（控制理论与控制工程专业论文）基于lssvm的盾构密封舱土压建模仿真研究.pdf

人连理i ：人学硕l ：学何论文 摘要 密封舱土压是盾构掘进过程中一个非常重要的控制参数，压力失衡将导致地表坍塌 等严重的 ：程事故。但现在的施- r 多是人工控制操作，控制精度较低。因此，实现盾构 掘进过程的自动控制足当前自动化领域研究的热点问题。 目前对土压平衡盾构系统的研究多集中在诸如推进系统、排渣系统等一些相对独立 的领域罩，这些研究都没有考虑其整体特性，且都未考虑刀盘转速的影响，无法反映盾 构掘进过程中盾机的整体性能。而在研究方法上多采用神经网络、模糊算法等，并未得 出具体的模型形式。再加上盾构施工现场情况复杂，影响土压的因素较多，而且实验研 究需要较大的投资，所以，目前大部分土压平衡盾构系统的分析与设计都是依赖工程实 践经验。基于此，本文提出一种建立盾构土压模型的方法，结合现场施工数据，对土压 平衡盾构施工过程中的特性进行研究，为实际盾构施工工程提供指导与参考。 由于建立土压平衡盾构系统的机理模型比较困难。因此，本文在广泛研究国内外盾 构理论的基础上，基于盾构掘进过程的机理分析，初步确定土压值与刀盘转速、总推力、 螺旋输送机转速及推进速度有关。进一步，利用主元分析方法来估计土压值与这些因素 的相关性强弱，得出结论：推进速度、螺旋输送机转速、刀盘转速及总推力为土压值的 主元。基于此，首先对现场采集数据进行数据预处理；其次，利用最小二乘支持向量机 ( l s s v m ) 方法，结合现场施工数据，选用六种核函数来对土压进行建模分析，并引 入均方根误差( r m s e ) 和绝对平均值百分误差( m a p e ) 来评价该模型的预测精度， 进而确定采用二次多项式核函数建立的土压模型其估计能力较好；最后，通过仿真试验 验证了该模型的有效性。并结合m a p e 评价标准，比较l s s v m 模型与b p 神经网络模 型的估计能力，试验表明l s s v m 模型有较好的估计能力和推广能力。 关键词：土压平衡；盾构；l s - s v m ；b p ；土压模型 基丁l s s v m 的盾构密封舱十压建模与仿真研究 m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no fs h i e l ds e a l e dc a b l e se a r t hp r e s s u r eb a s e d o nl s s v m a b s t r a c t t h ee a r t hp r e s s u r eo ft h es e a l e dc a b i ni sav e r yi m p o r t a n tc o n t r o l l i n gp a r a m e t e ra n di s i n t i m a t e l yr e l a t e dt ot h es t a b i l i t yo fe x c a v a t e ds u r f a c ea n dd e f o r m a t i o no fg r o u n d h o w e v e r a tp r e s e n t ，m o s tc o n s t r u c t i o n sa r em a n u a lo p e r a t i o n sa n dc o n t r o l s ，w h i c hl e a dt ol o wc o n t r o l a c c u r a c y 1 1 1 u s t h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o ld u r i n gt h ee x c a v a t i o no fs h i e l di sah o t t o p i ci nt h ep r e s e n ta u t o m a t i o nr e s e a r c h a tp r e s e n t ，m o s to ft h er e s e a r c h e sa r ef o c u so ns o m er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n ta r e a s ，s u c h a sp r o p u l s i o ns y s t e mo rc a s t i n gs y s t e m 。彻7 i l er e s e a r c ho nt h ew h o l ec h a r a c t e r i s t i co fe p b s h i e l ds y s t e mi sr e l a t i v e l yl e s sa n de x c l u d et h ec o n s i d e r a t i o no fa f f e c to ft h es p e e do fc u t t e r h e a d t h er e s u l ti st h a ti tc a n tr e f l e c tt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ed u r i n gt h ee x c a v a t i o no