基于神经网络的盾构机密封舱压力控制研究

根据从盾构机刀盘进入密封舱的渣土的体积与从螺旋输送机排除渣土的体积平衡原理以及渣土的非线性本构模型,建立了密封舱压力控制的离散状态方程。分别采用BP神经网络和P ID神经网络作为辨识器和控制器,研究了盾构机密封舱压力控制时变系统的辨识和控制问题。数值仿真结果表明,所提出的基于神经网络的盾构机密封舱压力控制方法是有效的,并且具有良好的稳定性和鲁棒性。     

盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析

土压平衡盾构机的安全掘进施工主要依赖于盾构机刀盘与土体的相互作用,使得地表的变形得到有效控制。基于Rankine的土压力理论,研究了盾构机刀盘合理土压力的设置问题,模拟了盾构机刀盘与土体的相互作用。研究表明,仅从保证地表既不隆起又不沉陷的约束条件考虑,掘进工作面从主动土压力到被动土压力存在较大的范围。考虑到减少刀具磨损和节约能源问题,推荐理想的掘进工作面土压力为静止侧向土压力。     

盾构机密封舱土压平衡综合优化控制

为了实现盾构机掘进过程密封舱土压平衡的精确高效控制,提出了盾构刀盘系统、推进系统和排渣系统的综合优化控制方法.设计了以扭矩切深指数(TPI)和场切深指数(FPI)为特征输入参数的地层识别系统,然后建立了专家控制系统,根据地层识别的量化结果和控制规则给出刀盘转速的控制策略;在此基础上,提出了采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)非线性预测控制方法来协调控制推进速度和螺旋输送机转速,并利用蚁群算法(ACS)滚动优化控制变量,实现密封舱土压平衡控制.实验结果表明即使在工况发生变化时亦能够很好地控制密封舱土压平衡,证明了方法的有效性,实现了盾构机土压平衡的多子系统协调优化控制.     

砂土-灰岩地层泥水平衡盾构机泥水舱压力及总推力计算模型

泥水平衡盾构机在上软下硬的砂土-灰岩复合地层中掘进,掘进参数的确定难度较大。在均一地层中,砂土地层中掘进参数的计算包括泥水舱压力和总推力,灰岩层中由于岩体自稳性好,因此只需考虑总推力即可。基于太沙基松弛土压力理论推导均一地层中泥水舱压力和总推力的计算模型,以均一地层的计算模型为基础推导出砂土-灰岩复合地层泥水平衡盾构机泥水舱压力及总推力的计算模型,并结合实际工程验证了模型的正确性。研究成果可为盾构机在复合地层的施工参数确定提供新思路,并为后续类似工程提供参考。     

煤矿掘进工作面不同声源位置下声场分布

煤矿掘进工作面噪声污染严重,影响井下作业人员身心健康与安全生产。为了解噪声源位置改变时煤矿掘进工作面声场分布情况,基于煤矿实例建立掘进工作面物理数学模型,采用数值模拟和实验验证相结合的方法,分析噪声分布特征及噪声源位置变化对声场的影响。研究结果表明：噪声源靠近壁面或地面时,工作面内声场分布较紊乱,产生的高噪声区域较广,不利于工作面的噪声衰减;当两个噪声源的相对距离在10 m以内时,声压级衰减曲线呈“W”型,当两声源相对距离超过10 m时,声压级衰减曲线呈“M”型;实验测试与数值模拟结果基本一致,验证了搭建的模型及模拟结果的可靠性。研究结果可为煤矿掘进工作面环境噪声的预测与控制提供了依据。     

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0～7.7 kN,扭矩变化范围为773.4～1 195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5～104 N·m。     

土压平衡盾构改性砂土离散元模型参数反演方法研究

首次将遗传神经网络与三轴试验离散元数值模拟有机结合,用于改性砂土颗粒离散元接触模型参数反演.反演目标是使三轴试验离散元模拟曲线与真实实验曲线误差最小,采用的求解策略是基于遗传神经网络的参数识别.三轴试验的离散元数值模拟为网络提供训练样本,遗传算法映射网络输入与输出样本之间的复杂非线性关系,改性土三轴试验的真实测量曲线为参数反演提供依据.以反演结果为接触模型参数的三轴试验离散元模拟曲线与真实实验曲线相吻合,为改性土离散元接触模型参数的确定提供了有效和准确的方法,为进一步的盾构密封舱压力分析奠定了基础.     

