（机械电子工程专业论文）盾构掘进过程中的自动轨迹跟踪控制技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 盾构是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备 具有开挖切削土体 输送土碴 拼装隧道衬砌 测量导向纠偏等功能 推进系统承担着整个盾构的掘 进任务 要求完成盾构的转弯 曲线行进 纠偏以及姿态控制 使得盾构能沿着 事先设定好的路线前进 是盾构的关键系统之一 由于庞大的盾构机是机 电 光 液多场强耦合的现代复杂机电系统 具有时变性 严重非线性 强耦合 大 突变载荷 远距离传动等特点 因此综合模拟试验台的研制是掌握全断面掘进机 关键技术的有效手段 它为验证各种新型理论的实用性 可行性 可靠性提供了 一定的条件 本论文以盾构推进电液控制系统为研究对象 其主要研究内容如下 第一章首先简述了常见盾构法隧道施工的分类 组成 工作原理 而后介绍 了国内外盾构模拟试验台研究概况 随后介绍了两套常见盾构推进电液控制系统 组成及原理 对其区别和各自优缺点进行了比较分析 最后介绍了国内外盾构位 姿控制研究概况 分析目前实际施工中位姿纠偏中存在的不足 并在此基础上提 出了本课题的研究意义和内容 第二章通过方案论证抽象出盾构机液压推进系统机构简化模型 并以此模型 为基础 建立了双缸系统在转弯或纠偏过程中任一推进行程的运动学模型 随后 对盾构机可能出现的几种基本位姿偏差的纠偏路径进行了具体的最优化设计 并 结合之前建立的模型和 西子号 盾构机施工 结构参数 列举了几种典型工况 下位姿纠偏数值计算结果 第三章首先阐述了推进系统液压负载模拟方案选择依据和推进系统试验台 的工作原理 通过搭建推进系统a m e s i m 仿真模型 验证了土层负载模型的有效 性 并对推进压力和推进速度控制特性进行了仿真研究 随后阐述了盾构掘进过 程中的自动轨迹跟踪控制器的设计及实现方法 并针对某种特定工况采用定值补 偿前馈加上p i d 反馈的串级控制的自动轨迹跟踪控制效果进行了初步的仿真分 浙江大学硕士学位论文摘要 析 第四章为了满足整个系统程序控制 常用信号给定 模拟负载的实施 各种 控制算法在模拟盾构轨迹姿态控制等试验的要求 对现有推进液压系统模拟试验 台电气部分进行了软硬件设计 试验台电气控制系统的硬件设计主要包括电气元 器件选型 多路手动 程控切换电路 软件设计主要包括p l c 开关量控制信号的 给定 l a b v i e w 人机界面的开发以及测控程序的编写 并利用p r o t e u s 和k e i l u s i o n 3 对拉线编码器双向高速计数功能进行了仿真研究 第五章通过理论分析和试验相结合的方法验证了常用控制算法在推进压力 推进速度控制方面的控制效果 进一步 通过列举几种常见施工工况及地质负载 条件 验证了盾构机在不同工作模式下的多执行机构自动轨迹跟踪控制效果 实 验结果表明 在常见的变化不是很剧烈的土层中 利用定值补偿前馈加变增益p i d 反馈串级控制方法进行自动轨迹跟踪控制时 具有超调量小 稳态误差小 调整 时间短的特点 能够满足大部分隧道施工控制要求 关键词 盾构机推进系统 机构建模 路径规划 电液比例控制 推进力 推进速度控制 自动轨迹跟踪控制 串级控制 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s l l i e l dm a c h i n ei sal a 唱e 孤1 dl l i g h t e c hc o n s t n l c t i o ne q u i p m e n ts p e c i a l i yu s e df o r 硼d e 哪u n d 咖l e x c a v a t i o n f u i l c t i o 璐o fc u 优i n ga n de x c a v a t i n gs o i i 仃a n s p o n i n g s o i l 嬲s e i i l b l i n gt u l i l e l l i i l i i l g s m e a l s 耐n g o r i e n t a t i o na n dr e c t i 鸟i i 培t l l ed e v i a t i o na r e i m e 伊砒e di m ot l l em a c l l i n e t l l r u s ts y s t e mi sac r i t i c a lp a i r to ft h es l l i e l dt u i l n e l i n g m a c l l i n e w 1 1 i c ho 髓r sm et l l r u s tf o r c et op l l s ht 1 1 em a c l i n ef o n l a r d 1 a s k so f 廿1 es h i e l d s t e e r i i 坞 o r i e n t a t i o n 砸l dp o s t l l r e 砌砸佃1 e mc 觚b e h i e v e db ym e a 璐o fp