fs h i e l d i nt h eo t h e rs i d e ，t h er e s e a r c hm e t h o d s ，s u c ha sa r t i f i e i a ln e u r a ln e t w o r k so rf u z z y a l g o r i t h m ，w h i c hc a n tg e tas p e c i f i cf o r mo ft h em o d e l i na d d i t i o n , t h es i t u a t i o no ft h e c o n s t r u c t i o no fs h i e l di sc o m p l e xa n dt h e r ea r em a n yf a c t o r st h a tc o u l da f f e c tt h ee a r t h p r e s s u r e m o r e o v e r , i tg e n e r a l l yr e q u i r e sl o t so f i n v e s t m e n ti ne q u i p m e n t st op e r f o r mo ns i t e t e s to re x p e r i m e n t so fp h y s i c a lm o d e lw h i c hs e tb a c kt h ep r o c e s so fr e s e a r c h t h e r e f o r e ，m o s t o ft h ea n a l y s i sa n dd e s i g n so fe a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l ds y s t e ma r eb a s e do ne n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e f o rt h e s er e a s o n s ，t h i sp a p e rr a i s eam e t h o do fe s t a b l i s h i n gt h ee a r t hp r e s s u r e m o d e lo fe p bs h i e l d a n dd oar e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e ro ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fe p b s h i e l dc o m b i n e dw i t hc o n s t r u c t i o n - s i t ed a t a , w h i c hc o u l dp r o v i d es o m ei n s t r u c t i o n sa n d r e f e r e n c e sf o r t h ec o n s t r u c t i o no fs h i e l d i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ht h em e c h a n i s mm o d e lo fs h i e l de p bs y s t e md i r e c t l y t h e r e f o r e t h et h e s i si d e n t i f yt h ee a r t hp r e s s u r ev a l u em a yb er e l a t i v ew i t hc u t t e rh e a ds p e e d ，m a i nt h r u s t ， s c r e wc o n v e y o rs p e e da n da d v a n c i n gs p e e db a s e do nt h em e c h a n i s md u r i n gt h ee x c a v a t i o no f s h i e l da n dt h es t u d yo ns h i e l dt h e o r ya th o m ea n da b r o a d f u r t h e r m o r e , t h eu s eo fp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i st oe s t i m a t et h ev a l u eo fe a r t hp r e s s u r ea n dt h es t r e n g t ho ft l l ec o r r e l a t i o n o ft h e s ef a c t o r sl e a dt oac o n c l u s i o nt h a tt h ee a r t hp r e s s u r eh a sf o u rp r i n c i p a le l e m e n t sa s f o l l o w s ：a d v a n c i n gs p e e d ，c