西宁地区原状黄土三轴试验及数值模拟

在数值模拟中合理选取土的本构关系与模型参数,对模拟的合理性和可靠性十分重要。为研究西宁地区LNG储存罐基础原状黄土数值模拟中本构关系与模型参数选取的合理性,采用三轴试验与数值模拟相结合的方法,分别对Mohr-Coulomb、土体硬化及修正剑桥模型3种本构模型进行分析研究。结果表明:西宁地区原状黄土采用土体硬化双曲线本构模型与试验结果吻合程度较高,其模量随应变增大而减小的特征与原状黄土实际力学特征相似,土体硬化本构模型更加符合土体的实际力学特性。     

EPB盾构机工作面土压力和油缸推力合理优化

基于Rankine的主动和被动土压力理论,采用解析方法建立了合理确定EPB盾构机工作面压力方法,给出了EPB（Earth Pressure Blance）盾构机随埋深和土体力学参数的变化关系。根据力的平衡原理,推导了EPB盾构机推力与盾构机埋深、土体力学参数和盾构机几何尺寸的解析表达武。数值计算结果表明,所提出的推力计算方法与现场实际采用的数值基本一致。     

工程土障粘土水力-力学参数识别及工程校核

基于实验数据及广泛应用于非饱和粘土的Alonso-Gens本构模型和水力参数曲线，针对用以制造工程土障的FoCa粘土进行了水力-力学参数识别，并把上述水力-力学本构模型和曲线及所识别的参数应用于基于非饱和土的多孔多相介质理论的有限元数值模型上，对一个模拟实际工程问题的Benchmark考题作了考核，取得了满意的结果。     

基于模糊层次分析法的岩溶区土压平衡盾构适应性评价

土压平衡盾构作为一种较为先进的隧道掘进机械,由于其安全、可靠等优势,在我国的城市地铁隧道工程施工中得到了广泛的应用。我国南方地区岩溶地层非常普遍,土压平衡盾构在岩溶地层中掘进容易产生“栽头”、刀具不均匀磨损等问题,因此评价岩溶地层条件下土压平衡盾构的适应性是非常有必要的。本文依托南宁地铁4号线2标相关盾构隧道工程,分析岩溶区各方面因素对土压平衡盾构适应性产生的影响,通过层次分析法确定最终的土压平衡盾构在岩溶地区的适应性评价指标,参考已有研究成果结合模糊数学方法确定评价指标的隶属函数,构造了岩溶区土压平衡盾构适应性评价模型,提供了岩溶区土压平衡盾构适应性评价方法。以南宁地铁4号线2标“良良”、“体良”和“清龙”盾构区间所采用的土压平衡盾构机为应用实例,现场盾构施工情况与本文提出的评价方法的评价结果匹配较好。本文提出的岩溶区盾构适应性评价方法对类似地层盾构机评价及应用具有一定的指导意义。     

基于集成Dropout-DNN模型的盾构掘进速度预测方法

为了提升土压平衡盾构机的掘进速度预测精度,提出一种集成Dropout-DNN模型的盾构掘进速度预测方法。依据济南地铁R1线盾构隧道段工况数据,将数据集划分为五份,并选取刀盘转速、刀盘扭矩、总推进力、螺机转速、土仓压力这五个参数为输入参数,分别建立了五个Dropout-DNN模型并进行集成实现了盾构掘进速度的预测,进一步对不同的预测方法进行了对比分析。研究结果表明：各Dropout-DNN模型预测精度具有一定的差异性但基本良好,其决定系数均大于0.6、平均绝对百分误差均小于10%,而集成的Dropout-DNN模型决定系数为0.695、平均绝对百分误差小于5%,可见集成模型预测精度较高;基于BP神经网络、DNN模型实现的盾构掘进速度预测模型其决定系数分别为0.502、0.566,可见提出的集成Dropout-DNN模型预测精度提升明显。     

