盾构机密封舱土压预测及智能优化控制策略

摘要

世界经济的快速发展促进了城市化建设的大规模进行，然而随着建筑的日益密集以及地面空间的愈加有限，人们不得不将目光转向地下空间，因此，如今对地下空间的开发进入了一个前所未有的阶段。土压平衡式盾构机是一种挖掘地下隧道的专用大型施工设备，现已广泛应用于城市地铁隧道、资源开发、市政建设、海底隧道等地下工程建设，它以安全可靠、掘进速度快、劳动强度低以及对地层影响小等显著优点，逐渐成为大型地下工程施工的重要手段。
　　盾构施工时开挖面不稳定易引起地表塌陷或隆起的灾难性事故。由于密封舱土压的变化情况与开挖面压力密切相关，因此精确预测及控制密封舱土压是有效预防开挖面压力失衡的关键技术之一。由于盾构施工是一个极其复杂的过程，工况突变和地质状况异常时有发生，而各掘进参数之间存在着强耦合性，难以建立精确的数学模型，目前的盾构掘进施工主要依靠人工经验操作完成，土压控制精度难以保证，灾难性事故很难从根本上避免。所以采用智能建模方法建立土压预测控制模型，对于实现掘进过程的智能控制，保证掘进施工安全，有着重要的理论和现实意义。
　　为了建立土压预测模型，首先从机理上对土压与掘进参数的关系，特别是刀盘扭矩与土压的关系，做了详细分析，以此为基础确定了密封舱土压模型新的输入输出参数。然后，以密封舱承压隔板上有四个土压传感器的典型土压平衡盾构机为例，提出了基于最小二乘径向基核函数支持向量机的密封舱土压预测模型的智能建模方法，并采用粒子群优化算法对最小二乘径向基核函数支持向量机的两个参数寻优。最后，利用所提出的预测模型，以密封舱内土压预测值与设定值总体绝对偏差最小为优化指标，采用粒子群算法对影响密封舱土压变化的两个控制参数——螺旋输送机转速和推进速度进行在线优化，实现密封舱土压平衡的最优控制。结合现场施工数据对所提出的建模和优化控制方法进行了仿真对比分析，验证了模型的有效性和准确性，为实现密封舱土压的准确预测和自动控制，保证掘进施工过程安全提供了技术支持。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外盾构技术研究与发展状况

1．2．1 国外盾构技术研究与发展状况

1．2．2 我国盾构技术研究与发展状况

1．3 土压平衡盾构机自动控制技术的研究现状

1．4 课题研究意义和内容

1．4．1 课题研究的意义

1．4．2 研究内容概况

1．5 论文组织结构

2 土压平衡盾构机的结构与工作机理

2．1 土压平衡盾构机概述

2．2 土压平衡盾构机的主要构造

2．2．1 盾构壳体

2．2．2 刀盘系统

2．2．3 注塑与搅拌系统

2．2．3 推进系统

2．2．4 排土系统

2．2．5 管片拼装系统

2．2．6 数据采集与监控系统

2．3 土压平衡盾构机的工作机理

2．4 本章小结

3 盾构机密封舱土压平衡控制原理

3．1 土压平衡控制理论

3．1．1 开挖面土压平衡状态分析

3．1．2 密封舱土压设定值的确定

3．1．3 土压平衡控制方法

3．2 掘进机理分析

3．2．1 密封舱土压与推力、推进速度、螺旋输送机转速的关系

3．2．2 密封舱土压与刀盘转速的关系

3．2．3 密封舱土压与刀盘扭矩的关系

3．3 本章小结

4 基于LS-SVM和PSO的盾构机密封舱土压预测

4．1 支持向量机回归理论

4．1．1 软测量技术与支持向量机的提出

4．1．2 支持向量机原理

4．2 最小二乘支持向量机

4．3 粒子群算法

4．3．1 粒子群算法的由来

4．3．2 粒子群算法的基本原理

4．4 基于LS-SVM和PSO的盾构机密封舱土压预测

4．4．1 基于LS-SVM的土压预测模型的建立

4．4．2 基于PSO优化LS-SVM参数

4．4．3 仿真结果及分析

4．5 本章小结

5 基于PSO的盾构机密封舱土压优化控制

5．1 优化控制目标的确定

5．2 基于PSO优化控制参数的过程

5．3 优化控制效果及分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