u t t e rh e a ds p e e d ，s c r e wc o n v e y o rs p e e da n dm a i nt h r u s t f o rt h e s e r e a s o n s ，f i r s t ，p r e p r o c e s st h ec o n s t r u c t i o n - s i t ed a t a s e c o n d l y , o b t a i n i n gt h es p e c i f i cm o d e lo f e a r t hp r e s s u r eb yu s i n gl e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s s v m ) m e t h o dc o m b i n e d w i t ht h ec o n s t r u c t i o n s i t ed a t a , a n du s i n gs i xk i n d so fk e r n e lf u n c t i o nt oc o n s t r u c tt h ee a r t h i i 人造理i ：人学硕十学位论文 p r e s s u r em o d e l w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fr m s e ( r o o tm e a ns q u a r ee r r o r ) a n dm a p e ( m e a n a b s o l u t ep e r c e n te r r o r ) ，t h e ne s t i m a t i n gt h ep r e c i s i o no fp r e d i c t i o no ft h ec o n s t r u c t e dm o d e l ， a n dg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec o n s t r u c t e dm o d e lw i t haq u a d r a t i cp o l y n o m i a lk e r n e lf u n c t i o n h a st h eo p t i m a lp r e c i s i o no fp r e d i c t i o n a tl a s t ，v e r i f y i n gt h ev a l i d i t yo ft h em a t h e m a t i c a l m o d e lb ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dc o m p a r i n gt h ee s t i m a t e sc a p a c i t yo fl s - s v mm o d e l a n db pn e u r a ln e t w o r km o d e lw i t hm a p ea sa ne s t i m a t e ds t a n d a r d t h es i m u l a t i o n r e p r e s e n t st h a tt h el s s v mm o d e lg e t sa ne x c e l l e n tp r e d i c t i v ea b i l i t ya n dg e n e r a l i z a t i o n a b i l i t y k e yw o r d s ：e p b ；s h i e l d ；l s s v m ；b p ；e a r t hp r e s s u r em o d e l i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 蒸兰! 二! 二竺塑鱼塑室! 皇鱼垒圭查耋丝! 查垒箜塾 作者签名： 壶1 3 堡蔓 日期：丝! 刍年生月j 互日 大连理一i ：人学硕+ 学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 人连理1 ：人学硕十学位论文 1绪论 1 1研究背景 2 1 世纪以来，城市基础建设同益与人文、自然环境和谐，地下空间进入了一个前所 未有的发展阶段。作为地下空间开发中的核心技术，盾构法隧道施工技术已在能源、交 通等领域的隧道建设中得到广泛应用。在复杂地层和软士隧道工程中，它以安全、可靠、 劳动强度低及环境影响小等显著优点而受到地下工程界越米越广泛地关注，因此，研究 盾构施工过程中的工程技术是当前盾构相关领域的一个热点问题【l _ 3 】。 1 2 盾构技术的国内外研究现状 1 8 2 3 年布鲁诺尔在伦敦泰晤士河建设的隧道工程开创了盾构法隧道的先河。随后， 英国、德国、美国、日本和中国等进一步发展了盾构法隧道【4 】。1 9 1 7 年同本开始在铁羽 越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1 9 3 8 年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为 日本盾构技术的发展奠定了基础。