r o p e r l y a d j u s t i n gt l l ed i s t r i b u t i o no ft l l r 吣tp f e s s u r ei i lc 0 n e s p o n d i i l gw o f 虹n gz o n e s t h h n g i n t oa c c o 璇tm ec h 觚蛾e r i s t i c so ft i m ev a r i a b l e s 耐o u sn o l l l i n e 甄s t r o n gc o u p l i i l g b i g m 嘣i o n s1 0 a d觚d胁s m i s s i o nw i t h l o n gd i 蛐蛆c e t l l e d e v e l o p m e n t o f c o m p r e h e i l s i v et e s tr i gi sa ne 仃 e c t i v em e a i 塔o fn i 锄e r i i 玛k e yt e c h n o l o g i e so f 缸u f a c e t u l l i l e l i n gm a c l l i n e i ta l s 0c 锄p r 0 v i d ec o n d i t i o i l sf o rt c s t i i 培吐l ep r a c t i c a l 诧a s i b i l 匆 锄dr e l i a b i l 畸o fn e wm e o r i e s t h er e s e a r c ho b j e c to fn l i sp a p i e ri se l e c t r o h y d 训i cc o m r o ls r 咖mo fm m s t s y s t e mo fm es l l i e l dt u 1 1 1 e l i n gm a c l l i n e a n dt l l ei i m i n 陀s e a r c hc o n t e n t so fi ta r e 终 f o l l 0 s i n 也ef i r s tc k 帕r m ec l a s s i f i c a t i o mc o 如p o s i t i o n 锄dc o n 鼬r u c t i o np 畦l l c i p l eo f t l l es m e l d 咖e l i i 唱c o n s 价j c t i o nm e m o d sa r ef i r s t l yi n 仃o d u c e d 锄dm e nt l l er e a r c h s i t u a t i o no fs i r n u l a t i o nt e s tp l a t f o 肌a th o m e 锄db o a r da r ed e s c 曲e d l a t e r c o m p o s i 埴o n 跹dp r i l l c i p l e o f 似oc o m m o ns e t so fh y d r a u l i cn l r u s ts s t e ma r e i l l u 咖t e d m o r e o v e r ac o m p 锄t i v ea i l a l y s i so ft h e i rr e s p e c t i v ea d v 锄1 t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s 嬲w e l l 豁m ed i 仃 e r e n c ea r ec a r r i e do l i t f i i l a l l l y t l l er e s e a r c hs t a t eo f p 0 c o n 仃d la th o m e 锄db o 莉a r e 枷 d u c e d r e s e a r c hc o n t e n t s 锄ds i 萨i f i c 锄c eo f t i l i ss i l b j e c th a v eb e 钮p u tf o r v 训b 嬲i n go n 删y s i so fm ed e f i c i e r l c i e so ft l l ep o c o r r e c t i o ne i s t i n gi l l 也ec t e n ta c 砌c o n s t l l j c t i o n i nm e c o n dc h a p t 1 e c l l a 面c a l 咖c 骶d i a g 姗o f 恤似s y s 钯mi sf i r s n y e s 讪l l i s h e db 勰e do nt l l ec o 咖t i o ns i t ei n v e s t i g a t i o n 锄ds c h e l n e sc o m p a r i s o n m o r e o v e r k i l l e m a t i c sm o d e l i n go f l e 吐m l