盾构推进姿态控制策略研究

为提高盾构施工过程中姿态控制系统的控制精度和控制性能，提出一种盾构推进姿态控制策略。该策略将轨迹自动跟踪控制方法与模糊自适应PID闭环控制算法相结合，通过轨迹、位移、压力等多个闭环反馈实现对各个分区液压缸的速度控制，保证盾构推进轨迹按照设计的隧道轴线运行，并通过电液控制试验平台中的推进系统对提出的策略进行试验验证。结果表明，文章提出的控制策略能够使位移偏差维持在5 mm之内，可以很好地满足施工要求。     

土压平衡盾构施工风险监控系统及参数预警研究

为提高土压平衡盾构施工过程中的风险管控力度，增加盾构施工参数控制的精细化程度，做到盾构施工参数异常自动预警，设计并研发一种基于B/S构架的盾构施工风险监控系统。首先，对土压平衡盾构施工过程中的安全风险管控需求进行总结，建立系统的基本构架，确定系统的基本功能；其次，对盾构施工参数自动预警进行研究，提出参数预警的判断准则及判断方法，并将参数预警整合于盾构风险监控系统中，实现施工参数的自动预警；最后，通过缜密的算法及合理的界面设计完成风险监控系统的研发。系统的主要功能包括： 盾构参数监控、参数分析、参数预警、风险管控、施工管理等。     

土压平衡盾构在砂卵石地层中穿越城市河流施工关键技术

北京地铁10号线二期工程(公主坟站—西钓鱼台站区间和西钓鱼台站—慈寿寺站区间)盾构区间在砂卵石地层长距离下穿昆玉河,为了摸索出一套适合土压平衡盾构砂卵石地层下穿城市河流的施工方法,通过在穿河之前设置试验段优化施工参数,穿越期间有效控制土仓压力、盾构推进速度、螺旋输送机出土速度,调整注浆压力、注浆量和盾尾油脂用量,及时进行同步注浆和二次补浆等技术措施,盾构成功穿越河流并解决了螺旋输送机喷涌、被卡等重大风险,保证了河堤变形在产权单位要求的范围内,为今后类似工程积累了施工经验。     

基于推进压差和回转压力变化的钻孔参数自动匹配系统设计

为解决凿岩台车钻孔参数自动匹配的问题,对冲击回转凿岩形式的钻进过程进行建模仿真,分析不同推进压力、冲击压力和回转压力等凿岩参数对钻进效率的影响,获取最佳钻进状态下凿岩参数的匹配关系; 在此基础上,设计基于推进压差和回转压力的钻孔参数自动匹配液压控制系统,并用于某型凿岩台车进行实测,验证以下结论: 1)冲击压力能够随推进压差变化自动调整; 2)随着回转压力变化,系统能够判别卡钎状态,并准确做出减缓钻孔速度、停止推进、开始回退等响应动作。     

盾构土压平衡动态神经网络逆控制技术研究

盾构密封舱的土压平衡作为地表沉降控制的关键因素对盾构安全施工具有重要保障。为映射影响土压平衡掘进参数之间的非线性耦合关系，增强非线性控制模型的动态性能，提高土压平衡的控制精度，根据盾构施工中影响密封舱内土压平衡的掘进参数调控的难易程度，依托现场监测数据建立基于动态神经网络逆控制前馈作用下的螺旋输送机转速控制模型。对控制模型的性能与效果进行分析验证，结果表明： 动态神经网络输出的前馈螺旋输送机转速能够对推进速度、刀盘转矩的变化响应灵敏； 在给定掘进条件下与通过人工调节螺旋输送机转速控制土舱压力的方法相比，动态神经网络逆控制前馈作用下密封舱土压的最大波动误差由9.8%降为5.3%。     

汕头海湾隧道复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测研究

为研究复合地层超大直径泥水盾构掘进参数之间的复杂关系，以汕头海湾隧道工程为背景，选取700环掘进数据，通过优选函数类别和网络结构，建立基于BP神经网络的复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测模型，定量预测刀盘转矩、刀盘能耗和平均泥水压力。研究表明： 1）复合地层盾构贯入度和掘进速度、贯入度和刀盘转速、刀盘电流和刀盘转速的皮氏积矩相关系数绝对值均在0.75以上，具有良好的线性相关性，其他掘进参数之间相关性较不明确； 2）复合地层盾构刀盘转矩和刀盘能耗预测值与实际值的算术平均误差在5%左右，平均泥水压力预测值与实际值的算术平均误差为1.31%，预测精度较高，满足盾构施工要求； 3）基于BP神经网络预测模型，软土地层各掘进参数预测效果得到进一步提升； 4）根据BP神经网络预测模型输入参数定量预测其他掘进参数，操作简单，预测效果良好，能够为盾构主司机提供参考，同时提高施工效率，为实现智能掘进打下基础。     

