曹麗娟，李守巨，上官子昌

(1.大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧大連 116023;2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024;3.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是超大型高科技施工裝備，因其掘進(jìn)速度較快、施工安全性好、工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益高、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)強(qiáng)度較低而被應(yīng)用于地鐵、隧道等工程領(lǐng)域;由于其能在含水飽和的松軟地層中開(kāi)挖隧道，在地下工程施工中也得到了迅速發(fā)展。繼英國(guó)在20世紀(jì)60年代研制出的泥水加壓盾構(gòu)之后，日本研制出了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)［1］。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)由于適用的地質(zhì)范圍廣和掘進(jìn)性能好而得到廣泛的應(yīng)用。

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)隧道施工過(guò)程中，總會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)周?chē)耐馏w造成一定的擾動(dòng)，使得一定范圍內(nèi)土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起地表變形。盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力分布以及掘進(jìn)參數(shù)的不同，將對(duì)盾構(gòu)機(jī)周?chē)馏w造成不同程度的擾動(dòng)，土體應(yīng)力應(yīng)變將呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，使地表的變形程度也不相同。如何通過(guò)設(shè)定盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)，在保證開(kāi)挖面穩(wěn)定的同時(shí)，減小對(duì)地層的擾動(dòng)，并且使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中能耗最低，這些都是盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)與施工中的重要課題。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙維持適當(dāng)?shù)膲毫κ潜ＷC掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定性和控制地表變形的關(guān)鍵，盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制是一個(gè)典型的時(shí)變動(dòng)力系統(tǒng)辨識(shí)和控制問(wèn)題。圖1是盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓力分析的簡(jiǎn)化模型。

圖1 EPB盾構(gòu)機(jī)的簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of EPB shield

1 盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力優(yōu)化設(shè)置

1.1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的組成及工作原理

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要由盾體、刀盤(pán)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)以及盾尾密封裝置等構(gòu)成。與普通盾構(gòu)不同的是在盾構(gòu)中部增設(shè)一道密封隔板，將盾構(gòu)開(kāi)挖面與隧道分開(kāi)，使密封隔板與開(kāi)挖面土層之間形成一個(gè)密封土艙，刀盤(pán)在密封土艙中切削的渣土積累到一定數(shù)量時(shí)，渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入密封艙的阻力增大。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)正是利用密封艙的土壓力與開(kāi)挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時(shí)，使開(kāi)挖面保持穩(wěn)定，而不致由于開(kāi)挖面的土壓力低于外界壓力而坍塌或高于外界壓力而隆起。也就是說(shuō)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是通過(guò)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸的推進(jìn)，使油缸的推力通過(guò)壓力擋板傳給密封艙內(nèi)被刀盤(pán)切下的土體，形成一定壓力的土體支撐掌子面，而不像通過(guò)其他開(kāi)挖方式的盾構(gòu)機(jī)，其掌子面依靠另外的介質(zhì)支撐;因此，保持刀盤(pán)切削下來(lái)的流入密封艙中的渣土量與從螺旋輸送機(jī)輸排出去的渣土量相平衡才能保證開(kāi)挖工作的順利進(jìn)行。

1.2 盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制存在的問(wèn)題

目前，盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制存在的主要問(wèn)題包括:1)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取密封艙壓力值設(shè)定，缺少足夠的理論依據(jù)，導(dǎo)致地表變形控制不理想;2)由于掘進(jìn)工作面的土壓力無(wú)法直接測(cè)量，一般采用密封隔板的觀測(cè)土壓力作為掘進(jìn)面內(nèi)的土壓力值，沒(méi)有考慮由于刀盤(pán)開(kāi)口率的變化引起的這2個(gè)界面之間的壓力差，缺少密封艙土壓力與掘進(jìn)工作面土壓力之間的映射關(guān)系的研究;3)密封艙壓力控制缺少完備的力學(xué)模型，如密封艙系統(tǒng)的動(dòng)力方程、輸出方程、量測(cè)方程和參考模型等;4)缺少密封艙土壓力與控制變量之間關(guān)系的模型，無(wú)法從力學(xué)本質(zhì)上仿真密封艙土壓力隨控制變量改變而動(dòng)態(tài)變化的特性;5)密封艙壓力控制模型沒(méi)有考慮到地層的隨機(jī)特性和壓力觀測(cè)信息的不確定性等問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確表征密封艙系統(tǒng)的非線性、時(shí)變、時(shí)滯和不確定的動(dòng)力特性，控制模型的魯棒性和穩(wěn)定性較差。

