土-盾構(gòu)相互作用研究及推進(jìn)載荷規(guī)劃.pdf

1、盾構(gòu)法已被廣泛應(yīng)用于城市地下鐵路、越江通道和地下管線等隧道工程的施工中,但是,由于地質(zhì)條件的隨機(jī)多樣性和作業(yè)工況的不確定性,盾構(gòu)作業(yè)時(shí)的安全、效率、可靠性及對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性等問(wèn)題仍是目前尚未解決的國(guó)際性重大技術(shù)難題。因此,有必要開展土-盾構(gòu)相互作用研究,并建立合理的推進(jìn)載荷規(guī)劃策略。本論文針對(duì)地層穩(wěn)定性問(wèn)題、推進(jìn)載荷規(guī)劃與控制問(wèn)題開展了數(shù)值模擬、建模和實(shí)驗(yàn)分析等工作。主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下:
　　①建立了隧道穩(wěn)定性分析模型

2、r>　　隨著盾構(gòu)直徑的增大,傳統(tǒng)的基于均勻支護(hù)壓力假設(shè)的開挖面失穩(wěn)理論已不適用,支護(hù)壓力梯度則不可忽視。本文通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)支護(hù)壓力梯度不僅對(duì)極限支護(hù)壓力有很大的影響,而且導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)模式發(fā)生變化:整體失穩(wěn)向局部失穩(wěn)轉(zhuǎn)變。此外,試驗(yàn)證明太沙基松動(dòng)土壓力理論在預(yù)測(cè)地層豎向極限土壓力時(shí)存在隨著埋深的增加誤差急劇增大的問(wèn)題。因此,本文探討了剛性滑塊極限分析上限法的適用性,并對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究,分別提出多層剛性滑塊失穩(wěn)模型(MLB

3、FM)和松動(dòng)土壓力極限分析模型。實(shí)例分析結(jié)果表明:MLBFM能夠根據(jù)不同的支護(hù)壓力梯度合理地估算出開挖面極限支護(hù)壓力,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出局部失穩(wěn)現(xiàn)象;相對(duì)于太沙基松動(dòng)土壓力理論,松動(dòng)土壓力極限分析模型的計(jì)算結(jié)果更接近數(shù)值模擬結(jié)果。
　?、诮⒘硕軜?gòu)推進(jìn)載荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型
　　確定推進(jìn)載荷的關(guān)鍵是精確計(jì)算圍巖載荷和掘進(jìn)界面載荷。本文基于反演分析法建立了推進(jìn)載荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型,反映了地層特性、盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)之間的相互耦合作

4、用,實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)載荷在線預(yù)測(cè)。模型由:掘進(jìn)界面載荷反演優(yōu)化模型和圍巖載荷反演優(yōu)化模型兩部分構(gòu)成。前者是通過(guò)土倉(cāng)支護(hù)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值反分析掘進(jìn)界面土壓力及其分布,從而考慮了掘進(jìn)界面載荷隨機(jī)變化特性。后者采用地層反力曲線描述圍巖法向土壓力與地層位移之間的映射關(guān)系,并假設(shè)圍巖地層法向位移由地層損失引起的初始位移和盾構(gòu)姿態(tài)變化的附加位移組成。實(shí)例分析結(jié)果表明:在相對(duì)平穩(wěn)階段,推進(jìn)載荷預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢(shì),預(yù)測(cè)精度較高;但是在突變階

5、段,預(yù)測(cè)結(jié)果存在明顯滯后,誤差增大。
　?、劢⒘嘶隈R爾科夫決策過(guò)程的推進(jìn)載荷規(guī)劃模型
　　工程中,通常采用人工方式或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂刂贫軜?gòu)掘進(jìn),由于缺少理論背景,盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)軌跡呈現(xiàn)“蛇形”運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。本文充分考慮掘進(jìn)過(guò)程中隨機(jī)因素,將盾構(gòu)自動(dòng)糾偏看成不確定環(huán)境下序貫決策問(wèn)題,采用馬爾科夫決策過(guò)程(MDP)理論研究推進(jìn)載荷規(guī)劃策略。并引入?yún)^(qū)間數(shù)描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,即在推進(jìn)載荷作用下,不僅盾構(gòu)位姿的轉(zhuǎn)移具有不確定性,而且轉(zhuǎn)移概率也在

6、給定區(qū)間內(nèi)隨機(jī)取值。實(shí)例分析結(jié)果表明:在相對(duì)平穩(wěn)階段,基于非平穩(wěn)策略的俯仰力矩規(guī)劃結(jié)果很好地吻合了實(shí)測(cè)值,同推進(jìn)載荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型相比具有更高的精度;而在突變階段,后者的預(yù)測(cè)精度要高。
　?、芙⒘嘶诓糠挚捎^測(cè)馬爾科夫決策過(guò)程的推進(jìn)載荷規(guī)劃模型
　　推進(jìn)載荷規(guī)劃是在極其復(fù)雜的環(huán)境下所做出的多階段決策活動(dòng)。為了順應(yīng)高達(dá)數(shù)十甚至上百倍變化的隨機(jī)突變載荷,必須在模型中引入盾構(gòu)受到的載荷(以下簡(jiǎn)稱“掘進(jìn)載荷”)狀態(tài)信息,使盾構(gòu)能夠在

7、與環(huán)境的交互中不斷增強(qiáng)推進(jìn)載荷序貫決策能力。結(jié)合推進(jìn)載荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型和基于MDP的推進(jìn)載荷規(guī)劃模型的優(yōu)勢(shì),本文提出一種基于部分可觀測(cè)馬爾科夫決策過(guò)程(POMDP)的推進(jìn)載荷規(guī)劃模型,其中狀態(tài)量和觀測(cè)量分別定義為掘進(jìn)載荷和盾構(gòu)姿態(tài)、掘進(jìn)速度及密封艙壓力。在計(jì)算值函數(shù)時(shí),考慮了盾構(gòu)位姿偏離程度和盾構(gòu)載荷平穩(wěn)程度對(duì)推進(jìn)載荷決策的影響。為了求解超大規(guī)模POMDP問(wèn)題,在信念狀態(tài)不確定性和分布均勻性相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上,提出隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)值迭代算法。實(shí)驗(yàn)分析