盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種專用于隧道施工工程的全斷面掘進(jìn)裝備，它可以實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過(guò)程中開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌、排渣等自動(dòng)化和工廠化作業(yè)。隧道設(shè)計(jì)軸線是在綜合考慮列車安全、地質(zhì)條件以及地表建筑物等因素基礎(chǔ)上確定的理想隧道軸線，盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)是保證盾構(gòu)以正確的姿態(tài)沿隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)、減少隧道實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線偏差、提高襯砌建設(shè)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文在分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下推進(jìn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定向工作空間和盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑基礎(chǔ)上，建立了描述

2、盾構(gòu)工作空間與推進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)解析關(guān)系，提出了基于盾構(gòu)工作空間分析的盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，有效地解決了盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與隧道設(shè)計(jì)軸線的匹配問(wèn)題，應(yīng)用該方法對(duì)直徑為6.34 m的土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使該盾構(gòu)可以滿足隧道設(shè)計(jì)軸線最小曲率半徑為175m且軸線擬合誤差最大允許值為10mm的隧道施工技術(shù)要求。分析了盾構(gòu)沿直線、圓弧曲線和緩和曲線三種典型隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)變化規(guī)律，建立了根據(jù)盾

3、構(gòu)位姿求解各推進(jìn)液壓缸位移的數(shù)學(xué)模型，提出了盾構(gòu)沿三種隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)目標(biāo)位姿和推進(jìn)液壓缸目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算方法，從而改進(jìn)和完善了基于盾構(gòu)各分區(qū)推進(jìn)液壓缸位移協(xié)調(diào)控制技術(shù)的盾構(gòu)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到圓曲線和緩和曲線段隧道施工盾構(gòu)姿態(tài)控制，不再局限于直線段的盾構(gòu)姿態(tài)控制;建立了盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、電液控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和地層對(duì)盾構(gòu)約束載荷模型，在此基礎(chǔ)上提出了以跟蹤隧道設(shè)計(jì)軸線為控制目標(biāo)的盾構(gòu)推進(jìn)姿

4、態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)地層參數(shù)的識(shí)別和預(yù)判、地層特性對(duì)盾構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響規(guī)律的依賴性。針對(duì)現(xiàn)有管片拼裝機(jī)位姿控制系統(tǒng)無(wú)法兼顧拼裝運(yùn)動(dòng)速度和精度的問(wèn)題，研制了采用位置速度復(fù)合控制技術(shù)的盾構(gòu)管片高效拼裝控制系統(tǒng)，成功地解決了管片拼裝機(jī)這一大慣量系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性問(wèn)題，提高了隧道襯砌的施工質(zhì)量和效率。已將管片高效拼裝控制系統(tǒng)應(yīng)用于2.2m試驗(yàn)管片拼裝機(jī)的拼裝運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在保證管片定位精度的前提

5、下，拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最大平均回轉(zhuǎn)速度可以達(dá)到4.73 r/min，該數(shù)值約為現(xiàn)有管片拼裝機(jī)最大回轉(zhuǎn)速度(1.5 r/min)的3倍，于此同時(shí)可以將高速回轉(zhuǎn)過(guò)程中的沖擊力矩降為采用位置控制的管片拼裝系統(tǒng)沖擊力矩的30％左右。
　　本論文主要章節(jié)及研究?jī)?nèi)容如下:
　　第一章，介紹了盾構(gòu)機(jī)工作原理及國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展概況，分析了盾構(gòu)推進(jìn)電液控制技術(shù)、盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)和軌跡跟蹤控制技術(shù)和管片拼裝控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)課題主要研究?jī)?nèi)容、研

6、究背景和意義進(jìn)行了闡述。
　　第二章，分析了盾構(gòu)推進(jìn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度，建立了盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)工作空間的約束方程，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下普通盾構(gòu)和被動(dòng)鉸接盾構(gòu)的工作空間，揭示了推進(jìn)機(jī)構(gòu)工作空間與盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系，提出了以盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)工作空間分析為基礎(chǔ)，綜合考慮隧道設(shè)計(jì)軸線最小曲率半徑、隧道擬合誤差、液壓缸分布直徑等因素的推進(jìn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并將該方法應(yīng)用于針對(duì)特定隧道工程的某型盾構(gòu)參數(shù)個(gè)性化設(shè)計(jì)。
　　第三章，建

7、立了典型隧道設(shè)計(jì)軸線的參數(shù)方程，提出了盾構(gòu)沿典型隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)過(guò)程中推進(jìn)系統(tǒng)各分區(qū)液壓缸行程的計(jì)算方法，并分析了盾構(gòu)以特定速度沿直線型、圓曲線型和緩和曲線型隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)時(shí)各分區(qū)液壓缸活塞桿速度與加速度特性以及液壓缸缸筒擺動(dòng)角速度、角加速度特性，為盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)提供了目標(biāo)參數(shù)。
　　第四章，分析了盾構(gòu)位姿調(diào)整運(yùn)動(dòng)特性，建立了盾構(gòu)推進(jìn)電液控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以及盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)載荷模型，針對(duì)不同隧道地質(zhì)條件和隧道設(shè)計(jì)軸線類型提

8、出了以推進(jìn)液壓缸位移為控制目標(biāo)和以盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡為控制目標(biāo)的兩種盾構(gòu)姿態(tài)和軌跡跟蹤自動(dòng)控制系統(tǒng)，研制了用于進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)和軌跡跟蹤控制的試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)仿真分析與模擬試驗(yàn)兩種方式，驗(yàn)證了所提出的盾構(gòu)位姿和軌跡自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的有效性，比較了兩套系統(tǒng)在不同條件下的系統(tǒng)特性。
　　第五章，分析了管片拼裝運(yùn)動(dòng)工作特性，提出了兼顧管片拼裝定位精度和拼裝運(yùn)動(dòng)速度的高效管片位姿控制技術(shù)，建立了管片拼裝電液控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了采用四種不同管片拼