s ts y s t e mi 1 1o n et l m i s ts 们k eu i l d e r 啦e 血g 0 rr e c t i 母i n gw o r k j n gc o n d i t i o ni sp r e s e n t e db 硒e d0 n 血em o d c l as e t0 fs c i e n t i f i c 锄d h i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t c o m p l e t eo r i e n t a t i o n 锄dp o s t u r er e c t i 6 c a t i o n 鲫阻 t e g i e sh 雒b e e np u tf o 刑a r dt 0 o v e r c o i n et l l e d e f i c i e n c yo fm ec o i e n t i o n a l m e t l l o d sa 1 1 da c h i e v et l l eo p t i m a l r e c t i f i c a t i o nc o n 们l0 fs 1 1 i e l di n a c l l i n e t h e nb yc o m b 蛐gt 1 1 eo p t i m a lr e c t i f i c a t i o n g 昀t e g i e sw i t l lc o n s 们j c t i o n 锄ds 仉j c t u r ep a r 锄e t e r so fac o m m o nk i n do fs l l i e l d m a c l i i n e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t su n d e r v e r a lt r p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o 璐a r e d e v e l o p e da t1 a s t i n 也et h i r dc h 印t e r s c h e r n es e l e c t i o no fm eb y d r a u l i cl o a ds i m u l a t i o no ft b 九i s t s r s t e ma n dp r i n c i p l eo fh y d 洲i ct 1 1 l 吣ts y s t 锄t e s t 啦o fs 1 1 i e l dm a c m n ea r e i l l u s 把a t e da tf i r s t b ye s t a b l i s l l i n gt 1 1 ea m e s i ms i m u l a t i o nm o d e lo fm et h m s ts y s t e m v a l i d 时o fh y 出叭l i cl o a ds i m u l a t i o nm o d e li sv e r i f i e dp r e l i m 吼强dm e ns i m l a t i o n r e s e a r c h e so nr e g u l a l i o nc h a r a c t e r i s t i co fp i da l g o r i 璐i l 培i f lt l l r u s tp r e s s u r ea i l d t 1 1 r u s ts p e e da r ec a 而e do u t l a 僦 d e s i 印觚dr e a j i z 觚o nm e t h o do fn 面e c t o 巧a n d a t t i t i l d ec o m p o u i l dc o 曲的l l e ra r ee x p o u i l d e d i n 献l u s i o nt 0ap 枷c u l a re x c a v a t i o n c o n d i t i o i l ap r e l i i l l i i l a 巧s h u l a t i o na n a l y s i so fm ea u t o m a t i c 匐嘲e c t 0 巧仃a c b n g c o n 臼o lb yu s i i l gm ef i x e d v a l u ec o m p e n s a t i o nc o m r o l 蹈f e e d f o r dc o m r o l l e r 觚d p i d 弱f e e d b a c kc o r l 仃o l l e ri sd i s c u s s e da t1 a s t i n 吐l ef 0 似h c h 印t e r t l l eh 捌眦睇a n ds o d e s i 弘o f t l l ee l e c t r i c a lp a no f t l l e e x i s t i n gh y d r a u l i c 廿l m s ts