單對水平支撐TBM支撐推進協(xié)調性研究.pdf

1、硬巖隧道掘進機(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)是集開挖、支護、出碴、襯砌、測量為一體，專用于巖層地質的大型隧道施工裝備，它主要由刀盤系統(tǒng)、支撐推進系統(tǒng)、尾支撐系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)及輔助設備等組成。TBM的支撐推進機構負責為整機提供足夠的掘進支撐反力、并推動刀盤向前頂進，是TBM掘進過程的核心機構之一。但現(xiàn)有的TBM撐靴支撐力的控制基本采用人工調整的辦法，撐靴接地比壓被設定為常值，忽略了支撐與推進系統(tǒng)間之間的耦合特性

2、，也較少考慮圍巖特性對TBM接地比壓的影響，將可能造成撐靴撐破側壁圍巖或打滑等事故，進而影響施工進度，增耗人力物力。為防止上述事故的發(fā)生，故有必要結合撐靴側壁圍巖特性，開展TBM支撐推進協(xié)調性研究。
　　本文設計了TBM支撐推進協(xié)調控制液壓系統(tǒng)，提出了支撐推進協(xié)調性的描述及要求，分析了撐靴支撐機構與推進機構及外載間的力學關系，推導了撐靴接地比壓理論計算公式，并運用動力學仿真軟件驗證了其有效性。針對TBM支撐推進協(xié)調性的撐靴側壁圍巖

3、受壓最小和受壓波動最小兩個目標，分別提出了撐靴缸壓力跟蹤推進缸壓力及位移控制策略和基于PNN巖層識別的接地比壓適應地質控制策略，并通過仿真計算進行驗證。本文的主要研究內容如下：
　　第一章介紹了TBM的分類和國內外TBM技術發(fā)展的概況，同時說明了本文研究對象特指單對水平支撐TBM。然后根據本論文研究內容闡述了掘進裝備的關鍵機構受力分析、撐靴支撐系統(tǒng)和機械裝備的協(xié)調性等方面的研究現(xiàn)狀，并分析了已有研究的不足。最后介紹了本論文的研究內

4、容及意義。
　　第二章說明了支撐推進換步的工作原理，然后是對TBM支撐推進機構進行了力學分析，得到了關于推進缸推力及位移、刀盤轉矩和側壁圍巖等效摩擦系數的撐靴空間受力算式，進而推導了撐靴接地比壓理論計算公式。最后初步分析了在不同工況下的撐靴圍巖受力情況，發(fā)現(xiàn)轉向時的調向側圍巖受力大于直行時的受力，而轉向時的非調向側則小于直行時的受力，這可為TBM在調向工況下的撐靴撐緊力調整提供依據。
　　第三章提出了TBM支撐推進協(xié)調性的描

5、述及控制目標，由此設計了可以實現(xiàn)協(xié)調控制的支撐推進液壓系統(tǒng)，然后依據撐靴側壁圍巖受壓最小和受壓波動最小兩個支撐推進協(xié)調目標，分別提出了由推進缸壓力及位移控制撐靴缸壓力的策略和基于PNN巖層識別的接地比壓適應地質控制策略。最后對新的電液控制系統(tǒng)進行數學建模。
　　第四章搭建了TBM支撐推進機構的動力學仿真模型，并進行仿真計算，對比理論計算結果，可知單個推進行程中撐靴接地比壓最大相對誤差僅1.90％，故而所推導的理論公式可視作有效。結

6、合撐靴撐緊力與撐靴接地比壓理論計算公式，以實際工程的掘進參數作為輸入，基于撐靴圍巖受壓最小的協(xié)調控制策略和基于PNN巖層識別的圍巖受壓波動最小控制策略分別進行仿真分析，結果表明，撐靴缸壓力可跟隨推進缸壓力及推進位移的變化，最大相對誤差僅為1.18％，此時圍巖受壓達到理論最小;以掘進參數作為輸入的PNN識別模型可以正確地識別所掘進的巖層類型，控制輸出的接地比壓可以穩(wěn)定控制在所識別巖層對應的安全接地比壓值附近，最大波動率僅為0.7％，即在能