基于参数智能化采集的盾构管片自动选型算法研究

为解决人工管片选型给盾构姿态和成型管片质量带来的隐患，将成熟的人工管片选型经验逻辑和合理简化计算模型根植于管片自动选型决策算法的内核，以影响管片选型的施工参数为研究对象，提出综合考虑盾尾间隙、推进油缸行程差和盾构趋势的管片选型计算方法和决策算法，预先考虑各影响因素实际施工中所有可能出现的取值范围以及不同施工工况下的权重变化。该软件首次针对大直径盾构特点开发8组盾尾间隙和6组油缸行程的算法，借助盾尾间隙智能化测量和监控屏幕参数图像识别技术，实现通用型管片选型参数智能化采集。在盾构隧道施工中配套使用，经多个项目现场验证和应用，管片选型算法合理，契合现场施工要求，起到规范或代替人工管片选型施工、保障成型隧道质量和盾构掘进姿态的作用。     

基于K means聚类算法的盾构掘进参数设定方法研究

盾构掘进参数的合理设定是保障盾构隧道施工质量和安全的基础。为实现掘进参数的准确设定,基于典型工程类比设定理论,将K means聚类算法与经验公式设定法相结合,提出盾构掘进参数类比设定法（SAPAS）,实现典型工程工况掘进参数的自动提取和匹配。与传统的经验公式法相比,SAPAS改善了经验公式的实际使用效果,能够更准确地进行参数设定,有利于提高施工质量和安全。通过在上海轨道交通的部分工程中进行实践,取得了良好的施工效果。     

基于BP-PID控制器的盾构液压推进控制系统研究

为解决盾构在复杂地层施工时推进速度和压力难以控制的问题,在压力流量控制的基础上提出BP神经网络控制策略。通过AMESim建立推进系统物理模型,并利用Simulink设计出BP神经网络控制器,最后对系统进行联合仿真,分析推进系统液压缸在变流量和变负载工况下推进速度和压力的响应特性。仿真结果表明:该控制策略与常规PID控制相比,波动幅度降低,调节时间快。采用BP神经网络PID控制能够有效地提高盾构在负载突变情况下速度和压力控制精度,稳定性好、适应能力强,为盾构控制系统设计和优化提供理论参考。     

盾构施工沉降多源数据实时交互平台开发

针对现有的平台无法实现盾构施工过程中多源信息的实时交互，造成施工关键信息沟通不畅而引发沉降过大的难题，以施工过程中盾构PLC掘进参数、隧道周边建（构）筑物情况、掘进土层信息和监测数据等多源信息为对象，开展多源数据的自动获取与时空融合方法的研究，开发基于移动互联的盾构掘进多源信息实时交互平台，使项目参与人员实时了解盾构施工情况并针对特定问题开展互动讨论，以解决盾构施工过程中信息沟通不畅的难题。通过在济南地铁R3线穿越老旧居民楼群的应用，实现了穿越施工地上地下数据联动，解决了盾构施工沉降控制过程中的协同管理难题，实现了既有老旧居民楼沉降控制在-5 mm以内的微沉降控制目标。     

基于自动深度学习盾构掘进姿态预测与控制

提出了基于自动深度学习（AutoDL）算法和多目标优化算法的结合可实现数据驱动的姿态偏差控制指导,用于盾构掘进姿态的预测与控制,以解决现有盾构掘进姿态预测中所面临的执行难度高、成本高、效率低等问题,可用于自动精准地预测盾构掘进姿态随着工程进展的动态变化趋势,并针对盾构机施工状态执行多目标优化算法,快速自动搜寻最优策略,实时调整合适的盾构操作参数,减少对于现场操作人员经验和主观判断的依赖。以上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟LNG站管道工程隧道A线工程为例,展示该算法框架的优越性。研究结果有助于降低深度学习进入盾构智能控制领域的门槛,推动智能盾构发展。     

马蹄形盾构的工程应用解析

相较于圆形断面,马蹄形隧道有空间利用率高的优势,浩吉铁路白城隧道在国内首次采用马蹄形土压平衡盾构施工，具有安全、快速、环保的特点。通过梳理盾构施工的统计数据，发现其月平均施工效率达203 m，且每环拼装效率为38～43 min，但突遇姜石地质给施工带来很大的困难。本文阐述了盾构4个施工阶段的应用效果，解析了开挖盲区对多刀盘开挖和推进系统的影响、渣土改良和双螺旋输送机对陕北黄土地质施工的应对措施、马蹄形管片拼装机在应用中的优势与不足。为拓宽马蹄形盾构适用地质领域和提高施工效率，建议盾构今后的技术突破方向： 全断面仿形刀盘的开发和管片拼装系统的智能化，前者可实现盾构无盲区开挖、提升出渣系统效果和降低总推力的需求，后者有利于减少人员操作难度，提高拼装工艺的精准度。     

汕头海湾隧道超大直径泥水盾构针对性设计及不良地质施工技术

为应对海域环境土-岩-孤石复合地层超大直径泥水盾构施工存在的重难点及风险,以汕头海湾隧道为工程依托,对泥水盾构的刀盘刀具、冲刷系统、主驱动等进行针对性设计以提高设备适应性,并在孤石处理、刀具配置、掘进参数、施工管理等方面采取针对性施工方案。通过采取以上措施,实现了降低刀具损坏、控制管片上浮、提高施工效率的效果,保障盾构安全、快速通过了不良地质地层。     