y s t e ms i m u l a t i o nt c s tp l a t f o mi sd e s i g n e da c c o r d i i 坞t 0t l l e m o i l i t o r i i 培d e m a r l d s t a s k so fi i i l p r 0 v e m e n ti i l 也eh a r d a r ec o m a i n sc o m p o n e 鹏 s e l e c t i o i l d e s i 印锄dd e b u g g i n gw o r ko fm 锄u a l a u t o i n a t i ce l e 嘶cc o n 仃o ls 诵t c h c i r c u i tb yu s i n gt l l ec o n l b i i 嫩i o nc i r c 晡to fp h o t o e l e 嘶cc o u p l e r r e l a ya n dd i o d e 1 1 1 e s o 危w a r ed e s i g ni i l c l u d e sg i v e no fs 谢t c 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l i e l di i l a c h i n ew o r k si i lt l l e i v 浙江大学硕士学位论文 a b s l r a c t g e n t l ec h 锄g i n gs o i l l a y l e 聊s e dc o n 臼 o la l g o r i m mc 锄如l f i un l ea u t o 姒t i c 扛匈e m o 巧仃a c l i n gc o m r 0 1w i ms l l o r tr e s p o n s et i m e 锄ds m a l lo v e r s h 0 0 ta i l ds t e a d y e m r v t l i c hc a nm e e t st l l er e q u i r e m e n t so fc o m m o nt u n n e lc o n 舭t i o np r o j e c t s k e yw o r d s h y d r a u l i ct h n l s ts y s t e m m e c h a l l i s mi n o d e l p a mp l a i l e l e c 仃 0 一 h y d r a u l i cp r o p o n i o n c o m r o l t l l 吣p r e s s u r ea n d 廿1 1 1 1 s ts p e e dc o n 廿o l a u t o m a t i c t 啊e c t o 巧乜a c l i 1 1 9c o n t r o l c a s c a d ec o n t r 0 1 v 浙江大学硕上学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 首先简述了常见盾构法隧道施工的分类 组成 工作原理 而后介绍了国内 外盾构模拟试验台研究概况 随后介绍了两套常见盾构推进电液控制系统组成及 原理 对其区别和各自优缺点进行了比较分析 最后介绍了国内外盾构位姿控制 研究概况 分析目前实际施工中位姿纠偏中存在的不足 并在此基础上提出了本 课题的研究意义和内容 1 1 盾构机概述 盾构是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备 现代盾构集机 电 液压 测量导向 控制 材料等多学科技术于一体 具有开挖切削土体 输送土 碴 拼装隧道衬砌 测量导向纠偏等功能 广泛应用于隧道 地铁 市政管道 水电 国防建设等施工过程中 盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线 边向前推进边对土壤进行掘削的过程 这个钢结构组件对挖掘出的还未衬砌的隧 道段起着临时支护的作用 支撑周围土体的土压 承受地下水的水压以及将地下 水挡在盾壳外面 掘进 排土 衬砌等作业均在盾壳的掩护下进行 1 圳 图1 1 所示为盾构隧道施工法工作原理简图 图1 1盾构隧道施工法工作原理简图 采用盾构施工速度快 自动化程度高 全断面隧道一次成型 有利于环境保 护和降低施工劳动强度 而且盾构地层适用范围广 从软土 淤泥到硬岩都可应 浙 j 人 z 硕上 z 能论文第1 筝绪沦 用 施工质量高 可严格控制地面沉降 统的隧道工程相比 具有明显的优势 5 1 开挖时不影响地面上建筑和交通 与传 此外利用盾构法进行隧道施工也存在以 下不足之处 首先盾构机购置费用昂贵 施工距离较短时不太经济 盾构机施工 场地转移 施工现场组装及调试工作量大 盾构机用于小曲率半径隧道施工时 掘进较困难 隧道施工埋深较浅或饱和含水松软的土层中 地表沉降量难以控制 1 2 常见盾构法隧道施工技术 现代盾构虽然在机械液压部件结构 驱动方式 自动化程度 测控导向纠偏 等方面做了很大的改进 