超大断面盾构推进电液控制系统低围岩扰动调控方法项目摘要

降低掘进过程中盾构对围岩的扰动是防止地表变形、塌陷的关键。前期研究发现，超大断面盾构掘进过程中存在严重的围岩扰动问题，包括盾构姿态调整对围岩挤压引起的“调姿扰动”和电液系统工作参数快速切换引起的“变参扰动”。上述问题是制约超大断面盾构安全掘进的瓶颈。.本项目针对上述问题，一方面分析掘进过程中盾构与围岩相互作用的力学行为，建立围岩对盾构的多维载荷模型，揭示断面异类围岩对盾构姿态、轨迹的影响规律，在此基础上对推进电液系统驱动力进行预先调控，实现干扰补偿，降低“调姿扰动”；另一方面，建立大功率推进电液系统多维度耦合分析模型，研究系统控制阀特征参数快速切换引起的系统压力冲击对掘进界面的影响，提出推进电液系统控制阀特征参数切换规律优化方法，实现控制参数低围岩扰动切换，降低“变参扰动”；基于上述工作，形成超大断面盾构推进电液系统低围岩扰动调控方法。预期成果对提高超大断面隧道施工的安全性具有积极意义。

项目针对超大断面盾构尺寸、自重和电液系统功率的增加，引起盾构掘进姿态改变和电液系统控制参数调整过程中围岩扰动过大的问题，从掘进载荷建模、推进电液系统扰动分析与参数优化、复杂地质条件下盾构推进电液系统控制方法三个方面，研究了超大断面盾构推进电液系统低围岩扰动调控方法。分析了掘进过程中盾构与围岩相互作用的力学行为，研究了围岩地质参数、掘进装备动力参数、位姿参数对掘进载荷的影响规律，综合考虑掘进载荷的多种影响因素及其不确定性，提出了数据驱动的掘进载荷建模方法，实现了盾构在非均匀地层中掘进载荷的预测和分析，并结合施工实例，对载荷模型的有效性进行了验证；运用CFD数值模拟方法以及代理模型技术，分析了液压系统控制阀特征参数切换过程中系统压力与流量瞬变特性，以减小压力扰动幅值为优化目标，利用正交实验设计方法筛选主要影响参数作为设计变量，运用最优拉丁超立方法构建采样空间和代理模型，采用模拟退火算法求解模型全局最优解，获取了具有最小系统扰动特征的推进电液系统参数组合；针对盾构位姿调整运动特性及地层对盾构约束载荷特性进行了分析，建立了盾构位姿调整过程的动力学方程，在围岩载荷信息前馈、推进电液系统参数调整规律优化基础上，提出了具有低围岩扰动特征的超大断面盾构推进电液系统调控方法，并通过模拟实验对所提出的盾构推进电液系统调控方法的效果进行了验证。通过项目的实施，目前已发表论文7篇，其中SCI论文5篇（JCR Q1 3篇，JCR Q2 2篇），EI论文2篇，授权发明专利7项，受理发明专利2项，获得2018年辽宁省自然科学学术成果奖二等奖1项，国际会议最佳论文奖（Best Paper Award）1项。 2100433B

《超大特长盾构法:隧道工程设计》内容简介：我国大型盾构法隧道工程建设起步稍晚，但随着经济建设发展、大深度地下空间开发和大断面道路隧道需求的增长，盾构法隧道已得到了广泛的运用，而超大、特长盾构法隧道工程设计已成为新的热点和难点。

全书共分六章，依托目前世界上最大直径、特长距离、深埋的上海长江隧道的工程设计，紧扣超大、特长隧道的特点，着重介绍大直径衬砌结构受力性能、挠曲刚度分析；特长隧道导致的通风、排烟、降温难题的解决；多功能隧道防灾体系综合考虑；高水压下衬砌防水设计优化以及长大隧道结构动态响应全三维数值仿真分析等。还详细介绍了1：l衬砌结构试验；隧道内喷雾降温试验与研究；隧道全比例火灾试验；混凝土结构防火抗爆裂试验以及试验研究成果的及时转化。

书中突出总体设计方案的沿革，优化过程；各子系统的比选、设计，新技术、新材料、新工艺、新设备的运用。同时还介绍了一些新的见解与工程实践，并通过运营后的工程检测，反映工程建设质量良好。

希望《超大特长盾构法:隧道工程设计》的出版能对工程设计人员、科研人员提供很好的借鉴并有所参考助益。

前言

第1章 绪论

1.1引言

1.2盾构的发展历史及研究状况

1.2.1盾构发展历史

1.2.2国外盾构研究状况

1.2.3国内盾构研究状况

1.3土压平衡盾构推进系统研究

参考文献

第2章 推进系统力学建模

2.1推进系统受力分析

2.1.1推进系统掘进阻力分析

2.1.2推进系统水平阻力矩分析

2.1.3推进系统纵向阻力矩分析

2.2推进系统力学模型构建

2.3本章小结

参考文献

第3章 推进系统力传递特性分析

3.1均匀地层下推进系统空间力椭圆模型构建及力传递特性分析

3.1.1均匀系统空间力椭圆模型构建及力传递特性分析

3.1.2四分区系统空间力椭圆模型构建及力传递特性分析

3.1.3非均匀系统空间力椭圆模型构建及力传递特性分析

3.1.4空间力椭圆模型应用

3.2复合地层下推进系统空间力椭圆模型构建及力传递特性分析

3.2.1推进系统偏心率“树干”模型构建及力传递特性分析

3.2.2推进系统偏心率圆锥面模型构建及力传递特性分析

3.2.3推进系统适应性模型构建及力传递特性分析

3.3本章小结

参考文献

第4章 推进系统力传递评估方法及指标

4.1偏心率“树干”法

4.2推力变化相对系数法

4.3推力变异系数法

4.4本章小结

参考文献

第5章 推进系统设计及应用

5.1盾构推进系统承载能力分析

5.1.1获取基于空间力椭圆模型的承载系数

5.1.2推进系统力承载系数特性分析

5.1.3盾构推进系统承载特征线模型的应用

5.2基于变刚度推进系统变形特性分析

5.2.1盾构推进系统变形椭圆模型构建

5.2.2均匀系统变形特性分析

5.2.3非均匀系统变形特性分析

5.2.4复合地层下推进系统变形树干模型构建

5.3基于变刚度推进系统振动固有频率特性分析

5.3.1推进系统振动模型构建

5.3.2推进系统振动频率线构建

5.4均匀地层下推进系统布局设计优化方法及应用

5.4.1推进系统布局设计总体性评价指标

5.4.2均匀地层下盾构非均匀推进系统布局优化设计

5.4.3均匀地层下盾构分区推进系统布局优化设计

5.5复合地层下推进系统布局设计优化方法及应用

5.5.1等差布局设计

5.5.2几何级数布局设计

5.5.3北京、石家庄等城市地铁隧道施工建设案例

5.5.4德国杜塞尔多夫城市地铁隧道施工建设案例

5.6本章小结

参考文献 2100433B

本书首先介绍了盾构的发展历程、国内外相关研究成果和土压平衡盾构推进系统的研究现状，建立了盾构推进系统的力学模型，构建了均匀地层和复合地层下的盾构推进系统空间力椭圆模型；之后对该空间力椭圆模型的传递特性进行了分析，提出了推进系统力传递评估方法及指标;*后介绍了盾构推进系统的结构特性分析和设计优化方法，并给出了相关地铁隧道施工建设的实际案例。

本书可供高等院校机械工程相关专业的高年级本科生和研究生使用，也可供从事工程设计、优化评估等方面的工程技术人员和科研人员参考。