因素和盾构刀盘扭矩的组成的基础上,提出了模拟试验盾构刀盘驱动扭矩的计算模型,并建立了AMESim仿真模型.在模拟盾构平台上,试验研究了盾构刀盘驱动扭矩在不同土层的特性以及刀盘扭矩与刀盘开口率的关系,与仿真结果基本一致,验证了扭矩计算模型的正确性并通过修正系数改进了该模型.进一步仿真研究表明,构成土压平衡盾构刀盘扭矩的主要组分是刀盘前表面、圆周面以及刀盘背面上的摩擦力矩,刀盘开口槽的剪切力矩和土仓内的搅动力矩所占比重约为99%.     

基于局部线性嵌入和支持向量机回归的TBM施工参数预测

依托吉林引松工程开展隧道掘进机（TBM）施工参数预测研究,提出TBM施工数据分段提取算法,提取上升段前30 s的总推进力、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速电位器设定值、推进速度电位器设定值、贯入度、贯入度指数(FPI)、扭矩切深指数(TPI)9个参数作为输入;通过局部线性嵌入（LLE）完成对上升段数据特征的降维;基于支持向量机回归（SVR）建立TBM施工控制参数（推进速度、刀盘转速）和负载参数（总推进力、刀盘扭矩）预测模型. 分析是否结合前一掘进循环的FPI、TPI指数进行预测对预测效果的影响. 结果表明,上述方法在推进速度、刀盘转速、总推进力、刀盘扭矩的预测中均取得了较好的预测效果,平均预测绝对百分比误差均小于15%,验证了该预测方法的有效性,该方法可以为TBM现场施工提供指导.     

基于现场数据的TBM掘进速率研究

为了研究TBM掘进速率在不同地质条件下的变化规律,基于吉林引松供水隧道工程开敞式TBM现场掘进数据,将TBM刀盘破岩过程分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段,并对破碎阶段应用统计回归方法,分析在不同岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数的条件下,TBM刀盘贯入度与刀盘推力、刀盘扭矩的关系.研究表明,在特定施工条件下,刀盘贯入度随刀盘推力增大呈幂函数曲线增长,随刀盘扭矩增大呈线性关系增长,增长率与岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数密切相关.进一步建立对于不同强度、完整性岩石的掘进机掘进速率模型,进行实际工程施工预测,预测结果的平均相对误差都低于16%,表明模型预测精度较高,可以为实际工程施工中操作参数的优化和不良地质条件的捕捉提供帮助.     

TBM滚刀回转破岩性能数值分析

针对隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘设计过程中盘形滚刀布局的刀间距和贯入度问题,综合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学,并运用有限元方法建立了TBM刀盘滚刀的动态破岩三维模型.通过与线切割实验对比验证了模型的正确性和有效性,并在此基础上分析了滚刀的回转破岩,得到刀间距和贯入度对滚刀切削力及比能的影响规律.结果表明:随着刀间距的增加,滚刀所受法向力将会逐渐增大,而其切向力基本保持不变,比能增加先减小后变大,在刀间距为60 mm附近取得最小值;法向力和切向力随着贯入度的增加而增大,比能随着贯入度增加而减小.     

NSVR硬岩隧道掘进机刀盘扭矩预测分析

为了避免硬岩隧道掘进机（TBM）刀盘受困,提出TBM刀盘扭矩的非线性支持向量回归（NSVR）预测模型来指导TBM掘进施工.结合吉林引松供水工程现场掘进大量数据,研究TBM刀盘扭矩与掘进参数间的相关关系,得到刀盘扭矩与围岩类别、刀盘转速和推进速度具有明显相关关系：随着围岩强度由强到弱,推进速度对刀盘扭矩的影响逐渐变弱,刀盘转速对刀盘扭矩的影响逐渐变强.基于这种相关关系,建立刀盘扭矩NSVR预测模型,并将该模型应用于吉林引松隧道工程,对按1：1划分的19 854个训练样本和19 854个测试样本的刀盘扭矩进行预测.预测结果表明：训练样本集和测试样本集的平均相对预测误差分别为11.3%和12.9%,测试样本集中相对预测误差高于60%的有516个测试样本,占测试样本集总数的2.6%.各项数据表明,在给定刀盘转速、推进速度和围岩类别条件下,建立的刀盘扭矩NSVR预测模型具有较高的预测精度.     