但是工作面压力平衡的原理和方法一直沿用至今 当今 盾构基本都是基于土压平衡和泥水平衡这两种模式 或是这两种模式的组合形成 复合盾构以适应地层条件多变的隧道施工的要求 1 2 1 土压平衡盾构 e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e 土压平衡式盾构机主要由盾体 刀盘驱动系统 液压推进系统 管片拼装系 统 螺旋输送机系统 同步注浆系统以及盾尾密封系统等构成 它是在盾构前部 增设一道密封隔板 把盾构开挖面与隧道分隔开来 使承压隔板与开挖面土层之 间形成一密封土仓 另外通过密封隔板装有螺旋输送机 当盾构由推进液压缸向 前推进时 刀盘旋转切削开挖面的泥土 破碎的泥土通过刀盘开口进入密封土仓 泥土落到土仓底部后 必要时添加辅助材料与渣土充分混合 并通过螺旋输送机 运到皮带输送机上 然后输送到停在隧道上的渣车上 盾构在推进油缸的推力作 用下向前推进 每推进一环 通过盾尾六自由度管片拼装机将预制好的管片放置 在相应的位置上 图1 2 所示为常见土压平衡式盾构结构模型图 土压平衡盾构 主要适用于粉土 淤泥质粉土 粉质粘土 粉砂层等粘稠土壤的施工 浙江火学硕士学化论文 第l 幸绪论 刀盘 密封土舱 承压隔板 推进油缸 螺旋排土器 管片拼装机 管片环 图1 2 土压平衡式盾构机结构模型图 土压平衡盾构机开挖面稳定机理 土压平衡盾构将刀盘开挖下来的土渣填满 土仓 借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压 产生泥土压力 这一压力作 用于整个开挖面 使开挖面稳定 刀盘切削下来的渣土量与螺旋输送机向外输送 量相平衡 维持土仓压力稳定在预定的范围内 土压平衡盾构开挖面的稳定由下 列各因素的综合作用而维持 土仓内的土压力平衡地层压力和水压力 通过调节 盾构机推进速度和刀盘转速控制进土量 通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门 的开度控制出土量 适当保持泥土的流动性 根据需要调节添加剂的注入量l 6 i 1 2 2 泥水平衡盾构 s l u r r yp r e s s u r eb a i a n c es h i e l d 泥水平衡盾构机工作原理为送泥泵从设置在地面的调浆池抽取泥水 水与膨 润土的混合物 经送泥泵以及送泥管路送入到泥水盾构的泥水仓 在泥水仓内 充满压力的泥水贯入地层若干厘米深 使膨润土嵌入到土颗粒的缝隙里 使开挖 面的土层变得稳定和不透水 通过泥水盾构的刀盘旋转切削 使开挖面的土体与 泥水仑内的膨润土浆液混合后 通过排泥泵和隧道内的中继泵经由排泥管道后泵 送到地面上的泥水分离站 泥水分离站将开挖的渣土从膨润土浆液中分离出来 分离出来的泥水进行质量调整后可循环使用 再通过送泥泵送入到泥水盾构的泥 水仑 图1 3 为常见泥水平衡式盾构机结构模型图 泥水盾构适用于冲积形成的 砂砾 砂 粉砂 黏土层以及含水率大开挖面自稳性不好的地层 刀盘 泥水仓 推进油缸 送泥管 气压仓 沉浸墙 管片 管片拼装机 图1 3 泥水平衡式盾构机结构模型图 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 开挖面稳定机理 泥水平衡盾构通过利用循环悬浮液的体积变化对泥浆的压 力进行调节和控制 采用膨润土悬浮液 泥浆 作为支护材料 开挖面的稳定是 将泥浆经送泥泵送入泥水室内 在开挖面上形成不透水的泥膜 通过该泥膜的张 力保持水压力 以平衡作用于开挖面的土压力和水压力 泥水仓中泥浆压力可通 过调节送泥泵的转速和调节控制阀的开度来进行 通过控制进入泥水室的泥浆量 与从泥水室中排出泥浆量相平衡来维持开挖面的稳定 6 l 1 3 盾构模拟试验台国内外研究概况 由于盾构施工环境恶劣 在城市地下施工中对地表沉降量要求极高 以及为 了保证庞大的盾构机在不同地质条件下施工的安全性 这极大地限制了各种理论 研究成果在实际盾构机上的运行和应用 而且庞大的盾构机是机 电 光 液多 场强耦合的现代复杂机电系统 具有时变性 严重非线性 强耦合 大突变载荷 远距离传动等特点 现有数学和力学模型在描述掘进载荷时的局限性 施工方式 的灵活性和参数匹配的复杂性等方面存在各式各样的不足 只有通过反复的试验 验证探索出全断面掘进机的参数优化设计方法 因此 综合模拟试验是掌握全断 面掘进机关键技术的有效手段 它为验证各种新型理论的实用性 可行性 可靠 性提供了一定的条件 1 3 1 国外研究概况 国外对于盾构施工技术的研究始于1 8 世纪末 经过两百多年的发展 其设 计理论 加工制造以及安装调试技术取得了极大程度的发展 伴随此过程盾构机 制造厂商 科研机构以及高等院校也搭建了大量的试验台 总体来说 这些模拟 试验台主要分为以下几类 1 研究盾构掘进引起的地层位移场变化的试验台 图1 4 所示为加拿大 m c g i nu i l i v e r s 时研制的盾构掘进模拟实验台 实验中土箱的尺寸为1 4 1 2 o 3 m 该实验台主要用于模拟盾构机在不同上覆土层 不同埋深比条件下应力变 化规律阴 图1 5 所示为日本硒n bu l l i v e r s 时研制的盾构掘进模拟实验台 该 