基于PSO算法的盾构掘进参数寻优方法及应用

为了辅助盾构机司机驾驶盾构机，提供相应的操作建议，依托9座盾构隧道工程，选取5 075 101条盾构掘进状态的时间步数据，分别以盾构耗能最小和施工工期最短为决策目标，基于PSO算法对盾构机司机主动操作的刀盘转速和总推力两种掘进参数进行寻优，从而根据不同种类土的寻优范围给予司机实操建议，并对比优化前后的效果。研究发现：（1）以盾构耗能最小为决策目标优化后，刀盘转速和总推力的分布范围大幅度缩小，分布范围由大到小依次是砂层、土层和砾石层，掘进速度也有一定的提升。（2）以施工工期最短为决策目标优化后，刀盘转速的分布范围由大到小依次是土层、砂层和砾石层；总推力和掘进速度的分布范围由大到小依次是砂层、土层和砾石层。优化后能显著提高掘进速度，缩短工期。（3）以工期最短为决策目标的刀盘转速、总推力和掘进速度总体上大于以耗能最小为决策目标的刀盘转速、总推力和掘进速度。适当增加刀盘转速和总推力可以增加掘进速度，缩短施工工期。     

土压平衡式模型盾构机的研制

文章针对一台φ52 cm模型盾构机的设计和制造进行了论述,该模型盾构机由盾壳、推进机构、掘削机构和出土机构四大部分组成,其中盾壳为0.6 cm厚的钢制圆筒,推进机构由四台双向千斤顶构成,掘削机构包括刀盘、主轴承和刀盘电机等,出土机构包括螺旋出土器和电机。模型盾构的推进、掘削和出土等操作由控制台完成。该模型盾构机可在室内完成刀盘掘削、出土、推进、管片拼装及盾尾注浆等过程,为盾构隧道掘进的室内模型试验提供了一种新的途径。     

岩质地层盾构掘进施工控制参数分析

盾构机掘进施工参数的影响因素繁多,盾构机各参数之间的相关性研究主要以理论分析为主,盾构掘进施工参数的影响因素与影响机制难以阐明。文章对大连岩质地层中土压平衡盾构掘进施工控制参数进行了收集与分析,结果表明:盾构机的总推力与顶推速度、刀盘转速与刀盘扭矩以及螺旋输送机转速与其扭矩的相关性均不显著;因岩质地层中土拱效应明显,盾壳与围岩之间的摩阻力较小,总推力主要用于提供刀盘与开挖面之间的水平相互作用力;盾构机的螺旋输送机转速与盾构机顶推速度之间的相关性显著;螺旋输送机通过转速来调整土舱饱满度,进而影响开挖面上被切削的土体进入土舱内的难易程度,因此螺旋输送机的渣土输出效率对顶推速度与刀盘扭矩影响明显。     

泥水盾构的掘进模式及操作

文章首先介绍了泥水盾构有两种掘进模式:泥水平衡式和D模式;对比了两种掘进模式的特点和适应范围;重点介绍了盾构操作的前提、准备工作和掘进中需要控制的主要项目:排浆泵流量和开挖面泥水压力的协调控制,盾构推力、刀盘压力、刀盘转速和掘进速度的协调控制,盾构掘进方向的控制,同步注浆的控制。     

泥水平衡盾构穿越富水砂砾层施工技术研究

文章依托沈阳地铁十号线11标长青桥站—浑南大道工程,该工程区间全长1.6 km,采用?6240 mm泥水平衡盾构施工,穿越段以富水砂砾层为主,最大粒径110 mm,在施工过程中,通过优化调整刀盘的合理选型和泥浆参数,有效地减少了刀盘的磨损,全程未更换刀具。研究表明:通过分析盾构设计阶段刀盘的选型配置和隧道贯通后刀具的磨损情况,提出了一套有针对性的泥水盾构刀盘配置;通过分析施工掘进参数可知,提高泥浆粘度虽然可以增加泥浆支护效果,但易在盾构刀盘的正面形成泥饼,导致正面砾石无法顺利进入土舱内,进而造成扭矩及推力的异常;通过分析不同粘度、比重下盾构机扭矩及推力的变化,总结了富水砂砾层中泥浆参数的合理指标,对今后类似工程的施工具有借鉴意义。     

