【摘要】：泥水盾構(gòu)機(jī)是一種以膨潤土泥漿支撐開挖面的集推進(jìn)、襯砌、泥水環(huán)流和氣體保壓等為一體的技術(shù)密集型隧道建設(shè)裝備,在泥水支護(hù)壓力和實(shí)際水土壓力之間建立有效的平衡關(guān)系是保證盾構(gòu)掘進(jìn)中開挖面穩(wěn)定和安全高效施工的重要基礎(chǔ)。但現(xiàn)有理論研究和施工技術(shù)均未查明泥水支護(hù)壓力和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系,也未有效處理泥水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)所面臨的時(shí)變延時(shí)和復(fù)雜干擾等關(guān)鍵問題,使得依賴工程經(jīng)驗(yàn)而手動(dòng)操控的泥水壓力常存在時(shí)滯和偏差等不利現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)和地表隆沉等重大事故。鑒于此,很有必要深入研究泥水支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜動(dòng)特性,并建立泥水壓力和掘進(jìn)參數(shù)之間可靠的映射模型,進(jìn)而為調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供最優(yōu)的參考信號,以最終實(shí)現(xiàn)對水土壓力期望值的精確跟蹤和開挖面的穩(wěn)定控制。本課題以河南省重大科技專項(xiàng)為依托,基于泥水盾構(gòu)掘進(jìn)原理和京沈望京鐵路隧道施工數(shù)據(jù),建立了泥水壓力動(dòng)態(tài)平衡的多步超前預(yù)測控制系統(tǒng),在處理好泥水環(huán)流系統(tǒng)和氣體保壓系統(tǒng)之間邏輯控制順序的前提下,在線輸出泥水液位和氣體壓力的最優(yōu)值,即為泥水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了有效的跟蹤目標(biāo)�；诖�,設(shè)計(jì)了泥水液位和氣體壓力的魯棒控制系統(tǒng),并提出了相應(yīng)的全局最優(yōu)性能指標(biāo)以完成對控制器參數(shù)的整定;為進(jìn)一步提高所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在泥水盾構(gòu)施工中的實(shí)用性,設(shè)計(jì)了由被控對象實(shí)際響應(yīng)誤差在線驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)綜合控制系統(tǒng),該基于在線整定方法的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對泥水液位和氣體壓力的實(shí)時(shí)精確跟蹤。綜上,便完成了對泥水盾構(gòu)掘進(jìn)中泥水壓力動(dòng)態(tài)平衡自適應(yīng)控制的理論研究,并且本課題也設(shè)計(jì)了φ2.5m泥水盾構(gòu)環(huán)流試驗(yàn)臺(tái),為驗(yàn)證與完善本論文的研究成果和解決泥水盾構(gòu)施工中存在的實(shí)際問題均提供了良好的測試平臺(tái)。本論文的主要研究工作如下:1.綜述了泥水盾構(gòu)技術(shù)的工程背景和國內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀,介紹了泥水盾構(gòu)施工和泥水壓力平衡控制的基本原理,整合了有關(guān)研究成果及其不足之處,為本課題的科研工作奠定了基礎(chǔ)。2.設(shè)計(jì)了泥水壓力動(dòng)態(tài)平衡的模型預(yù)測控制系統(tǒng)(MPC),其結(jié)構(gòu)包括用于辨識(shí)泥水壓力與掘進(jìn)參數(shù)之間復(fù)雜關(guān)系的對角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DRNN)、基于DRNN多步超前預(yù)測且以泥水液位和氣體壓力為主要控制變量的優(yōu)化控制器和改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法(EPSO)�；谥芷谛员O(jiān)督算子和變異算子的EPSO能夠同時(shí)更新DRNN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和權(quán)重參數(shù),以使其更好地適應(yīng)地質(zhì)條件和掘進(jìn)工況。