实验台通过离心模拟试验研究隧道掘进过程中管状支撑结构以及不同掘进方法 下开挖面上方地层位移变化情况嘲 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 s 瓣i t a c k 善啦撇j d 1 1 1 h j d d i 喇 j s h l c j dc 唯 i i 叩 c a p r 埋d i i f x 匦 图1 4 a m c g i l lu n i v e r s 时试验台结构示意图图1 4 b 试验台土箱土层分布情况 图1 5 a k i n k iu n i v e r s i t y 试验台实物图图1 5 b 桶形容器中主要设备布置方式 2 研究盾构掘进施工性能的模拟试验台吼图1 6 为日本大丰公司研制的盾 构掘进模拟试验台 试验用模拟土箱较小 盾构机模型与实体接近 加载装置用 于模拟盾构机施工地质环境 整个试验台基本能够完整模拟整个掘进过程 图 1 7 为日本西松公司的盾构掘进模拟试验土箱实物图 图1 6 大丰公司盾构掘进模拟试验台图1 7 西松公司盾构掘进模拟土箱 3 研究盾构部件的试验检测装置 图1 8 所示为意大利某隧道地下空间技 浙江人 z 硕上 化论文笕1 节绍沦 术研究中心研制的盾构机螺旋排土实验装置 实验用螺旋输送机长15 0 0 m m 与水平面呈3 0 放置 该试验台主要用于研究具有不同特性土体 含水量 坍 落度 泡沫的注入比f i r 向外排出过程中密闭容腔 螺旋输送机中压力分布规 律以及螺旋输送机正常旋转所需扭矩 并将实验结果用于实际隧道施工的土体改 良中 l o 图1 8 螺旋输送机排土装置 图1 9s f r c 管片弯拉强度试验装置 图1 9 所示为德国某研究中心研制的用于测试钢筋网混凝土 s f r c 管片 弯拉测试实验装置 该装置主要对自行设计的s f r c 管片的耐久性 抗弯拉强度 等参数进行测试 1 3 2 国内研究概况 随着我国城市交通道路建设需求增长 隧道开挖机械行业取得了巨大的发 展 国内对盾构施工技术的探索主要呆用引进 消化吸收国外先进技术到已逐步 发展成为能够生产具有一定自主知识产权的盾构机 近年来国家对大型掘进装备 制造产业投入的增加 各大隧道建设企业和高校走产学研的发展道路 已联合搭 建了大量的模拟试验装置 部分理论成果已成功应用于实际隧道建设中 为我国 大型掘进装备制造业的发展打下了坚实的基础 2 0 0 4 年2 月 上海隧道股份有限公司联合浙江大学 同济大学等研制成功 中1 8 0 0 m m 模拟盾构机 如图1 1 0 所示 该模拟盾构掘进机可以开展部分盾构掘 进土层和掘进机性能参数的综合试验 但是难以对掘进过程中地质参数 掘进试 验参数 土层扰动和地表变形等之间的相互影响关系进行有效的分析 对指导实 际盾构的加工设计制造和相关技术支持具有一定局限性i 2 6 浙汀大学硕上学位论文 第l 章绪论 图1 1 1 所示为同济大学模拟试验台原理图 整个系统包括试验土箱 模型 盾构机 驱动系统以及数据采集系统等四大部分 模型土箱呈长方形状 其尺寸 为2 4 2 4 1 2 m 该试验台采用室内模型试验的方法 可开展在不同埋深比 不同刀盘开口率 不同推进速度以及不同螺旋机转速等施工参数条件下的盾构掘 削模型试验 通过对试验结果的整理与分析 得出了土仓压力与排土效率 单位 时间排土量与推进速度 推力和扭矩之间的关联关系 以及隧道埋深 刀盘开口 率 推进速度对推进力和扭矩的影响 l3 1 画 一 i 羔 享 窖玎 善 o 笸趟 占 嚣l 嚆甾畀一 器乎雩莓再 图1 1 0 中1 8 0 0 m m 盾构模拟实验装置图1 1 1 同济大学盾构模拟试验台 图1 1 2 所示为清华大学自主研制的基于相似理论构建的书6 2 5 m 土压平衡 盾构1 1 0 巾6 2 5 m m 缩尺试验台 通过控制模拟加载机构驱动支链电机 模拟 土压平衡盾构不同状态下地质环境变化和性能 同时获得力和位移信号 试验台 可模拟盾构直线进给和姿态调整两种掘进过程 以及多种复杂地质条件下掘进过 程中的盾构动态特性 1 4 图1 1 2 中6 2 5 m m 盾构模拟实验装置 图1 1 3 所示为中南大学自主研制的直线式及回转式刀具切削试验台 试验 台尺寸为4x2 3 5 m 承载能力为4 5 t 可实现单刀直线切削 进行单因素和多 因素刀具切削性能试验 进行岩石和刀具特性的压痕实验 可通过更换刀座来改 浙江大学硕j 挲化论文 第l 帚绪论 变不同的切削刀具进行试验 回转式刀具切削试验台如图1 1 3 b 所示 试验 台尺寸为 6 m 2 5 m 3 5 m 能承受大扭矩 大偏载 采用基于i p c p l c p r o f i b u s 现场总线的分布式电控系统 采用电液比例驱动 可实现恒切深进给 恒压力进给和连续切削等工作模式 通过变换刀架与刀具结构 可进行不同刀具 组合切削实验 1 5 1 6 1 图1 1 3 a 直线式刀具切削试验台图1 1 3 b 回转式刀具切削试验台 从以上介绍的盾构模拟实验台来看 目前建立的盾构模拟实验台规模都比较 小 模拟掘进机简化过多 模拟掘进环境与实际掘进环境有较大的差异 过度简 化的模拟载荷土层很难反映实际工况 