1 9 6 7 年由英国提出的泥水加压系统在同本得到了实 施，r 本成功研制了第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构。1 9 7 4 年日本独创 性地研制成功土压平衡盾构，同时德国w a y s s f r e y t a g 也研制成功颇具特点的膨润土 悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构1 5 j 。2 0 世纪9 0 年代，盾构法隧道取得了惊世成就， 日本东京湾道路隧道被称为世界超大型道路交通盾构法海底隧道工程的范例，英法海峡 隧道更是成为集英、法、美、同、德等国t b m 施工技术大成的典型工程。 目前，盾构机的生成主要集中在美、日、欧等发达国家和地区。当今世界著名的全 断面隧道掘进机制造公司有美国的罗宾斯( r o b b i n s ) 公司，佳伐( j a r v a ) 公司，日本 的川崎、三菱公司以及法国的f c b 公司、法马通( f r a m a t o m e ) 公司和德国的维尔特 ( w i n h ) 公司、海伦( h e r r e nk n e c h t ) 公司、海瑞克公司等。在盾构机技术性能方面， 日本和德国处于世界领先水平。其先进性主要有：基本实现了掘进、衬砌、排土施工工 艺的全机械化和全自动化【6 】；大量采用各种现代高新科技成果，比如遥控技术、激光雷 达技术、卫星制导技术、现场总线技术、摄像及视觉信号处理技术等；掘进断面的形状 多样化，尺寸变化范围较大，适用于各种工程实践；普遍采用液压驱动技术，具有大功 率、变负载、低能耗等特点，同时还有自动检测、故障诊断及自动纠偏等功能；地层的 适应性广，可用于硬岩、砂砾岩、卵石岩、沙层和软土等各种地层空间。 我国盾构掘进技术的应用是从1 9 5 3 年辽宁阜新煤矿采用手掘式盾构修建直径为 2 6 m 的疏水巷道开始的，但是由于当时我国经济技术水平相对落后，未能有较大的发展。 接下来的1 9 6 2 年2 月开始启动盾构法试验隧道工程，1 9 6 3 年，上海隧道工程公司结合 基y - l s s v m 的盾构密封舱十压建模j 仿真研究 上海的软土特性对盾构掘进机、预制钢混凝七衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水 进行了系统的试验研究，并在此基础上研制了一台直径为4 2 m 的手掘式盾构掘进机； 同时进行了盾机的浅埋与深埋隧道掘进试验，共掘进了6 8 m ，这算得上是我国第一次有 较大指导意义的盾构尝试【7 】。1 9 7 0 年建造出中国建造的第一条水底公路隧道一打浦路隧 道，实现了中国盾构法隧道零的突破。2 0 世纪9 0 年代以后，中国各大城市先后应用盾 构法建设轨道交通地铁隧道，上海、北京、广州、深圳、南京、天津等隧道施工都应用 了盾构掘进机，盾构法技术同趋成熟。期问，上海外滩观光隧道工程在自行研发的“盾 构法隧道施工智能化辅助决策系统”指导下，实现了城市复杂地层近距离叠交隧道施工 的技术创新。最近，由上海隧道工程股份有限公司、广州重型机械厂、中铁隧道集团公 司联合浙江大学、同济大学、煤炭科学研究院等单位，携手合作并研发出来我国第一台 具有多项专利权的地铁盾构掘进机“先行号”，该盾构机在上海地铁二号线西延伸隧道 工程中，以每分钟推进速度6 0 m m ，同掘进1 6 m ，月掘进4 0 0 m 的指标运作，该指标基 本与国外引进的土压盾构机相关指标持平。将中国盾构法隧道工程建设带入了一个与世 界先进水平同步发展的新时代【引。 目前我国的盾构掘进技术已经取得了长足的进步，在直径为3 8 m - 6 3 4 m 的国产土 压平衡式盾构机中采用的隧道导向和监控技术已接近国际先进水平；同时，国产土压平 衡盾构和泥水加压盾构技术在某些方面也已达到或接近国际先进水平；而在异形刀盘、 刀具材料、衬砌、出土排渣以及盾构密封技术等方面也取得了一些具有自主知识产权的 先进成果，其中，异形盾构的研究已经达到国际先进水平。虽然我国在盾构隧道施工方 面已有了一定的成功经验和技术积累，但仍然存在大量的技术问题。除盾构机械制造和 施工控制管理等综合技术问题以外，在岩土工程的领域内也存在许多尚待解决的理论和 技术问题。比如，盾构隧道管片设计理论的统一、系统化问题；隧道开挖面稳定机理和 控制问题；相邻或叠交隧道相互影响的评价问题等等，都还需要我们进行不懈的研究和 积累p j 。而且我国在盾构机生产方面的能力还显得有些单薄，在复杂地质条件环境下还 必须引进国外的盾构机来完成施工，同时，很多生产盾构机的元器件还依赖进口，关键 技术方面还有待提高。这也成为制约我国盾构技术发展的一个重要瓶颈【1 0 】。 1 3 土压平衡盾构系统的国内外研究现状 土压平衡盾构掘进系统是由开挖土层、刀盘系统、密封土舱、推进机构、螺旋输送 机、液压系统及土压控制系统等子系统组成的。大体来说，盾构系统的各个组成部分现 在都有研究，主要包括土压设定理论的研究、土压平衡控制策略的研究、盾构机与土体 人连理i ：人学硕十学位论文 的相关作用的研究、盾构液压系统的相关研究、盾构土体改良的研究、土压控制模型的 研究以及排土量的控制分析的研究等【i 卜眩】。具体如下： ( 1 ) 土压平衡控制理论的研究。