一种盾构推进压力控制方法与设备技术

本发明专利技术属于盾构施工安全控制相关技术领域，其公开了一种盾构推进压力控制方法与设备，包括以下步骤：(1)基于复合地层土性参数不确定性对盾构开挖面稳定性的影响，构建复合地层开挖面三维旋转体破坏结构模型；(2)构建开挖面稳定性的可靠度分析指标体系，计算得到可靠性指标下的土性参数在不确定性条件下的复合地层极限支护压力的取值；(3)构建盾构推进系统的负载计算模块并建立盾构液压推进系统的数学模型，继而构建盾构推进系统的控制模型，控制模型采用模糊PID控制算法进行推进力控制；其中，该控制模型以盾构液压推进系统的比例溢流阀的输入电压为输入，以盾构推进系统的推进压力为输出。本发明专利技术能准确控制推进压力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构推进压力控制方法与设备


[0001]本专利技术属于盾构施工安全控制相关
，更具体地，涉及一种盾构推进压力控制方法与设备。

技术介绍

[0002]盾构隧道施工过程的地表塌陷等事故主要是由于盾构隧道开挖面失稳导致的，而在超大直径复合地层的情况下，由于地层多样性和土体的不确定性导致盾构开挖面失稳的风险更大。不论是土压平衡盾构还是泥水平衡盾构，盾构隧道施工过程中都是通过在开挖面前方土层施加与原始地层应力相等的支护应力来保证开挖面的稳定那个状态以预防开挖引起的地层变形，当开挖面支护压力过小时会导致土体坍塌，支护压力过大则会导致土体隆起，所以在盾构施工过程中如何确定并控制支护压力大小对开挖面稳定性进行控制显得尤为重要。
[0003]因此，针对复合地层盾构开挖面稳定性和极限支护压力研究，并基于开挖面前方土体压力对盾构机施加在前方土层的极限支护压力进行控制调整具有重要的学术价值和工程应用价值。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种盾构推进压力控制方法与设备，该控制方法将土体不缺性条件下所得到的复合地层开挖面失稳螺旋破坏模型的极限支护压力解的计算过程作为外部负载模块与盾构推力控制仿真模型相结合，通过分级可靠度指标下对盾构开挖面土性参数的采集分析与计算得出合适的推进力来平衡外部土体压力，确保掘进过程的安全且高效进行和得到有效控制，形成了一整套盾构开挖面稳定性控制流程。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种盾构推进压力控制方法，该方法包括以下步骤：
[0006](1)基于复合地层土性参数不确定性对盾构开挖面稳定性的影响，构建复合地层开挖面三维旋转体破坏结构模型，并通过系统外力做功与土体内部摩擦耗散能量相等推导出开挖面的临界破坏状态下土体结构破坏时的极限支护力计算公式；
[0007](2)构建开挖面稳定性的可靠度分析指标体系，并应用蒙特卡洛法进行模拟计算以得出在不同可靠性指标下的土性参数在不确定性条件下的复合地层极限支护压力的取值；
[0008](3)构建盾构推进系统的负载计算模块并建立盾构液压推进系统的数学模型，继而构建盾构推进系统的控制模型，控制模型采用模糊PID控制算法进行推进力控制；其中，该控制模型以盾构液压推进系统的比例溢流阀的输入电压为输入，以盾构推进系统的推进压力为输出。
[0009]进一步地，应用空间离散技术逐点生成失效模型的三维破坏面以得出开挖面失稳
速度场中每一点的坐标，构建复合地层开挖面失稳模型后根据掘进工作面功率和能耗，利用极限分析的上限定理计算极限支护压力。
[0010]进一步地，OA和OE的延长线和地层边界可以将复合地层开挖面的破坏结构划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区域；开挖面失稳速度场完全取决于Z
O
和Y
O
取值，将Z
O
和Y
O
两个参数通过隧道中心点G点的极坐标进行无量纲化处理，以r
G
/D和θ
G
两个参数表示O点在(Y,Z)平面的直角坐标系的坐标为(Y
O
,Z
O
)，对应的公式为：
[0011][0012][0013]并应用空间离散技术逐点生成失效模型的三维破坏面以得出开挖面失稳速度场中每一点的坐标；其中，A点为隧道的隧顶，B点为隧道的隧底，A点是(Y,Z)平面的直角坐标系的原点，开挖面失稳的速度场由AF、EF和BE三条对数螺旋曲线组成，其中E点是对数螺旋曲线与地层分界线的交点，F点是上层土中两条对数螺旋曲线的交点，整个失稳速度场以O点为原点转动，O点是极坐标系(r,θ)的原点，极轴为垂直于地表平面向下，OA、OB、OE分别为各点的连线。
[0014]进一步地，系统功率和能耗有土体自重σ
γ
、支护压力σ
T
和速度间断面摩擦力f耗散，计算公式为：
[0015][0016][0017][0018]W
f
＝W
γ
+W
T
[0019]其中，r
A
、r
B
和r
E
分别为OA、OB和OE的长度，θ
A
、θ
B
和θ
E
分别为OA、OB和OE与极坐标系(r,θ)相对于极轴方向的夹角，和分别为上下层土对应的粘聚力、内摩擦角和土体重度，ω为角速度，W
f
为摩擦耗散功率，W
γ
为土体重力功率，W
