盾构掘进姿态控制关键技术研究

【摘要】盾构掘进机是一种专用于隧道施工工程的全断面掘进装备,它可以实现隧道建设过程中开挖、支护、衬砌、排渣等自动化和工厂化作业。隧道设计轴线是在综合考虑列车安全、地质条件以及地表建筑物等因素基础上确定的理想隧道轴线,盾构掘进姿态控制技术是保证盾构以正确的姿态沿隧道设计轴线掘进、减少隧道实际轴线与设计轴线偏差、提高衬砌建设质量和效率的关键技术。本文在分析了不同结构参数条件下推进并联机构的定向工作空间和盾构最小转弯半径基础上,建立了描述盾构工作空间与推进机构结构参数的数学解析关系,提出了基于盾构工作空间分析的盾构推进机构关键结构参数设计方法,有效地解决了盾构推进机构结构参数与隧道设计轴线的匹配问题,应用该方法对直径为6.34m的土压平衡盾构推进机构的结构参数进行了设计,使该盾构可以满足隧道设计轴线最小曲率半径为175m且轴线拟合误差最大允许值为10mm的隧道施工技术要求。分析了盾构沿直线、圆弧曲线和缓和曲线三种典型隧道设计轴线掘进时盾构推进姿态变化规律,建立了根据盾构位姿求解各推进液压缸位移的数学模型,提出了盾构沿三种隧道设计轴线掘进时盾构目标位姿和推进液压缸目标运动特性计算方法,从而改进和完善了基于盾构各分区推进液压缸位移协调控制技术的盾构轨迹跟踪控制系统,将该系统应用范围扩展到圆曲线和缓和曲线段隧道施工盾构姿态控制,不再局限于直线段的盾构姿态控制；建立了盾构推进姿态调整过程中的系统动力学模型、电液控制系统数学模型和地层对盾构约束载荷模型,在此基础上提出了以跟踪隧道设计轴线为控制目标的盾构推进姿态自动控制系统,克服了现有盾构姿态自动控制系统对地层参数的识别和预判、地层特性对盾构运动影响规律的依赖性。针对现有管片拼装机位姿控制系统无法兼顾拼装运动速度和精度的问题,研制了采用位置速度复合控制技术的盾构管片高效拼装控制系统,成功地解决了管片拼装机这一大惯量系统高速运动过程中的精度和运动平稳性问题,提高了隧道衬砌的施工质量和效率。已将管片高效拼装控制系统应用于2.2m试验管片拼装机的拼装运动控制,根据试验结果,在保证管片定位精度的前提下,拼装机回转运动的最大平均回转速度可以达到4.73r/min,该数值约为现有管片拼装机最大回转速度(1.5r/min)的3倍,于此同时可以将高速回转过程中的冲击力矩降为采用位置控制的管片拼装系统冲击力矩的30%左右。本论文主要章节及研究内容如下：第一章,介绍了盾构机工作原理及国内外盾构技术发展概况,分析了盾构推进电液控制技术、盾构推进姿态和轨迹跟踪控制技术和管片拼装控制技术的研究现状,对课题主要研究内容、研究背景和意义进行了阐述。第二章,分析了盾构推进并联机构的运动自由度,建立了盾构推进机构工作空间的约束方程,分析了不同结构参数条件下普通盾构和被动铰接盾构的工作空间,揭示了推进机构工作空间与盾构最小转弯半径的关系,提出了以盾构推进机构工作空间分析为基础,综合考虑隧道设计轴线最小曲率半径、隧道拟合误差、液压缸分布直径等因素的推进机构关键参数设计方法,并将该方法应用于针对特定隧道工程的某型盾构参数个性化设计。第三章,建立了典型隧道设计轴线的参数方程,提出了盾构沿典型隧道设计轴线掘进过程中推进系统各分区液压缸行程的计算方法,并分析了盾构以特定速度沿直线型、圆曲线型和缓和曲线型隧道设计轴线掘进时各分区液压缸活塞杆速度与加速度特性以及液压缸缸筒摆动角速度、角加速度特性,为盾构掘进轨迹跟踪控制系统提供了目标参数。第四章,分析了盾构位姿调整运动特性,建立了盾构推进电液控制系统数学模型以及盾构推进系统载荷模型,针对不同隧道地质条件和隧道设计轴线类型提出了以推进液压缸位移为控制目标和以盾构掘进轨迹为控制目标的两种盾构姿态和轨迹跟踪自动控制系统,研制了用于进行盾构推进姿态和轨迹跟踪控制的试验台,通过仿真分析与模拟试验两种方式,验证了所提出的盾构位姿和轨迹自动控制系统性能的有效性,比较了两套系统在不同条件下的系统特性。第五章,分析了管片拼装运动工作特性,提出了兼顾管片拼装定位精度和拼装运动速度的高效管片位姿控制技术,建立了管片拼装电液控制系统数学模型并设计了采用四种不同管片拼装运动控制技术的拼装机控制系统,研制了缩尺管片拼装机试验台,在试验台上开展管片拼装定位运动控制试验,验证每一种控制系统的有效性并分析他们各自的优缺点。第六章,概括和总结了全文的主要研究工作和成果,为未来针对本课题开展进一步研究提供了参考思路和方向。
【作者】王林涛；
【导师】龚国芳；
【作者基本信息】浙江大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】盾构；模拟试验台；隧道设计轴线；推进机构工作空间；推进缸运动特性；掘进轨迹跟踪控制；盾构姿态控制；管片拼装；高效拼装技术；位置速度复合控制；

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