1.3 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的土艙內(nèi)壓力控制方法研究

為了研究設(shè)定土壓平衡盾構(gòu)的土艙內(nèi)壓力值的理論方法以達(dá)到穩(wěn)定地層的目的，很多學(xué)者在這方面做了大量工作。Ronaldo等［2］研究了土體彈塑性本構(gòu)模型的屈服面特性;Woodward［3］做了基于Lade-Duncan破壞準(zhǔn)則的土壓力系數(shù)確定問(wèn)題方面的工作;Bernat等［4］利用有限元數(shù)值模擬方法，提出了預(yù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起的地表沉降方法;Mashimo等［5］提出了確定作用在隧道襯砌上土壓力荷載方法;Anagnostou等［6］研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中工作面穩(wěn)定性條件;Benmebarek等［7］研究了作用在擋土墻被動(dòng)土壓力的數(shù)值模擬方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓力優(yōu)化設(shè)置和控制問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作，取得了一定的進(jìn)展，但如何優(yōu)化設(shè)置密封艙的土壓力仍然缺少理論依據(jù)。Shangguan［8］基于 Rankine的土壓力理論，研究了掘進(jìn)工作面土壓力問(wèn)題，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬，建立了掘進(jìn)工作面土壓力與密封艙隔板可觀測(cè)的土壓力之間的關(guān)系，從理論上解決密封艙壓力的優(yōu)化設(shè)置問(wèn)題。

2 土層力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法研究進(jìn)展

2.1 土層力學(xué)參數(shù)反演分析研究

土層力學(xué)參數(shù)主要有壓縮模量、重度、內(nèi)摩擦角、端阻力系數(shù)、側(cè)阻力系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等。研究土層力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法有助于盾構(gòu)法施工掘進(jìn)參數(shù)的合理確定。

為了便于將刀盤(pán)切削下來(lái)的渣土通過(guò)螺旋輸送機(jī)快速排出，土壓平衡盾構(gòu)將刀盤(pán)切削下來(lái)的棄土送入前端密封艙內(nèi)，通過(guò)攪拌或注入膨潤(rùn)土或水等改性劑后攪拌成塑流化的渣土以增加其流動(dòng)性，以便順利地通過(guò)螺旋輸送機(jī)向外排土，同時(shí)使工作面保持適當(dāng)穩(wěn)定的壓力。土壓平衡盾構(gòu)的這種排土方式具有處理簡(jiǎn)單和可靠性較高的特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。密封艙內(nèi)經(jīng)改性處理的渣土，是一種不同于原狀土體的比較復(fù)雜的顆粒集合體，它既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料，其突出特點(diǎn)就是其渣土顆粒之間充滿(mǎn)改性劑和具有良好的流動(dòng)性。盡管連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)與實(shí)際情況不相符，目前大多的數(shù)值計(jì)算方法都是用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的思路去分析和研究渣土的力學(xué)性狀;因此，應(yīng)從微細(xì)觀角度研究渣土這種具有獨(dú)特的不同于原狀土體材料的連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力－應(yīng)變性狀。