將EPSO與泥水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的邏輯控制順序融合后用于求解優(yōu)化模型,使優(yōu)化控制器能夠顯著改善泥水環(huán)流系統(tǒng)的延時(shí)問題,進(jìn)而在線提供泥水液位和氣體壓力的最優(yōu)值。仿真結(jié)果表明所提出的多步超前預(yù)測控制方法能夠精確地跟蹤期望的水土壓力和顯著提高泥水支護(hù)系統(tǒng)的魯棒性,并且EPSO算法比經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化算法(PSO)、遺傳算法(GA)和動(dòng)態(tài)反向傳播算法具有更高的收斂速度與精度。3.設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)的斯密斯預(yù)測器的動(dòng)態(tài)滑模控制系統(tǒng)(MSP-DSMC)和基于干擾觀測器的動(dòng)態(tài)滑�？刂葡到y(tǒng)(DO-DSMC),分別用于泥水液位和氣體壓力的控制。MSP模型能夠顯著提高DSMC主控制器的跟蹤特性,且MSP-DSMC系統(tǒng)能在有效補(bǔ)償泥水液位調(diào)節(jié)中時(shí)變大延時(shí)的條件下,實(shí)現(xiàn)對設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)和干擾抑制的解耦控制,進(jìn)而可獨(dú)立設(shè)計(jì)主控制器DSMC和干擾抑制器。DO-DSMC系統(tǒng)通過自動(dòng)估計(jì)外界干擾并建立相應(yīng)的滑模面,能夠?qū)崿F(xiàn)對氣體壓力設(shè)定值的有效跟蹤。并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性原理證明了DSMC控制器的穩(wěn)定性。4.為MSP-DSMC和DO-DSMC控制系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了能夠有效平衡設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)、干擾抑制和控制律平滑等因子的整定指標(biāo),該指標(biāo)也能保證控制器對系統(tǒng)參數(shù)變化、建模誤差、復(fù)雜干擾和時(shí)變延時(shí)的魯棒穩(wěn)定性。為求解控制器整定的優(yōu)化模型,將相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)與遺傳參數(shù)相結(jié)合,并重點(diǎn)改良遺傳算子和重組參數(shù),設(shè)計(jì)了基于監(jiān)督算子的面向?qū)ο蟮倪z傳算法(OGA),將其用于整定控制器時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)異的全局搜索能力和收斂性質(zhì)。仿真表明經(jīng)整定后的MSP-DSMC與DO-DSMC系統(tǒng)均能夠精確并魯棒地跟蹤其設(shè)定值,并在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)沒有超調(diào)量,適合用于泥水壓力的調(diào)節(jié)控制。并且設(shè)計(jì)了由在線誤差驅(qū)動(dòng)的泥水液位和氣體壓力實(shí)時(shí)綜合控制系統(tǒng),仿真結(jié)果也表明該系統(tǒng)經(jīng)在線OGA整定后能夠?qū)崿F(xiàn)對被控目標(biāo)精確的實(shí)時(shí)跟蹤,即提高了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在泥水盾構(gòu)施工中的實(shí)用性。5.在完成對泥水壓力動(dòng)態(tài)平衡自適應(yīng)控制的理論研究后,設(shè)計(jì)了具有盾構(gòu)掘進(jìn)負(fù)載模擬、泥水壓力平衡控制、泥水環(huán)流模擬和氣體保壓功能的φ2.5m泥水盾構(gòu)環(huán)流試驗(yàn)臺(tái),詳細(xì)描述了試驗(yàn)理論、設(shè)計(jì)原理、參數(shù)計(jì)算和試驗(yàn)臺(tái)的布局規(guī)劃,并進(jìn)行了對泥水倉內(nèi)環(huán)流系統(tǒng)的仿真分析,為驗(yàn)證與完善本論文的研究成果和將試驗(yàn)結(jié)果用于改善盾構(gòu)實(shí)際施工技術(shù)均提供了重要基礎(chǔ)。6.總結(jié)了本論文的主要研究成果,并指出可基于此進(jìn)一步開展的研究內(nèi)容和方法,便于相關(guān)學(xué)者深入開展科研工作。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U455.31;TP273