大直径双模盾构浅覆土无障碍始发变形控制研究

为探究浅埋环境下大直径双模盾构无障碍始发过程中的变形控制策略，依托新建成蒲铁路紫瑞隧道盾构掘进区间工程，利用FLAC 3D软件建立可视化数值模型，并结合现场监测数据和施工参数，对双模盾构无障碍始发全过程进行模拟，研究刀盘切削洞门围护桩时所施加刀盘推力的数值特征对于桩后土体位移的影响；通过对比不同加固范围的位移控制效果，验证传统加固理论及其改进方法在无障碍始发下的应用可行性。结果表明：（1）刀盘推力的数值特征对于桩后土体位移的影响存在地层差异性，黏性地层下的影响效果要显著于圆砾、砂卵石这类非黏性地层；（2）不论何种地层，刀盘推力梯度对于桩后土体位移的影响效果均要显著于推力数值大小；（3）传统加固理论及其改进方法在无障碍始发下仍可应用，其中横向加固宽度的理论计算值偏于保守，纵向加固长度则基本满足土体稳定性要求；（4）始发段盾构模式转换位置的选择对于后续施工引起的地表竖向位移有着显著影响，建议选在加固区域内或靠近加固区边界处。     

盾构隧道施工地层变形三维解及影响因素分析

文章以某区间隧道富水砂层条件下盾构施工过程为研究对象,重点考虑了盾构正面附加推力、刀盘与土体之间的摩擦力、盾壳与土体之间的摩擦力、地层损失及盾尾同步注浆压力五方面因素的影响,建立了盾构推进力学模型。基于Mindlin解,建立了考虑同步注浆压力及刀盘摩擦力影响的地层变形三维解析解,并结合现场监测数据和数值分析结果对其进行了验证。分析结果表明:盾构施工引起的横向地表变形曲线呈"V"形,纵向地表变形历时曲线呈"S"形;刀盘与土体之间的摩擦力引起的地层变形曲线左右两侧呈反对称分布;盾尾同步注浆压力引起地层隆起变形,设置合理的注浆压力并及时注浆能有效控制施工变形。该方法得到的结果更为合理,可用于预测盾构施工阶段的地层变形。     

某型复合盾构刀盘的有限元静动态特性分析与优化

盾构刀盘受力情况的研究可以为盾构施工选型、刀盘的优化设计提供依据。文章在对盾构刀盘进行受力分析的基础上,利用ANSYS有限元分析软件对东莞地区某型大直径盾构刀盘进行了静力学分析,得到了在复合地层工况下盾构刀盘的应力与变形情况;对刀盘进行模态分析,得到了刀盘的振动特性;对刀盘结构进行优化改进,改善了刀盘的受力情况。结果表明,该型盾构刀盘在复合地层施工过程中刀盘最大应力为251 MPa,低于屈服极限345MPa;刀盘前6阶固有频率范围为38.803~64.842 Hz,满足强度和刚度要求,有利于在施工过程中控制地面沉降和保证施工的安全,同时也为隧道工程盾构选型提供了依据。     

大直径泥水盾构刀盘刀具应用技术

长大隧道地质情况变化较大,盾构施工中刀盘刀具面临较多问题,尤其刀盘的磨损及刀具损坏是施工中经常遇到的一大难题,加强刀盘刀具技术管理成为大直径复杂地层泥水盾构施工管理的重要环节。文章以广深港客运专线狮子洋隧道盾构施工为例,从影响刀盘磨损及刀具损坏的原因分析至对刀盘的技术管理进行了分析研究,总结出了大直径复杂地层泥水盾构施工刀盘应用技术,对类似项目的盾构施工具有一定的借鉴和参考价值。     

泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究

为实现土压平衡盾构快速高效掘进,文章依托厦门地铁2号线3标湿地公园站—五缘湾站区间盾构施工,进行盾构主要掘进参数的影响因素研究,分析了泡沫剂参数与盾构掘进参数的内在关系。通过4种泡沫剂的室内配比试验,并结合现场试验,研究泡沫剂浓度、气液比和泡沫注入比对改良土体的内摩擦角和容重的影响。结果表明,泡沫剂浓度增大1%,渣土内摩擦角减小约2.43°;泡沫剂各参数对刀盘扭矩影响程度是泡沫浓度泡沫流量膨胀率,对盾构推力影响程度是泡沫浓度膨胀率泡沫流量,泡沫浓度对两个掘进参数的影响都最大。当采用改变泡沫系统参数来改善掘进状况时,优先选择改变与掘进参数具有显著线性关系的泡沫浓度,来控制盾构推力和刀盘扭矩达到合理的数值范围,保证盾构安全、顺利掘进。在该工程施工中,泡沫浓度每提高1%,盾构推力平均减小约1 710 kN,刀盘扭矩平均减小约316 kN·m。     

盾构机刀盘的地质适应性设计研究

为了提高盾构机的地质适应性,减少盾构施工过程中因地质因素造成的工程问题,盾构机刀盘必须根据地质条件进行地质适应性设计.文章基于多个盾构隧道施工实践,分析了国内外盾构隧道施工中出现的掘进困难、刀盘刀具快速磨损、结泥饼和开挖面失稳等工程问题,发现刀盘对岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质条件不适应是产生这些工程问题的根本原因.基于岩土体与刀盘相互作用的机理和盾构施工经验,文章分别总结了刀盘结构、刀具选型布置和刀盘碴土改良装置在地质适应性方面的设计经验.     

盾构刀盘开口率对掘进参数影响的模型试验研究

文章通过模型试验,对盾构开挖过程中刀盘开口率对盾构各参数之间的影响进行了研究,试验监测了不同刀盘开口率条件下盾构土舱面板处压力的变化情况以及土压力的传递和分布状态,研究了盾构刀盘开口率引起的土舱内外压力变化规律,同时对开挖面和土舱面板之间的压差进行了讨论,基于试验研究内容,进一步利用粘性流体力学理论建立了相关公式,可以简要分析土舱内外压差的影响因素;讨论了刀盘开口率对刀盘挤土效应和刀盘扭矩的影响关系,提出了两种不同的挤土效应机制,试验结果显示仅靠刀盘推力引发的挤土效应约占全部挤土效应的70%,刀盘转动引发的挤土效应占30%左右,系统分析了刀盘开口率、刀盘扭矩以及挤土效应之间的内在关联。     

泥质粉砂岩地层泥水盾构防止刀盘结泥饼针对性改进

文章以南昌市轨道交通1号线泥水盾构工程为背景,针对泥质粉砂岩地质条件下盾构施工过程中出现的掘进参数异常(平均掘进速度为6~10 mm/min,刀盘最大扭矩达到3 200 kN·m)、刀盘结泥饼、碴土结泥团等不良现象,从刀盘开口率设计、刀具布置及刀高设置优化等方面进行了刀盘刀具配置针对性设计,以降低出现结泥饼现象的可能性;同时,在分析泥水盾构冲刷系统工作原理的基础上,结合地质特点,对原冲刷系统进行了改造与优化分析。工程应用结果表明,改进后盾构掘进速度能够达到20 mm/min,总扭矩能被控制在2 000 kN·m以内,满足了工程施工需求。     

复合盾构刀具布置分析与研究

复合型盾构施工中,直接与岩土体接触的刀盘,其上刀具的布置是否合理直接影响盾构施工的顺利进行和施工成本。文章从复合盾构刀具布置的基本原则出发,指出了复合盾构滚刀刀间距的布置方式,利用等磨损原则分析了复合盾构刀具布置不同半径上每条轨迹应布置的刀具数量,阐述了不同刀具的螺旋曲线布置方法,并利用实例验证了利用该方法布置复合盾构刀具的合理性。     

浅议土压平衡盾构机刀具的配置、维修和管理

盾构机刀具配置、维修和管理是盾构施工设备管理的重要内容。文章着重介绍了盾构机刀盘的特点和刀具布局,以及分类、维修和盾构施工掘进中刀具的管理;针对不同地层情况,提出了刀盘选型和刀具配备方式;结合深圳地铁2号线东延线2222标段盾构施工实例,对刀具的配置情况、维修和失效形式等作了进一步阐述。     