T
为支护压力做功功率。
[0020]进一步地，通过将系统的失效概率作为判断开挖面稳定性风险状态的基础，以确
认开挖面稳定性结构的风险状态水平，每个地层变化点依据其对应的土层物理力学性质及各自不确定性的特性采用蒙特卡洛模拟法模拟1000组对应土性参数向量，每一组土性参数向量都能对应一个复合地层开挖面失稳模型，确定系统的失效概率，以得到模型开挖面的破坏曲线，然后进行土体不确性下的极限支护压力计算。
[0021]进一步地，极限支护压力计算时所用到的公式包括：
[0022]p
f
＝P(g(σ
T
)＜0)
[0023][0024]β＝Φ
‑1(1
‑
p
f
)
[0025]式中，p
f
为系统的失效概率，σ
T
为盾构面极限支护压力的模拟值，代表盾构面极限支护压力的极限值，β为可靠性指数，Φ
‑1(
·
)为标准正态分布函数的反函数。
[0026]进一步地，通过同等级的极限支护压力得到需要控制的全动态范围，即构建算法将盾构推力系统输出的推力值控制在该全动态范围之内。
[0027]进一步地，基于盾构液压推进系统的推进液压缸的输出力与负载力力学平衡方程、以及推进液压缸的流量连续性方程得到输出的液压缸无杆腔压力P1关于输入流量Q
L
和外部负载力F
L
的传递函数分别为：
[0028][0029][0030]式中，ω1和ζ1分别为综合固有频率和综合阻尼比，其取值为：
[0031][0032][0033]式中，A1为无杆腔活塞的面积，p1为无杆腔的压力，m1为系统总折算质量，F
L
为作用于活塞上的外部负载力，β1为有效体积弹性模量，λ1为液压缸渗漏系数，V1为液压缸进油腔体积。
[0034]进一步地，构建比例溢流阀的电流动态方程、流量方程、阀芯运动方程的传递函数分别为：
[0035][0036]U(s)＝LsI(s)+(r
c
+r
p
)I(s)+K
v
sX1(s)
[0037][0038]设比例溢流阀的稳定工作点为q0(x0,p
L0
)，则在q0处线性化可得：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构推进压力控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：(1)基于复合地层土性参数不确定性对盾构开挖面稳定性的影响，构建复合地层开挖面三维旋转体破坏结构模型，并通过系统外力做功与土体内部摩擦耗散能量相等推导出开挖面的临界破坏状态下土体结构破坏时的极限支护力计算公式；(2)构建开挖面稳定性的可靠度分析指标体系，并应用蒙特卡洛法进行模拟计算以得出在不同可靠性指标下的土性参数在不确定性条件下的复合地层极限支护压力的取值；(3)构建盾构推进系统的负载计算模块并建立盾构液压推进系统的数学模型，继而构建盾构推进系统的控制模型，控制模型采用模糊PID控制算法进行推进力控制；其中，该控制模型以盾构液压推进系统的比例溢流阀的输入电压为输入，以盾构推进系统的推进压力为输出。2.如权利要求1所述的盾构推进压力控制方法，其特征在于：应用空间离散技术逐点生成失效模型的三维破坏面以得出开挖面失稳速度场中每一点的坐标，构建复合地层开挖面失稳模型后根据掘进工作面功率和能耗，利用极限分析的上限定理计算极限支护压力。3.如权利要求2所述的盾构推进压力控制方法，其特征在于：OA和OE的延长线和地层边界可以将复合地层开挖面的破坏结构划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区域；开挖面失稳速度场完全取决于Z
O
和Y
O
取值，将Z
O
和Y
O
两个参数通过隧道中心点G点的极坐标进行无量纲化处理，以r
G
/D和θ
G
两个参数表示O点在(Y,Z)平面的直角坐标系的坐标为(Y
O
,Z
O
)，对应的公式为：)，对应的公式为：并应用空间离散技术逐点生成失效模型的三维破坏面以得出开挖面失稳速度场中每一点的坐标；其中，A点为隧道的隧顶，B点为隧道的隧底，A点是(Y,Z)平面的直角坐标系的原点，开挖面失稳的速度场由AF、EF和BE三条对数螺旋曲线组成，其中E点是对数螺旋曲线与地层分界线的交点，F点是上层土中两条对数螺旋曲线的交点，整个失稳速度场以O点为原点转动，O点是极坐标系(r,θ)的原点，极轴为垂直于地表平面向下，OA、OB、OE分别为各点的连线。4.如权利要求2所述的盾构推进压力控制方法，其特征在于：系统功率和能耗有土体自重σ
γ
、支护压力σ
T
和速度间断面摩擦力f耗散，计算公式为：和速度间断面摩擦力f耗散，计算公式为：
W
f
＝W
γ
+W
T
其中，r
A
、r
B
和r
E
分别为OA、OB和OE的长度，θ
A
、θ
B
和θ
E
分别为OA、OB和OE与极坐标系(r,θ)相对于极轴方向的夹角，和分别为上下层土对应的粘聚力、内摩擦角和土体重度，ω为角速度，W
f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文黎，陈阳阳，丁剑辉，李昂，陈阳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：