根据盾构机掘进过程中的机理分析，构建盾构掘 进过程的神经网络控制模型【l3 】；总结土压平衡盾构掘进时的平衡控制理论，提出土压平 衡两种状态的概念，并论述面板式刀盘作用下两种平衡状态的不等价性。为保护环境、 确保施工安全提供了参数依据【l 4 1 。 ( 2 ) 盾构机液压系统的研究。主要有推进液压驱动、螺旋输送机液压驱动及刀盘 液压驱动等。研究为盾构机液压系统的设计与分析及具体的工程实例提供参考【1 5 - 1 7 】。 ( 3 ) 盾构机土压平衡控制策略的研究。运用智能控制代替人工控制【1 8 1 ；运用自适 应模糊神经网络建立的土压控制器，代替现常用的p i d 控制的研究。这些研究为更好的 理解土压控制中的问题提供了参考【3 , 8 , 1 9 , 2 0 1 。 ( 4 ) 盾构土压平衡的排土量分析及各主要参数的统计分析。重点分析土体从土舱 至螺旋输送机排渣e l 的机理，得到部分控制排土量的基本结论【2 1 1 ；以现场施工数据为基 础，对土压平衡盾构中影响土压的主要参数进行统计分析研究，对现场施工有一定的指 导意义【2 2 。2 4 1 。 ( 5 ) 盾构机机外的土体研究。对盾构的土压设定及土体沉降的分析，该类研究是 基于土动力学、土体力学知识建立土体的本构模型，运用有限元的分析方法，研究土压 设定值与土体隆起量、沉降量的关系。这类研究为盾构设定土压的选取、控制土体沉降 的范围提供了理论和计算依据( 1 0 ，2 5 抛】。 ( 6 ) 盾构机体与外土体的相互作用的研究。研究包括盾构刀盘的切削研究、土体 与盾构机体的压力、摩擦力等的研究。刀盘的切削研究探讨了刀盘的切削机理及不同地 质的条件下对切削效率、刀具的磨损的影响，对盾构机的刀盘选型及设计，提供一定的 参考。而土体与盾构机体作用的研究，主要为盾构前端的推进中的阻力确定及防止盾构 机体在刀盘切削转矩的反作用力下旋转。这两项都与土体压力、土质、盾构外形与尺寸 有关，是设计盾构尺寸的重要考虑因素。同时，推进阻力是设计液压千斤顶及相关的液 压系统的主要指标。现有的研究为更合理的设计盾构机能力提供了重要的参考【1 0 3 0 3 1 1 。 ( 7 ) 盾构机非正常工作状态形成的机理和预防的研究。分析土压盾构在不同地质 条件下出现的不良工况，如在高压地下水、高渗水地层中的喷涌现象，在高黏度的土层 出现的泥饼现象，并针对这类情况做出改进【3 2 1 。该类研究对盾构机在恶劣地质条件下保 证施工质量有重要的指导意义【3 粥引。 ( 8 ) 盾构土体的改良的研究。研究包括土体的塑流性添加物及其添加比例的计算。 加入比例和类型合适的塑流性添加物，土体的止水性和流塑性能明显的改善，对提高螺 基丁l s s v m 的盾构密封舱十乐建模与仿真研究 旋输送机的排土效率、减少刀盘的切削转矩及盾构推进力、提高掘进控制质量及防止喷 涌都有明显的作用【3 , 3 9 , 4 0 。 可以看出，密封舱土压是盾构掘进过程中一个非常重要的控制参数，压力失衡将导 致地表坍塌等严重的工程事故。但现在的施工多是人工控制操作，控制精度较低。因此， 实现盾构掘进过程的自动控制是当日 自动化领域研究的热点问题。目f j 对士压平衡盾构 控制系统的研究多集中在诸如推进系纠2 4 , 4 1 】、排渣系统f 2 1 , 4 2 】等子系统上，其中，张厚美 等在文 2 4 】中对推进系统的推进速度建立了数学模型，朱合华等在文 4 1 中对盾构掘进 推力进行了研究；薛如镜等在文 2 1 1 中对螺旋输送机的排渣过程进行了机理分析，胡国 良等在文 4 2 1 中对螺旋输送机的排土控制进行了分析。但是，密封舱压力是由各子系统 综合控制作用来决定的，所以，研究单一子系统对密封舱压力的影响有一定的局限性。 另一方面，目前在控制方法上多采用神经网络【2 0 1 、模糊控制【b 】等。其中，i - c h e n gy e h 在文 2 0 】中采用b p 神经网络对盾构土压进行建模，但未考虑总推力及刀盘转速的影响； 施虎等在文 1 3 1 中采用模糊神经网络算法对土压进行建模，虽将总推力考虑为参变量， 但仍没考虑刀盘转速的影响。 在研究条件上，由于盾构机本身的昂贵，施工的地质条件多样及我国盾构企业、研 究机构的条件所限，直接进行实物实验在经济、安全、效益上都不具有可行性。对于物 理模型实验，在国内也只有少数几个科研机构建立了有针对性的盾构物理模型，令研究 的人员限制在特定的研究机构和企业内，而盾构是多领域技术的结合，因此现有对盾构 研究的发展受到了一定的限制。 1 4 课题研究意义及主要内容 1 4 1 研究意义 盾构技术是集液压、制造、控制、测量技术等多学科交叉为一体的现代掘进技术， 因其速度快、自动化程度高、对地面建筑影响小，有利于保护环境，已成为交通运输、 地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施建设中重要的地下开挖技 术【4 3 】。2 1 世纪是地下空间的世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加 快，今后相当长的时期内，国内的城市的地下工程建设将需要大量的隧道盾构掘进机。 由于我国盾构设计起步较晚，盾构技术的发展尚处于研发与逐步国产化阶段 4 4 , 4 5 】。面对 迫切的市场需求和国内落后的大型全断面隧道掘进装备的研制水平，实现我国隧道掘进 装备的产业化、本土化已成为国家经济和科技发展过程中一件刻不容缓的大事。