对盾构掘进过程中机电液控制技术研究较 少 缺乏将全断面掘进机机械液压结构参数 施工参数 地层特性和土体变形联 系起来的综合试验研究 1 4 盾构推进系统电液控制技术 盾构掘进机具有传递功率大 负载多变 运动复杂 控制精度和可靠性要求 高 安装空间小和工作环境恶劣等特点 因此先进的盾构掘进机几乎都是靠液压 系统来实现动力的传递 分配与控制 1 7 8 1 推进系统承担着整个盾构的掘进任务 要求完成盾构的转弯 曲线行进 纠 偏以及姿态控制 使得盾构能沿着事先设定好的路线前进 是盾构的关键系统之 一 1 9 2 0 1 图1 1 4 为德国海瑞克公司生产的盾构机推进液压系统原理图 推进系统将 1 6 个液压缸分为a b c d 四个区 进行分组分区控制 图1 1 5 为推进系统 液压缸分区布置图 一种主要分区方法是上区 左区 右区 下区为3 4 4 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 5 的比例 下区的液压缸数量比较多的原因是 盾构头部 刀盘部分 比较重 在土层中会使盾构主机有头部下沉的趋势 另外一个原因是土压水压随着土层埋 深增加 压力也在增加 由于掘进是在开挖面压力平衡的前提下进行的 这也要 求下区的推进力较大 该系统由恒压变量泵 a 1 0 v s o 和比例调速阀组成容积节 流调速回路 变量泵根据比例调速阀的设定值自动适应系统所需要的流量 在推 进模式下 变量泵输出压力p 4 p 其中p 一为各分区驱动负载所需的最 高压力 4 p 是保证比例调速阀稳定正常工作时所需的压力差 也就是说变量泵 的输出压力p 敏感最大负载压力口1 2 5 1 图1 1 4 海瑞克盾构机推进液压系统原理图图1 1 5 推进液压缸分区布置图 图1 1 6 为日本川崎 小松公司的盾构机推进液压系统原理图 推进系统也是 分为a b c d 四个区 采用分组分区控制方式 系统采用比例变量泵 硒v 供油 变量泵的排量大小通过调节比例减压阀的输出压力来控制 变量泵一方面 向减压阎输出相应的油液 另外一部分油液通过旁路节流阎流回油箱 节流阀相 对开口较小起到一定的补偿作用 2 6 1 9 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 p p 2 1 0 7 p 0 2 o e 图1 1 6 a 川崎盾构推进液压系统原理图图1 1 6 b 小松盾构推进液压系统原理图 每组液压缸的推进力由各个分区的比例减压阀的设定压力决定 在施工过程 中 根据盾构机出现的各种工况分别对减压阀的输出压力进行无级调节 其控制 机理与海瑞克盾构相同 系统中采用比例减压阀控制液压缸的输入压力 但是压 力阀在实现压力稳定的前提下不能稳定通过减压阀的流量 通过减压阀的流量在 先导控制阀溢流所需要的流量与阀的额定流量之间变化 9 1 综上所述 目前国外几家盾构机公司的推进液压系统控制机理大致相同 首 先 推进油缸的布置都是采取的分组分区控制模式 这样可以简化系统结构 减 少操作变量个数 减轻施工人员劳动强度 提高施工效率 其次 都是比例压力 控制系统 通过调整比例压力阀输入信号值大小可对各分区推进压力实现分区协 调控制 再次 控制系统均采用开环控制方式 不同之处是这几家盾构采用的阀 组形式不同 第一 海瑞克公司采用比例溢流阀加比例调速阀控制模式 可分别 实现对推进压力和推进速度进行控制 而日系盾构采用的是比例减压阀控制模 式 严格意义上只能实现对推进压力进行控制 第二 由于四个分区均采用一个 变量泵供油 液压泵输出压力只能敏感各分区最高负载压力 虽然都是通过液压 阀内部的压力补偿器的补偿功能实现节流降压的 但是海瑞克盾构机使用的是安 置在比例溢流阀上游的比例调速阀作为压力补偿器来实现节流降压 而日系盾构 机是通过三通比例减压阀或先导比例减压阀实现节流降压 第三 系统效率上 l o 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 海瑞克液压系统有节流损失和溢流损失 日系液压系统仅存在小部分的节流损 失 系统效率较高 1 5 盾构机位姿控制国内外研究概况 盾构施工过程中 受施工环境和掘进机运行工况等不确定因素影响 庞大的 盾构机推进的轨迹实际上由多条折线组成 整体来看呈蛇形状 盾构推进位姿的 高精度控制一直是隧道工程施工的重点和难点 它直接关系到隧道成形质量 要 实现高水平的姿态实时控制 除须具备高精度的盾构姿态测量手段外 如何实施 高精度控制手段是关键 如前所述 盾构机是一个机 电 光 液多场强耦合的 现代复杂机电系统 难以准确地建立盾构在推进过程中的数学模型 传统的控制 方法难以在盾构的位姿控制中得到应用 早期国内外学者对盾构机位姿控制特性 研究主要采用的是基于模糊控制理论的方法 随着盾构施工经验的累积和模糊控 制理论的发展 模糊控制便广泛应用于盾构机位姿控制这一类难以建立精确数学 模型的过程 随着控制理论的进一步发展 人们开始着手研究基于姿态精确测量 的推进过程位姿控制模型 基于模型的基础上提出相应的控制方法已经成为盾构 机位姿实时控制的必然趋势 虽然目前在这方面的研究比较少 但已经取得了可 喜的成就 为大型掘进装备的全自动化施工奠定了基础f 