安装参数与掘进参数对滚刀破岩阻力的影响

为获得不同切削顺序下盘形滚刀安装参数与掘进参数对其破岩阻力的影响,通过建立多滚刀破岩数值模型,研究不同切削顺序下滚刀贯入度、刀间距、安装半径与刀盘转速等参数对滚刀破岩阻力的影响规律,采用多因素正交实验法分析各因素对破岩阻力的影响显著性,并通过滚刀破岩试验验证数值分析结果的正确性.研究结果表明：滚刀破岩阻力总体上随贯入度、切削速度、刀间距与安装半径的增加而增大;不同切削顺序下,滚刀破岩阻力各不相同,其差异性随贯入度增加以及刀间距减小而逐渐增大;3种不同切削顺序下,贯入度对滚刀破岩阻力影响均为非常显著,刀盘转速和滚刀安装半径对破岩阻力影响较小,刀间距对破岩阻力的影响随切削顺序变化而有明显差异,破岩试验结果与仿真基本一致.     

复合岩层下岩石掘进机刀盘载荷特性研究

针对岩石掘进机在复合岩层掘进时地质条件多变、刀盘受力复杂的问题,建立了岩石截面圆分层模型,基于滚刀受力模型,构建了刀盘载荷描述方程。分析了刀盘受力分布特征,着重研究了岩石单轴抗压强度、分层比对刀盘动态掘进载荷的影响以及推力-扭矩之间的复杂耦合关系。结果表明:刀盘上滚刀受力随着安装半径增大而减小;随着岩石强度的增加,刀盘的推力、扭矩增大;随着分层比的增大,刀盘的推力、扭矩减小;当分层比为0.5时,刀盘的径向力和倾覆力矩最大;分层比一定时,两种岩石单轴抗拉强度相差越大,径向力和倾覆力矩越大;对于给定的岩石成分,刀盘推力和扭矩近似呈幂函数关系。通过对比秦岭隧道TB880E施工数据,对提出的计算方法和结果进行了验证。     

某供水工程TBM刀盘破岩过程动静态响应特性

刀盘是硬岩掘进机(TBM)的关键部件,为了研究刀盘刀具与掘进面耦合作用下载荷分布与变化规律,建立了某供水工程TBM刀盘-岩石相互作用的三维分析模型,基于显式动力学方法模拟TBM刀盘掘进过程,研究掌子面岩体的损伤失效状态以及刀盘刀具的动态掘进载荷。研究得到了全盘刀具三向力载荷及刀盘总载荷(总推力、总扭矩),其中刀盘扭矩平均值1 560 k N·m,最大值5 880 k N·m,推力平均值3 444 k N,最大值7 296 k N;通过工程实例验证,得到实测载荷值稍大于仿真值,总推力误差为15.74%,总扭矩误差为15.38%,验证了仿真结果的有效性。在此基础上,对刀盘的动静态响应特性进行研究,得到刀盘在极限工况下最大应力100 MPa,最大变形0.695 mm,确定刀盘有足够的刚度强度。     

基于深度信念网络的盾构隧道施工安全研究

针对广州地铁18号线盾构隧道工程施工的主要安全问题——地表沉降和管片上浮，基于现场监测得到的施工参数与安全问题间的海量大数据，采用深度学习网络——深度信念网络构建了施工安全预测模型，并研究了六个主要施工掘进参数对施工安全的影响。结果表明：深度信念网络可以根据现场监测大数据得到较准确的地表沉降和管片上浮预测值；且地表沉降量随土仓压力、注浆量和注浆压力的增大而减小，随千斤顶推力、刀盘扭矩和掘进速度的增大而增大。而管片上浮量随土仓压力和注浆压力的增大而增大，随千斤顶推力和注浆量的增大而减小，刀盘扭矩和掘进速度对管片上浮影响不大。     