基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

基于神经模糊推理系统的盾构施工地表沉降预测

盾构隧道施工引起的地表沉降,主要受盾构掘进参数和地层条件的影响,且各参数间关系复杂.已有地表沉降预测方法大都没有直接考虑掘进参数的影响,难以满足盾构快速施工超前预测预报和环境影响控制的需求.自适应神经模糊推理系统(ANFIS)是一种基于神经网络的模糊类智能模型,通过减法聚类数据细分技术自动生成模糊规则,使网络的节点和权值具有明确的物理意义,集成了神经网络数据自适应能力和模糊系统知识表达性能,特别适合于多元非线性系统的预测预报.结合北京地铁14号线东风北桥站至京顺路站区段工程实测数据,选取埋深、洞顶覆土标贯值、土仓压力、推进速度、刀盘转速、扭矩、盾构推力,以及同步注浆量为输入变量,建立了地表最大沉降量预测模型.计算结果表明,该模型计算量小,泛化能力强,计算精度高.研究成果为盾构施工地表沉降预测预报提供了新的技术方案.     

富水砂层地铁区间隧道盾构掘进参数分析

依托哈尔滨轨道交通2号线一期工程耿家站至龙川路站区间的施工情况,对富水砂层盾构隧道开挖过程中的相关掘进参数进行分析。结果表明,盾构机主推力控制范围为10～18 MN,刀盘转速约为1.3 r/min,刀盘扭矩为2～4 MN·m。掘进速度保持在40～70 mm/min范围内,此时土压力主要为0.1～0.2 MPa,平均出土量约为43 m~3。采用太沙基理论对土压力进行计算,计算值验证了土压力监测结果的准确性。     

基于太原市地铁建设的土压平衡盾构机应用研究

介绍了盾构机的分类,并立足于太原的地质条件,重点论述了土压平衡盾构机的组成及其工作原理,指出了盾构法隧道施工中应注意事项。     

蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩三轴试验及本构模型

利用岩石全自动伺服试验仪对重庆蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩的砂岩试样开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,进而构建了包含统一硬化/软化函数的弹塑性本构模型并进行了验证。试验结果表明,随着围压的增大,由原生缺陷闭合引起的初始非线性变形阶段逐渐减小,试样破坏时的峰值强度随围压增大而增大,由单轴压缩时的84.8MPa增大到围压10MPa时的168.5MPa;峰值强度和围压之间呈现较好的线性关系,黏聚力和内摩擦角分别为15.2MPa和52°。数值模拟与试验数据的比较表明,提出的弹塑性本构模型能够描述砂岩的主要力学现象,验证了该模型的可靠性。     

The scheme design for the earth pressure balance shield cutterhead structure

The earth pressure balance （EPB） shield cutterhead structure, which features an opening ratio and opening distribution as a core, seriously affects tunneling stability and tunneling efficiency. This paper presents a new model for the soil using visco-plastic fluid theory, and then introduces the model into the computational-fluiddynamics model to comprehensively analyze the cutterhead structure, which consists of the soil, the cutterhead, the working chamber, and the screw conveyor. Based on this model, the stability situation and tunneling perfor- mance of multiple schemes of the cutting head structure are analyzed by changing the opening ratio and the opening distribution on the cutterhead. In this study, a new method for design and analysis of the EPB-shield cutterhead structure is proposed that fits changes in geologic conditions. The results will be helpful for engineers and manufacturers of more efficient machines and for carrying out tunneling projects with more stable EPB-shield cutterheads, and it will reduce the influences of changing geologic conditions during all stages of tunnel construction.     

超孔隙水压力影响的土压平衡盾构开挖面稳定特性

针对土压平衡盾构掘进过程中开挖面稳定控制对周边环境影响的问题,通过原位监测手段得到盾构开挖面上超孔隙水压力和土压力增量的发展和分布情况,在此基础上进行考虑流固耦合的数值分析,得到考虑超孔隙水压力影响情况下欠支护状态和超支护状态的开挖面稳定特性.利用数值模型进行参数分析,研究土体渗透系数以及盾构停推时间对于开挖面稳定的影响,为实际施工提供有益的参考.