钢套筒始发技术在地铁盾构施工中的应用

伴随着现代城市建设的不断进步,地铁交通以其安全性、效率和环保性在社会实践中的应用越来越广。在进行地铁建设时,由于地质环境的复杂性和多变性,施工难度大,存在很大的不确定性,采用盾构法来进行隧道施工,有利于提升地铁工程的安全性和质量。当地铁施工位于城市闹市区,因地面管线复杂影响盾构区间端头加固时,采用钢套筒始发施工工艺,可以保障盾构机在不进行端头加固的前提下顺利安全完成始发任务。从钢套筒始发施工角度出发,对施工基本原理、施工工艺、施工控制进行研究分析,结合并安西区间钢套筒成功始发的案例,对工序进行深入分析,结果表明该技术能够节约成本,经济和社会效益良好。     

狭小空间条件下盾构分体始发施工技术研究

为解决武汉江夏清水入江项目八分山片排水改造工程盾构隧道始发井空间狭小、无法按常规始发施工技术进行盾构设备组装、始发掘进施工的难题,通过对工程水文地质、始发井及隧道结构进行分析研究,并对盾构附属设施、负环结构、出渣系统等进行改造,增加临时推进装置,提出一种分部组装与分部推进相结合的分体始发施工技术,可解决始发空间小、盾构组装、始发与设备材料垂直运输、人员进出困难的问题,始发施工过程安全、顺利,地面沉降符合要求,说明采取的分体始发技术实施效果良好。     

基于大数据的盾构掘进与地质关联关系分析方法

为解决盾构掘进参数设定主要依赖盾构司机的经验，且掘进过程中影响因素较多，很难做到掘进参数与地质参数有效关联的问题，依托盾构TBM大数据平台的海量数据，通过施工经验对关联掘进与地质的参数进行选取和分类，并确定关联参数的范围。通过参数范围界定、数据连续性分析和数据频次统计等方式进行数据的初步清洗；通过提取变量的数字特征建立分布统计算法模型库的方式，对数据库中的数据实时处理，去除异常数据并确定经验区间的频数分布；通过对各关联参数的组合检索，进行关联参数的可视化分析，得到不同盾构在各类地质中主要掘进参数（如刀盘转速、刀盘转矩、掘进速度、油缸推力等）的经验区间和关联关系。将该关联分析方法部署在盾构TBM大数据平台，经过长时间的应用和现场反馈，验证了该方法的适用性和有效性，对盾构施工及盾构选型具有积极的指导作用。     

基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究

刀具磨损检测已经成为盾构法施工隧道的关键技术之一,也是施工遇到的最大难题之一。为实现实时探查复杂地质条件下刀具磨损情况,掌握刀具磨损变化规律,及时更换刀具,减少盾构被迫停机次数,加快施工进度,结合超声波检测技术及无线通讯技术,研发一套盾构切刀磨损检测系统。现场应用证明:1)系统检测结果与实际测量结果一致性较好,超声波检测技术可用于盾构刀具磨损检测;2)433 MHz频段无线通讯技术传输信号准确、可靠,可用于盾构刀具在线实时测量;3)检测系统运行状态稳定,其方案设计合理,具有抗振、抗干扰和防水的性能。     

基于盾构掘进参数的孤石地层识别方法研究

为了在盾构掘进过程中准确识别孤石地层，保证施工安全，运用理论分析与工程数据验证，研究孤石地层识别方法。基于盾构掘进比能，结合主掘进参数，提出修正比能（SM），构建孤石地层SM识别模型及识别矩阵。运用BP神经网络技术，以实测掘进参数作为训练样本，建立孤石地层神经网络识别模型，具有极高的识别精度。利用盾构掘进数据对孤石地层识别方法进行工程验证。研究结果表明： 1) 修正比能法具有较强的容错能力、稳定性及特异性，识别效果优于掘进比能法； 2) 2组实测数据下，神经网络识别结果与识别矩阵的吻合率达到98.3%和98.8%； 3) 以修正比能法为基础，结合神经网络法作为辅助与参考对孤石地层进行双重识别，具有较好的工程实际意义。     

基于同块同压原则的盾构推拼同步技术模型试验研究

为解决长距离隧道单台盾构掘进施工工期过长问题，以上海市域铁路机场联络线3标盾构区间为示范应用工程，在不改变盾构驾驶人员操作习惯的前提下，研发一种对盾构推进油缸压力进行闭环主动控制的推拼同步施工技术，以维持推进系统稳定的总顶推力矢量。同时，给出基于同块同压原则缺失顶力的再分配计算方法，并通过构建相似比为1/2的大型试验平台对成套技术进行试验验证。试验结果表明： 原型盾构推进系统总顶推力误差控制为±4%； 盾构姿态水平和垂直偏差控制为±12 mm； 盾构推进速度控制为设定速度的（-6，+6） mm/min； 管片结构抗压安全系数达2.13。