软土地层盾构掘进参数分析及掘进速度预测

依托佛山地铁3号线逢沙站—创意园站区间隧道工程,通过现场实测数据,详细分析了土压平衡盾构穿越软土地层时盾构掘进参数内在变化规律,并建立了掘进速度预测模型。首先,对盾构掘进参数进行数理统计分析,对各掘进参数的分布进行正态性检验;其次,进行Pearson相关性分析,找出线性相关性较强参数间变化规律;再次,利用基于互信息的特征选择算法,筛选与掘进速度非线性相关性较高的参数变量;最后,分别建立随机森林回归预测模型和基于遗传算法优化BP神经网络预测模型,对掘进速度进行预测。研究结果表明：在软弱地层盾构隧道工程中,通常采用较低的刀盘转速、刀盘扭矩及较高的掘进速度、贯入度、盾构总推力、土仓压力;掘进速度等参数均通过了采用K-S检验法的正态性检验;掘进速度与贯入度存在极强相关性关系;基于遗传算法优化BP神经网络预测模型的预测精度略优于随机森林回归预测模型,随机森林回归预测模型在测试集中的平均绝对误差、均方根误差、拟合优度分别为4.055、5.038、0.871,而基于遗传算法优化BP神经网络预测模型分别为0.822、1.244、0.991。     

软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

为研究盾构隧道浅埋施工过程中多种因素对地层的扰动影响,基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型,考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用,并将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固的对应关系分阶段、分区域赋值,实现了对施工过程的精细模拟。利用厦门地铁1.0D埋深盾构隧道工程现场监测结果对数值模型进行验证,计算并总结了浅埋开挖引起软土地层的扰动变形规律,进而研究了各施工因素对扰动效果的影响。结果表明：软土地层盾构施工过程中,以刀盘顶推作用为主的机械开挖使前方土体径向扩张,开挖空间上方土体隆起,两侧土体外移;盾尾注浆阶段,在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽,且随注浆压力消散逐步加深,隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间,出现近场回弹和远场扩张现象;刀盘驶过目标断面3.0D后地层变形趋于稳定。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形,而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时,地表沉降有所减缓,侧面水平位移显著增加。因此,施工参数的选取应考虑对隧道周边地层扰动程度的均衡。     

既有地下室外墙影响下的挡土结构非极限主动土压力

针对挡土结构土压力与位移之间的关系,提出一种适用于既有地下室外墙影响下的挡土结构非极限主动土压力计算方法。基于卸荷路径推导了土体力学参数与位移关系和考虑土拱效应下的非极限主动土压力系数,运用应力状态法和静力平衡法给出了既有地下室外墙影响下的非极限主动土压力统一解,通过与室内相关模拟试验对比,采用应力状态法得到的结果较静力平衡法更接近于实际。基于挡土结构非极限主动土压力变化规律,讨论了位移比、两墙间距、墙土摩擦角、黏聚力等参数对土压力分布、合力及倾覆力矩的影响,揭示了其变化规律。通过与物理实验和算例与理论计算方法所得土压力和力矩的对比表明,所建立的计算方法合理可行,为进一步研究挡土结构非极限主动土压力理论计算提供了一定的依据。     

变转速泵控模拟盾构刀盘驱动系统研究

设计了1.8 m土压平衡(EPB)模拟试验盾构的刀盘驱动液压系统,介绍了该液压驱动系统的工作原理和控制方法,该系统采用了变转速泵控技术.通过统计分类的模式识别方法分析了1.8 m试验盾构的掘进过程,以盾构掘进的场切深指数（FPI）、扭矩切深指数（TPI）构成了掘进土层状况的特征空间,基于土层识别及刀盘驱动功率效能评价建立了盾构刀盘转速专家控制方法.建立该液压驱动系统的AMESim仿真模型,仿真研究了液压系统的效率、开环和闭环调速性能.试验研究表明,该液压系统开环调速性能稳定,但刀盘转速波动较大.     

土压力计算中几个问题的探讨

针对土压力计算中传统土压力计算方法的适用性问题、考虑墙体位移的土压力计算问题、不同墙体变位模式下土压力计算问题和水土压力的分算与合算问题，进行了详细的分析与探讨．指出基于极限平衡理论的传统土压力理论与实际出入较大，而现有的考虑墙体位移的土压力计算模型，实质是对主动和被动土压力的非线性插值，是对传统土压力理论的修正；条带平衡法能够导出土压力沿墙背的分布解，与考虑墙体位移的土压力模型结合，可综合考虑墙体变位模式与墙体位移对土压力的影响．关于基坑支护结构上的水土压力，对于沙土可采用水土分算法；对于黏性土，宜采用经以塑性指数与液性指数有关的系数修正的混合算法，从而避免出现夸大或低估静水压力的现象。