2 7 1 5 1 国外研究概况 随着自动化技术的广泛应用 国内外一些学者对盾构机位姿的自动控制进行 了研究 目前这些研究还主要集中在少数盾构技术发达的国家 如日本 法国 德国 美国等 2 8 啦 桑原洋等人 3 3 1 于1 9 8 8 年在盾构机方向控制上成功应用了模糊控制理论 并 首次提出了单向推进度的概念 其具体定义如式 1 1 所示 s 万 l 一 疗 式中万 单向推进度 岛 某一推进液压缸距离盾构机中心的距离 所有推进液压缸中距盾构机中心最远距离 疗 正在使用的推进液压缸数目 l l 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 其盾构机运行方向的模糊控制原理如图1 1 7 所示 图1 1 7 方向模糊控制的构造图 桑原洋等采用该种方法通过实例试验分析验证了模糊控制在盾构掘进控制中 的可行性及适用性 仓冈丰1 9 9 1 年在日本福田市高速铁道l 号线延伸段施工中 应用了模糊自动控制理论进行掘进管理 3 4 1 取得了比较满意的效果 浦泽仪 江良嘉宏等介绍了应用于某深长隧道施工中的基于模糊理论和人工智能的控制 系统 3 5 1 在盾构推进系统的运动特征建模方面 洒井邦登 3 6 3 7 1 等人1 9 8 7 年采用卡尔曼 滤波理论 k a m a nf i l t 盯t h e o r y 进行盾构机运动特性的预测控制 提出了相应的 掘进方向控制方法 但是卡尔曼滤波理论非常繁琐 并且要进行大量的回归分析 工作 这极大的限制了该种预测控制方法在盾构机建模方面的应用 1 9 9 2 年 清水贺之等人着手应用现代控制理论对盾构掘进机的位姿控制开展了一系列相 关研究 通过大量模型实验 建立描述盾构机的运动模型 并采用极点配置方法 进行控制系统的设计 3 8 4 0 1 m a y n a r 等利用离散数字模型方法对盾构掘进过程中 的特性进行分析 得出了推进力和扭矩之间的关系 4 1 1 m 2 l s h i n l o 4 2 4 3 等建立了 管片拼装过程中盾构机行为特性的数学模型 m i t s 蛐s u g i i n o t 0 等人于2 0 0 2 年 提出了盾构机掘进过程中的动态土体载荷理论模型的计算过程i 俐7 该模型考虑 了实际掘进过程中开挖面积 盾尾间隙 刀盘旋转方向 盾体滑行 土地的松动 以及动态平衡条件等情况 基于该模型开展了大量的数值计算仿真分析 计算结 果和以往的实际施工测试数据吻合度很好 通过进一步的理论分析确认提出的模 型可以很好的描述盾构的掘进过程 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 5 2 国内研究概况 由于我国盾构设计和制造起步较晚 国内盾构技术的发展尚处于研发与逐步 国产化阶段 国内学者对位姿控制理论的系统研究成果还相对较少 现有研究大 多数都是集中在消化吸收国外设备 保证施工质量和施工效率 目前国内掘进装 备的位姿控制主要由操作人员根据掘进装备当前的位姿偏差进行人工调整来实 现 纠偏效果往往取决于盾构司机的经验 所以纠偏控制效果势必受到盾构机司 机人为因素的影响 控制效果难以保障 李惠平等 4 9 1 对盾构机的姿态控制进行了模糊控制方法的研究 针对盾构多 变量控制的特点 提出一种 先分后和 的模糊控制器的设计思路 这一方法大 大减少了控制规则的数量 而且使控制器的性能易于调节 仿真结果表明了该方 法的有效性 但是该方法只局限于理论上的研究 并没有应用于具体的实际施工 中 杨宏燕等 5 0 1 建立了盾构掘进方向控制模型 而且为了克服现有盾构机掘进方 向的模糊纠偏控制不能适应各种不同工况条件而导致无法达到渐进纠偏和纠偏 过程缓慢性的缺陷 发明了两种控制方法 1 利用虚拟轨迹对盾构机掘进方向 进行控制 2 将盾构机方向误差和方向误差变化作为纠偏控制器输入的方法 实践证明该方法可以成功应用于实际隧道施工工程 国内在掘进数学模型研究方面 同济大学朱合华 徐前卫 5 1 5 4 1 做了大量的研 究 采用室内模型试验的方法 开展了不同施工参数条件下盾构掘削模型试验 得出土仓压力与排土效率 单位时间排土量与推进速度 推力 扭矩之间内在联 系 以及隧道埋深 刀盘开口率 推进速度对推力和扭矩的影响 河海大学谈小龙等 5 5 1 通过分析盾构机受力情况 并参考其他学者盾构机运动 力学模型 解释了盾构推进姿态参数即位置偏差和角度偏差和盾构载荷参数的相 互关系 广州盾建地下工程公司张厚美等 5 6 应用正交试验设计技术 进行盾构掘进参 数组合试验 采用多元统计分析方法 对土仓压力 推力 刀盘转速等主要掘进 参数对掘进速度 刀盘扭矩的影响进行了研究 得到了土压平衡式盾构在软土中 的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学模型 模型平均误差为1 0 大连理工大学杨霞等f 2 7 通过建立盾构机的载荷模型 建立了盾构机的运动学 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 和动力学方程 采用p r o e 和a d a m s 软件以及m a t l a b 软件对其动力