因此， 盾构的国产化已成为发展我国隧道工程技术的必由之路和必然选拶矧。大型全断面隧道 人连理1 ：人学硕f ：学位论文 掘进装备是关系国家基础建设、资源开发和国防建设的重大技术装备，也是一个国家装 备制造业发展水平和综合科技实力的重要体现，对于推动国家现代化和城市化进程，实 现可持续发展，构建和谐社会具有重要的战略意义【6 , 1 6 , 4 7 1 。 由于受环境保护和地面设施的制约，对隧道施： 的质量和环境保护要求越来越高， 地面沉降控制成了衡量隧道掘进机技术水平的关键技术之一【4 8 - 5 2 1 。而实现其安全高效运 行的关键是掘进装备的土舱压力平衡、刀盘转动、螺旋输送机、液压推进等多个子系统 的协调控制。因此，为了确保土舱压力动态平衡，实现基于土舱压力动态半衡的盾构掘 进技术，进而实现掘进作业过程中的全局协调控制，这对复杂地质条件下掘进装备的土 舱压力平衡及地质条件的勘测、信息的实时回馈等问题提出了科学挑战。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 分析盾构土压平衡施工法的掘进机理，确定盾构掘进过程中与土压舱内土压 有动念关系的控制量。诸如推进速度、螺旋输送机转速、刀盘转速及总推力等。 ( 2 ) 利用现场施工数据，对土压值与各控制量之间的关系进行主元分析验证。 ( 3 ) 确定土压值与各个控制量之间关系，结合现场施工数据，采用l s s v m 方法 进行回归，得到具体的土压模型。 ( 4 ) 为了验证l s - s v m 算法的估计能力，采用b p 算法对土压进行建模仿真，并 利用绝对平均值百分误差为评价标准，对两种方法的估计能力进行对比。 1 5 论文组织结构 论文共分为五章。第一章为绪论；第二章对土压平衡盾构机的相关结构进行介绍， 主要是为接下来的机理分析及建模做一个铺挚；第三章介绍l s - s v m 及支持向量机相关 理论；第四章为机理分析及l s s v m 建模，主要包括土压值与各个控制量之间的机理分 析及主元分析、模型形式的确定及l s s v m 建模，作为对比，采用b p 算法对土压进行建 模，对两种建模方法的估计能力进行对比，该章附带有相关的仿真分析结果；第五章为 结论及展望。 基丁l s s v m 的盾构密封舱 ：斤建模与仿真刖f 究 2 土压平衡盾构机概述 土压平衡式盾构( e p b s ) 自1 9 7 4 年在日本首次使用以来，以其独特的优势已j 。泛 用于世界各地的隧道一 程中，1 9 8 4 年上海市隧道工程公司在我国首次应用从闩本引进的 4 3 6 m 土压平衡盾构建成了荚蓉江下水道总管工程。1 9 8 8 年上海又自行研制了甜3 5 m 加泥式土压平衡盾构成功地穿越了软弱粘士和砂性土交错的复杂地层，建成了上海市 南电缆过江隧道。目前土压平衡式盾构在全国地铁、市政、能源等工程建设中得到更为 广泛的应用。实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适于 在市区和建筑密集处施工等优点，在我国t f 走向普及【4 】。 2 1 设备简介 土压平衡式盾构掘进机几乎适用于全部的软弱地层，并能有效的保持丌挖面的稳定 和减少地面的沉降，施工的安全性及可操作性高，其总体性能已在上海、广州、南京、 深圳及沈阳等地铁隧道建设中得到大量工程实绩的证明。土压平衡式盾构主要由以下几 部分组成：盾构壳体、刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、推进系统、皮带输 送机、人行闸、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、加泥系统、水冷却系统、盾 尾密封系统、村背注浆系统、车架、双梁吊运机构和单粱吊运机构。其主要部件结构见 圈2 1 。 i 日 月r = 图2 1 土压平衡盾构机结构 f i g 2 1 t h e e o n s l r u e t i o n o f e a r t h p r e n , w 衄b e t l a n c e s h i e l d 人连理1 人学硕+ 冲论文 在刀盘扭矩力和推进油缸顶力的作用下，盾构在土层中利用靠置在刀盘j ：的切割 刀对七体进行切削。切削下米的上体经刀盅进土槽并进入士舱，通过配备的加泥系统 对充满土舱的切削十进行改良，使其具有良好的塑流性，通过可控制转速的螺旋输送 机，控制十舱的出十量，使土舱内的改良上保持一定的压力，使之与开挖面的土压力 保持动态平衡，达到控制地面优降的目的。 下而将详细介绍部分子系统披其功能。 211 刀盘机构 ( 1 ) j a ：结构组成及部件功能 川盘为一焊接钢结构件，主要由以下几部分组成【5 ”：( 1 ) 整体钢结构焊接件；( 2 ) 刀箱；( 3 ) 中心铸件；( 4 ) 搅拌棒；( 5 ) 泡沫管；( 6 ) 耐磨条。此外，在刀 盘边缘滚刀部位安装焊接耐磨网，减小刀盘结构的磨损。 图2 2 刀盘机构 f i g2 2 t h ec u t t e r h e a d o f s l f i e l d ( 2 ) 土压平衡盾构刀盘的主要功能 基丁l s s v m 的盾构密封舱十压建模与仿真研究 刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布 置，刀盘和刀具选用的恰当与否直接关系到盾构的施工质量，进而影向盾构掘进施工的 速度及效益 5 4 , 5 5 】。 