【圖文】：

了國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略。比如為了緩解與日俱增的交通混雜與擁堵壓力，上海己經(jīng)計(jì)劃、并正逡逑在建設(shè)龐大的地下高速公路網(wǎng)而隧道在這些工程中所起的重要作用也不言而喻。逡逑如圖１．１所示，目前的隧道施工技術(shù)主要有鉆爆法、盾構(gòu)法、ＴＢＭ邋（Ｈａｒｄ邋Ｒｏｃｋ－ｔｙｐｅ邋Ｔｕｎｎｅｌ逡逑Ｂｏｒｉｎｇ邋Ｍａｃｈｉｎｅ）、明挖法和沉管法［５１，而盾構(gòu)工法和ＴＢＭ因地層適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境干擾小、施工速逡逑度快和成洞質(zhì)量好，被廣泛應(yīng)用于交通、市政、水利和燃?xì)廨斔偷雀鞣N隧道的建設(shè)盾構(gòu)機(jī)是逡逑一種專用于地下隧道開挖的集機(jī)、電、液、光和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的技術(shù)密集型工程裝備，現(xiàn)在逡逑正朝著大直徑、大推力、大扭矩、多樣化和無人值守的智能掘進(jìn)裝備方向發(fā)展Ｉ７】。但由于施工環(huán)逡逑境復(fù)雜、地質(zhì)信息定量探測不精確、巖體力學(xué)信息動(dòng)態(tài)獲取不及時(shí)、巖－機(jī)作用信息融合與互饋不逡逑可靠和掘進(jìn)參數(shù)工況自適應(yīng)較差，盾構(gòu)機(jī)在施工中也容易遇到開挖面失穩(wěn)、姿態(tài)偏航、刀具磨損逡逑和停機(jī)誤工等問題叭因此對其施丁．的信息化程度、掘進(jìn)狀態(tài)的智能化水平和各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控逡逑制策略等方面都提出了更高的要求，以逐步實(shí)現(xiàn)其安全高效掘進(jìn)的應(yīng)用目標(biāo)。逡逑「叫挖認(rèn)邐「滬丨ｍｐ）＇１．?dāng)U丨以護(hù)丨逡逑ｔｂｍ邋（（Ｉ＇ｉＶｉ－ｆｉｔｊｕｔｔｉ；ｉｉｌＭＬ）－邋ｕ邋ｒｒＡ逡逑搖鋝式逡逑阽迢施丨：ｕ憐；）ｉ；鈴丨認(rèn)邐Ｌ邋ｊｔｄｉ，逡逑「ｉ：丨丨：：ｆ衡ａ＜丨：丨丨淑構(gòu)＿＞「ｍｇ式泥水硨構(gòu)ｉ邋ｎ木＞逡逑咕構(gòu)丨Ｕｌｉ水丨■ＩｌｌＨ邋（ｉ丨ｌｉ水構(gòu)）■逡逑－Ｊｔ他邐水朽構(gòu)

直接式泥水盾構(gòu)機(jī)的泥水壓力直接由進(jìn)漿與排漿的流量控制，倉內(nèi)泥漿流動(dòng)性較好而不易逡逑沉淀，但因泥漿流量和推進(jìn)速度等參數(shù)變化造成的干擾，泥水壓力將會(huì)存在較大的波動(dòng)且不易控逡逑制［１１］，進(jìn)而不利于掌子面穩(wěn)定和地表沉降控制。如圖１．２邋（ｂ）所示，間接式泥水盾構(gòu)機(jī)的顯著特逡逑點(diǎn)是具有一個(gè)起干擾緩沖作用的氣墊倉，通過氣體保壓系統(tǒng)和泥漿環(huán)流系統(tǒng)共同完成泥水倉的壓逡逑力調(diào)控，而氣墊倉亦可以在一定程度上抑制地質(zhì)突變等情況帶來的不利影響，對開挖面的支護(hù)效逡逑果更佳。本文的研究對象為間接式泥水盾構(gòu)機(jī)。逡逑ｎ邋Ｉ邐ｎ￣Ｉ邐Ｉ逡逑＊＊＞邋）邐＾邋？逡逑—邐進(jìn)漿扢邐ｊ邐進(jìn)漿泵逡逑？（邋Ｉ邋＾逡逑ｒ＝ｚ＝；邐悱漿泵邐倉邐排漿泵逡逑邐ｎ邐邐ｎ＝逡逑Ｕ邐Ｕ邐ｉ邋＾逡逑（ａ）直接式泥水盾構(gòu)機(jī)邐（ｂ）間接式泥水盾構(gòu)機(jī)逡逑圖１．２泥水盾構(gòu)的種類逡逑１．１．２國外泥水盾構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用逡逑自１８１８年，英國人Ｍ．Ｉ．邋Ｂｒｕｎｅｉ受食船蟲啟發(fā)，逐步構(gòu)思并制造出了世界上第一臺(tái)手掘式矩逡逑形盾構(gòu)，并從１８２５年至１８４１年用于修建橫貫倫敦泰晤士河底的公路隧道此后人們對利用盾逡逑２逡逑

１５．清水池丨６．調(diào)漿池１７．膨潤土制漿機(jī)１８．化學(xué)制漿機(jī)１９．旋流器２０．振篩２１．澄土輸送機(jī)逡逑圖１．４泥水盾構(gòu)機(jī)施工的原理圖逡逑如圖１．３和圖１．４所示，泥水盾構(gòu)含有泥水倉和氣墊倉兩個(gè)密閉倉，二者底部相互連通，目逡逑前施工中常以刀盤中心切口泥水壓力作為對開挖面的實(shí)際泥水支護(hù)壓力，用于維持開挖面的穩(wěn)定。逡逑氣墊倉的氣體壓力直接作用于泥水液面上，泥水液位的上下波動(dòng)和氣體壓力的變化都會(huì)導(dǎo)致刀盤逡逑７逡逑

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本文編號：2760110