盾构刀盘系统掘进性能评价方法研究

研究刀盘系统掘进性能评价方法有助于刀盘设计方案的优选,对于提高盾构掘进效率,降低施工成本和提高施工安全性具有重要意义。文章将仿真分析与模糊评价方法相结合,提出一种根据刀盘掘进性能优劣来确定最优刀盘设计方案的模糊综合评价方法。文章首先提出了刀盘的掘进性能指标,建立了刀盘系统掘进的离散元仿真模型和掘进性能指标的获取方法;其次以五个刀盘掘进性能指标为评价因素,根据专家评分法确定因素的重要程度,以仿真和分析数据确定评价因素的等级指标和评价矩阵,并采用广义模糊合成算法对刀盘掘进性能进行模糊综合评价;最后以北京地铁砂卵石地层盾构隧道施工为例,采用模糊综合评价法得出辐条式盾构刀盘掘进性能优于辐板式盾构刀盘的结论。     

珠海横琴三通道盾构切削塑料排水板试验

塑料排水板作为一种软土地基处理过程中遗留在土体里的废品,不易降解,有韧性,给盾构施工带来诸多风险。结合珠海横琴三通道工程,对泥水平衡盾构切削排水板进行模拟试验,对比分析采用不同刀具的刀盘布置形式、不同推进参数下的切削效果。试验结果显示,采用两种刀具均能将排水板切断,断裂长度主要为1 m左右,且刀盘在高转速下切削效果更好。     

盾构泡沫系统优化改造及现场试验研究

在地铁隧道施工中,泡沫系统是影响土压平衡盾构掘进安全、质量和效率的重要因素。文章以杭州地铁一号线盾构隧道工程为依托,针对盾构自带泡沫系统自身不易控制、维修不便、系统复杂且不独立等缺陷,提出了优化改造措施,意在使泡沫系统完全国产化和独立化;通过改造前后泡沫系统操作性、精度控制、系统故障率及经济效益四方面的比较,证明了优化改造后泡沫系统的优异性能;同时,基于优化改造后的泡沫系统,针对杭州粉砂性土的地层条件下进行的盾构推进时泡沫系统施工参数的现场试验,分析了不同泡沫量对刀盘扭矩、推进速度的影响,结果表明泡沫参数适用于粉砂性土层中的盾构掘进。     

φ800mm土压平衡式模型盾构试验系统的研制

文章针对自主研发的φ800 mm土压平衡式模型盾构掘进系统,详细介绍了盾构机壳体、掘削系统、螺旋出土器、推进系统和控制台5个重要部件各自的结构形式、布局特点、参数确定及具体功能等,并指出该模型盾构试验系统可根据不同的需求开展原样土体掘进试验、相似模型试验,以及盾构近接施工等复杂条件下的模拟试验;通过在原样砂土地层中的掘进试验结果,分析了地表沉降形态与发展过程及地层损失率与地层位移间的关系;运用Peck公式对地表沉降进行了计算并与试验值进行了对比,验证了该土压平衡式模型盾构掘进系统的可靠性。     

盾构隧道施工刀盘状态实时监测系统研制

盾构隧道施工中,由于盾构刀盘后面为有压舱,刀盘工作处于"黑箱"状态。为了实时监测盾构掘进过程中刀盘滚刀及刀盘整体的工作状态,研发了一套盾构隧道施工刀盘状态实时监测系统。该系统由传感器、控制与数据传输及算法与显示三个子系统组成;传感器子系统集成了自制的滚刀磨损量与转速传感器、温度传感器、数据采集模块和电源;集成的传感器安装于刀盘滚刀刀箱内,可实时监测滚刀的磨损量、转速与刀盘的温度。采集的数据通过有线或无线传输到中心端,再通过有线方式传送给上位机。上位机软件集成了盾构设计参数及隧道地层参数、盾构施工参数、传感器监测参数,可实时显示传感器采集的参数,并结合地层条件与盾构施工参数综合判定盾构刀盘工作状态,预测滚刀使用寿命。经过实验室测试、工厂测试,结果表明该系统满足设计要求,可用于盾构刀盘工作状态监测。