土压平衡盾构过程中，挖下的土块和流进掘进机的地下水被封闭在密封的土舱内， 用以平衡开挖面的地层压力，防止盾构机堵转或掌子面土层崩塌等工程事故。而土块和 注塑剂的混合物则通过盾构的螺旋输送机连续向盾构机尾部输送，通过调节螺旋输送机 转速来控制排土量，进而控制密封土舱中的土压力，最终使得密封土舱中的土压力与开 挖面土压力平衡。因此刀盘的主要功能有： ( 1 ) 开挖功能：对丌挖面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土 舱； ( 2 ) 稳定功能：支撑丌挖面，具有稳定开挖面的功能： ( 3 ) 搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性； ( 4 ) 控制土压功能：通过与螺旋输送机和推进系统二者配合来调整控制土舱内的 压力。 2 1 2 推进机构 盾构掘进机是依靠液压缸的推力向前推进的，其前进方向和姿态是靠液压缸的协调 动作实现的【5 6 1 。在实际应用中，尽管有事先的地质勘查以及探测，但是由于地质土层的 复杂性和施工过程中诸多不可预见因素的作用，使盾构推进控制变得非常复杂。盾构推 进还与地层扰动和地面沉降等有关，与推进工况参数诸如土体应力、含水量、孔隙水压 力、弹性模量、泊松比、强度和承载力等岩土力学参数相关。推进控制不当会引起地表 隆起或塌陷等工程事故，进而造成地面建筑损坏、公路破坏以及周围的管道线路等的破 损等严重的环境灾害。 人连理i ：人学顷l 学忙c 仑义 隧2 3 推进机构 f i g2 3 t h e p r o p u l s i o no f s h i e l d 盾构在地下工作，掘进过程中会受到被掘土层的各利- 阻力，盾构推进系统茸先就必 须克月k 这些阻山，达到f 常掘进自口进的目的。盾构推进过程中，盾构机面临大功率、变 负载、空间狭窄、环境恶劣等挑战，所以一般都采用液压系统，山推进液压缸、液压泵、 液压阀件及液压管路等组成。推进液压缸安装在密封舱隔板后部，沿盾体轴向均匀分布， 是推进系统的执行机构，由设在盾构后部的液压泵提供高压油通过各类液压阀的控制 实现各种功能。 另方面，在掘进施工中，盾构必须按照预定的路线做轴向前进，因此刀盘或刀架 的精确进刀与对刀是非常重要的，而被切削的地质比较复杂，整个盾构盾体受到地层的 阻力往往不均，使盾构的掘进方向与预定方向发生偏离，通过协调控制推进系统的几组 液压幻涞实现盾构的轨迹纠偏就显得尤为重要。另外，盾构进行曲线推进，尤其是进行 弯道掘进时，可能需要在不同时刻在不同方向上进行掘进，这也需要通过协调、精确控 制液压缸来实现。由于一般的推进系统液压缸数量比较多每个液压缸都进行单独控制， 成本高，控制较为复杂。为此，可采用分组控制，一般将其分为上下左右四组。这样既 可以节约成本、减少控制复杂程度，又可以达到盾构姿态的调整、纠偏、精确控制的目 的。 213 注塑机构 ( 1 ) 注浆装置 注浆装置主要包括两个注浆泵、浆液箱及管线。 基丁l s s v m 的盾构密封舱十压建模与仿真研究 盾构机掘进时，由注浆泵泵出的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环隙中，浆 液凝固后就可以起到稳定管片与地层的作用【5 7 1 。 ( 2 ) 泡沫装置 泡沫系统主要包括泡沫剂罐、泡沫剂泵、水泵、四个溶液计量调节阀、四个空气剂 量调节阀、四个液体流量计、四个气体流量计、泡沫发生器及连接管路。 泡沫装置产生泡沫，并向盾构机开挖室中注入泡沫，用于开挖土层的改良，作为支 撑介质的土在加入泡沫后，其塑流性、防渗性和弹性都得到改进，盾构机掘进驱动功率 就可减少，同时也可减少刀具的磨捌5 8 1 。 ( 3 ) 膨润土装置 膨润土装置也是用来改良土质，以利于盾构机的掘进。膨润土装置主要包括膨润土 箱、膨润土泵、九个气动膨润土管路控制阀及连接管路。其功用类似于泡沫或浆液。 2 1 4 搅拌机 盾构机土舱内装备有一个随动的搅拌机，其主要功能是均衡舱内土压，保证舱内土 体的流塑性，利于螺旋输送机的顺利排渣。 2 1 5 排渣机构 在土压平衡式盾构机中螺旋输送机具有以下功能：从有压力的土压舱内将土料送到 大气压下的隧洞中；在渗水土层中密封有压水；通过控制开挖土体的进出量来控制土压 舱的支撑压力 5 9 , 6 0 】。 排渣机构中最主要的就是螺旋输送机，通过调节螺旋输送机转速就可以控制盾机的 排土量，进而控制密封土舱内的土压力，它是盾构土压平衡控制中的一个重要的控制参 量。 大连理1 人学顶十学俺论文 目2 2 排渣机构 f i g2 2 ms l a g - o f f s y s t e mo f s h i e l d 22 设备特点 ( 1 ) 施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施，节省技术措施费，并对环境无 污染： ( 2 ) 根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少了地表 变形： ( 3 ) 对掘进土量和排土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高、施工速度快。 