盾構掘進模擬試驗系統(tǒng)及土壓平衡技術研究.pdf

1、盾構掘進綜合了包括光、機、電、液、傳感、信息在內的多種學科應用技術，作為專用隧道工程機械，盾構掘進機具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量、導向、糾偏等功能。目前國內正在大規(guī)模開展隧道工程建設，而國內盾構掘進技術研究尚處于初期?；诰蜻M機地質適應性和現場施工環(huán)境特殊性的特點，有必要采用物理模擬方法研制高水平的掘進機綜合模擬試驗平臺，完善全斷面掘進機設計技術，盡快掌握核心關鍵技術，提高盾構掘進系統(tǒng)可靠性。
　　 本文以盾構

2、模擬掘進試驗系統(tǒng)為研究基礎，首先基于實用性和先進性要求對土層模擬加載試驗系統(tǒng)進行了設計；根據實際盾構的結構特點和施工過程，完成模擬盾構的電液控制系統(tǒng)設計；針對試驗臺電液控制系統(tǒng)的監(jiān)控要求，利用PLC和LabVIEW軟件搭建了試驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)；通過理論分析推導了土壓平衡控制數學模型，基于ANFIS推理系統(tǒng)，并應用多模型自適應土壓平衡控制系統(tǒng)，通過實驗數據對控制系統(tǒng)的性能進行仿真研究。本文的主要研究內容如下：
　　 第一章先對盾構掘

3、進機的施工原理、組成結構及分類等基本知識進行介紹，隨后講述了盾構掘進機的歷史及國內外發(fā)展歷程，對國內外的盾構試驗系統(tǒng)和壓力控制技術研究進行詳細敘述，并針對目前試驗系統(tǒng)設計及研究中的不足提出了本課題的研究意義和主要研究內容。
　　 第二章設計了利用液壓缸加載方式對土體進行加載以模擬現實掘進環(huán)境的加載試驗系統(tǒng)。根據功能要求采用Soliworks完成加載執(zhí)行機構及模擬土箱的結構設計，采用Ansys軟件對結構強度進行校核。基于不同地質和

4、掘進工況特點對加載驅動液壓系統(tǒng)進行設計，完成了設計計算和元件選型。同時也對加載系統(tǒng)中的其他輔助系統(tǒng)和裝置進行了設計。
　　 第三章采用模塊化設計方法對模擬掘進機的結構進行設計，并根據實際盾構的施工原理和掘進試驗功能要求完成了模擬盾構的電液比例驅動系統(tǒng)的設計，主要包括刀盤驅動系統(tǒng)、推進和鉸接系統(tǒng)、螺旋輸送系統(tǒng)和管片拼裝機系統(tǒng)。同時還設計了泥水加壓系統(tǒng)和同步注漿系統(tǒng)，為試驗模擬完整的盾構掘進過程奠定基礎。
　　 第四章根據試

5、驗現場監(jiān)控的功能需求完成了試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件結構的設計，使用基于Profibus—DP總線的PLC控制系統(tǒng)實現現場數據采集和底層控制功能。在上位機中使用LabVIEW完成人機界面的開發(fā)和數據管理系統(tǒng)的設計，對上位機通信、監(jiān)控界面的設計特點、數據庫和控制算法的開發(fā)進行了闡述。
　　 第五章建立了土壓平衡控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和螺旋輸送機系統(tǒng)的數學模型，通過理論分析推導得到了推進壓力、推進速度和螺旋機轉速與土艙壓力之間的關系。采用AN