單對水平支撐TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性研究.pdf

1、硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)是集開挖、支護(hù)、出碴、襯砌、測量為一體，專用于巖層地質(zhì)的大型隧道施工裝備，它主要由刀盤系統(tǒng)、支撐推進(jìn)系統(tǒng)、尾支撐系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)及輔助設(shè)備等組成。TBM的支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)為整機(jī)提供足夠的掘進(jìn)支撐反力、并推動刀盤向前頂進(jìn)，是TBM掘進(jìn)過程的核心機(jī)構(gòu)之一。但現(xiàn)有的TBM撐靴支撐力的控制基本采用人工調(diào)整的辦法，撐靴接地比壓被設(shè)定為常值，忽略了支撐與推進(jìn)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(cè)壁圍巖或打滑等事故，進(jìn)而影響施工進(jìn)度，增耗人力物力。為防止上述事故的發(fā)生，故有必要結(jié)合撐靴側(cè)壁圍巖特性，開展TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性研究。
　　本文設(shè)計了TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)控制液壓系統(tǒng)，提出了支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性的描述及要求，分析了撐靴支撐機(jī)構(gòu)與推進(jìn)機(jī)構(gòu)及外載間的力學(xué)關(guān)系，推導(dǎo)了撐靴接地比壓理論計算公式，并運(yùn)用動力學(xué)仿真軟件驗證了其有效性。針對TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性的撐靴側(cè)壁圍巖

3、受壓最小和受壓波動最小兩個目標(biāo)，分別提出了撐靴缸壓力跟蹤推進(jìn)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(yīng)地質(zhì)控制策略，并通過仿真計算進(jìn)行驗證。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　第一章介紹了TBM的分類和國內(nèi)外TBM技術(shù)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(jù)本論文研究內(nèi)容闡述了掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)受力分析、撐靴支撐系統(tǒng)和機(jī)械裝備的協(xié)調(diào)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(nèi)

4、容及意義。
　　第二章說明了支撐推進(jìn)換步的工作原理，然后是對TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，得到了關(guān)于推進(jìn)缸推力及位移、刀盤轉(zhuǎn)矩和側(cè)壁圍巖等效摩擦系數(shù)的撐靴空間受力算式，進(jìn)而推導(dǎo)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(zhuǎn)向時的調(diào)向側(cè)圍巖受力大于直行時的受力，而轉(zhuǎn)向時的非調(diào)向側(cè)則小于直行時的受力，這可為TBM在調(diào)向工況下的撐靴撐緊力調(diào)整提供依據(jù)。
　　第三章提出了TBM支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)性的描

5、述及控制目標(biāo)，由此設(shè)計了可以實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的支撐推進(jìn)液壓系統(tǒng)，然后依據(jù)撐靴側(cè)壁圍巖受壓最小和受壓波動最小兩個支撐推進(jìn)協(xié)調(diào)目標(biāo)，分別提出了由推進(jìn)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(yīng)地質(zhì)控制策略。最后對新的電液控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。
　　第四章搭建了TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真模型，并進(jìn)行仿真計算，對比理論計算結(jié)果，可知單個推進(jìn)行程中撐靴接地比壓最大相對誤差僅1.90％，故而所推導(dǎo)的理論公式可視作有效。結(jié)

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(jìn)參數(shù)作為輸入，基于撐靴圍巖受壓最小的協(xié)調(diào)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(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，撐靴缸壓力可跟隨推進(jìn)缸壓力及推進(jìn)位移的變化，最大相對誤差僅為1.18％，此時圍巖受壓達(dá)到理論最小;以掘進(jìn)參數(shù)作為輸入的PNN識別模型可以正確地識別所掘進(jìn)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(yīng)的安全接地比壓值附近，最大波動率僅為0.7％，即在能