23 适用范围 上压平衡盾构掘进机一般不需辅助技术措施，本身具备改善土体的性能，通过对各 种土体的改良，能适应多种环境和地层的要求。可在沙砾、砂、粉砂、粘_ ! _ = 等压密程度 低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用。 土压平衡式盾构机可以分为两类：一类是在粘性土地层中将开挖下来的土体直接充 填在切削腔内，用螺旋输送机调整土压，使土舱内土体与开挖面水土压平衡；另一类是 在砂性土地层中向开挖下来的土砂中加入适量的水或泥浆、添加剂等，通过搅拌以匀质、 具有流动性的土体充填土舱和螺旋输送机，达到工作面的稳定。 24 工作原理及工艺流程 基丁l s s v m 的盾构密封舱十压建模与仿真研究 土压平衡盾构掘进机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削 下来进入刀盘后面的贮留密封舱内，并使舱内具有适当压力与丌挖面水土压力平衡，以 减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封舱下部的 螺旋输送机向排土口连续的将土渣排出。 螺旋输送机是靠转速控制来掌握出土量，出土量要密切配合刀盘切削速度，以保持 密封舱内始终充满泥土而又不致过于饱和。这种盾构避免了局部气压盾构的主要缺点， 也省略了泥水加压盾构投资较大的控制系统、泥水输送系统和泥水处理等没备。 由此便可以看出，土压平衡式盾构的关键就是盾构掘进过程中维持土舱内压力动态 平衡。而在土压平衡式盾构掘进过程中又容易遇到磕头、喷涌、塌陷等险况，这就要求 我们一定要及时调节盾构机推进速度、刀盘转速以及螺旋输送机转速来平衡土舱内的土 压力。 在土压平衡式盾构的施工法中，为了确保丌挖面的稳定，需要适当地维持土压舱压 力。如果土压舱压力不足，会引起前方地基沉降，发生开挖面的涌水或坍塌的危险就会 增大；如果压力过大，又会引起刀盘扭矩或推力的增大而发生推进速度下降或喷涌等问 题。因此，设置合理的施工土舱压力，提高盾构隧道在施工过程中的稳定性，对于控制 地表沉降、提高掘进速度、降低掘进成本有着非常重要的意义【l0 1 。 2 5 本章小结 本章概述了盾构机的构成，其中，对掘进控制系统的子系统进行了简要介绍；并且 阐述了土压平衡盾构的工作原理、机构特点以及适用范围等。从本章的介绍中可以引出 后续章节建模分析中的几个关键性的问题，其主要目的是为后续章节的土压建模分析做 理论上的准备。 通过本章前述几节可知，土压平衡盾构机主要由刀盘机构、推进机构、排渣机构及 注塑机构等组成。在这些机构中，能直接进行控制的参量有推进速度、螺旋输送机转速、 总推力、刀盘转速、刀盘扭矩、搅拌机转速以及注塑机构的流量等。结合控制理论的相 关知识，可以确定土压值可能与以下几个可控参量存在关联：推进速度、总推力、螺旋 输送机转速、刀盘转速、刀盘扭矩。在这几个参量中，哪些与土压值有关，哪些无关， 判断方法是什么，本文将在第四章给出详尽的分析。 另一方面，为了得到土压值与相关的可控参量之间的关系，必须对其进行建模分析。 目前，国内外的研究方法主要有2 种： ( 1 ) 基于现场施工数据的统计分析； 人连理r 人学硕+ 学位论文 ( 2 ) 根据盾构掘进的数学物理方程推导出各参数问的关系。 方法2 的理论分析往往与实际情况有一定的差异，不能真实地反映实际的盾构掘进 施工过程；而方法l 的统计分析往往只是对现场采集的数据进行直接分析，而且采用的 方法为一般的最小二乘法或三次样条插值法，这给其统计结果带来了较大的误差，也不 能很好的反映真实工况。基于此，本文第四章将重点论述土压的建模分析。 基丁- l s s v m 的盾构密封舱_ f ：压建模与仿真研究 3 支持向量机 在土压平衡盾构掘进过程中，存在一些困难与挑战。首先是盾构机本身的复杂结构； 其次是盾构机掘进过程中被掘土质的复杂力学特性；最后，盾构掘进过程中由于人为操 作原因或者盾构机自身原因，不可避免地会出现干扰。所以直接采用机理分析或者传统 的建模方法并不适于描述盾构掘进这一复杂工业过程。 建立工业系统模型一般有以下三种方法： ( 1 ) 通过对系统进行物理机理分析，仔细研究系统的动力学特性，建立物理化学 平衡方程； ( 2 ) 根据系统的输入输出信号，基于系统辨识或参数估计的方法求取系统的一个 微积分或差分数学模型； ( 3 ) 根据系统运行的输入输出数据，通过智能方法，建立一个基于知识的模型。 由于盾构掘进过程具有各子系统相互关联、检测信号粗糙且不完整、干扰较多、系 统参数时变等特点，这就要求建立的盾构机土压模型不仅要有学习和辨识的能力，而且 对环境和干扰要有较强的鲁棒性，所以通过机理分析建立机理模型或数学解析模型有一 定的困难。传统的智能方法如神经网络等，在建模时容易出现“过拟合”、“维数爆炸 等问题，而支持向量机是基于统计学习理论的一种系统辨识方法，能很好地解决小样本、 高维数、非线性和局部极小点问题，具有自动设计模型复杂度和泛化能力强、抗干扰能 力好等优点。这些优势在一些岩土力学【6 l 】以及复杂工业生产过程【6 2 1 中已经体现出来。所 以本文采用支持向量机方法对盾构掘进过程进行建模。 3 1支持向量机的发展 支持向量机是由v a p n i k 及其合作者在1 9 6 3 年提出的基于统计学习理论的一