盾構(gòu)機(jī)穿越土層的物理力學(xué)參數(shù)將直接影響到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定性。實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)土層的力學(xué)參數(shù)對(duì)于優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)和有效控制地表變形是至關(guān)重要的。但是，獲得土層變化信息不適于用鉆孔取芯的方法，這是由于刀盤(pán)在掘進(jìn)過(guò)程中不停轉(zhuǎn)動(dòng)。Kim等［9］研究了土體類(lèi)型、隧道尺寸和施工方法對(duì)掘進(jìn)工作面穩(wěn)定性的影響，討論了盾構(gòu)機(jī)推力與工作面土壓力、刀盤(pán)扭矩的關(guān)系，提出了工作面穩(wěn)定的計(jì)算方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了土層物性參數(shù)對(duì)刀盤(pán)扭矩、貫入度、密封艙壓力的影響，為地層物性參數(shù)反演提供了可以借鑒的依據(jù)。國(guó)內(nèi)外的一些公司在地鐵工程施工中，對(duì)采自施工現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和反分析，并且設(shè)定了密封艙壓力的上下限值和報(bào)警值，把刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)速度、貫入度和刀盤(pán)磨損與土層力學(xué)性能聯(lián)系起來(lái)［10－11］。為了實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)工作面前方土層的物理力學(xué)參數(shù)的變化，Kneib等［12］提出了地震層析成像方法，通過(guò)安裝在刀盤(pán)上的信號(hào)接收器實(shí)時(shí)探測(cè)掘進(jìn)工作面及其前方土層的力學(xué)性能，以解決地層參數(shù)識(shí)別問(wèn)題。目前，地震層析成像方法存在的主要問(wèn)題有信號(hào)噪聲問(wèn)題、信息實(shí)時(shí)處理問(wèn)題、地震波傳播特性表征問(wèn)題、過(guò)高的費(fèi)用問(wèn)題以及存在多解性問(wèn)題等。Zhou等［13］提出了根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行地層分類(lèi)和辨識(shí)模型，該模型以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)判斷當(dāng)前巖層為哪一類(lèi)，用以指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。刀盤(pán)在掘進(jìn)過(guò)程中不停轉(zhuǎn)動(dòng)使掘進(jìn)工作面的壓力無(wú)法直接觀測(cè)，而這個(gè)參數(shù)對(duì)于控制地表變形是最重要的。為了解決這一課題，在密封艙的隔板上安設(shè)若干個(gè)壓力傳感器盒，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密封艙內(nèi)的壓力變化情況。理論研究表明:密封艙隔板的壓力并不等于掘進(jìn)工作面的壓力，二者之間存在壓力差，這個(gè)壓力差的大小與渣土力學(xué)參數(shù)及刀盤(pán)開(kāi)口率之間存在映射關(guān)系。因此，只要實(shí)時(shí)觀測(cè)密封艙隔板的一系列觀測(cè)點(diǎn)的壓力，然后根據(jù)掘進(jìn)工作面壓力與隔板壓力之間的映射關(guān)系，采用數(shù)值模擬就可以間接掌握掘進(jìn)工作面壓力的變化情況，進(jìn)而控制地表變形。

2.2 土層力學(xué)參數(shù)的數(shù)值模擬與研究

朱偉等［14］對(duì)比室內(nèi)三軸試驗(yàn)和顆粒流程序雙軸數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，確定了顆粒流模擬砂土的細(xì)觀參數(shù)，并對(duì)盾構(gòu)隧道垂直土壓力的松動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了顆粒流模擬，分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直徑和不同圍巖時(shí)作用在管片上的土壓力、土體位移和土體顆粒接觸力的變化情況。史旦達(dá)等［15］以Toyoura砂室內(nèi)高應(yīng)力一維壓縮試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用二維顆粒流方法中的接觸黏結(jié)模型生成簇顆粒單元來(lái)模擬實(shí)際砂土的顆粒破碎特性。利用數(shù)值試驗(yàn)不僅能得到宏觀的顆粒破碎現(xiàn)象，而且還能通過(guò)分析內(nèi)部接觸力的變化和對(duì)黏結(jié)破裂位置的追蹤來(lái)研究顆粒破碎的細(xì)觀演化規(guī)律，從而可進(jìn)一步探討顆粒破碎的細(xì)觀力學(xué)機(jī)制。

目前大多數(shù)研究者采用試錯(cuò)法確定顆粒離散元模型參數(shù)，即通過(guò)反復(fù)改變模型參數(shù)，使數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到的宏觀特性與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這種方法雖然能夠得到較為滿(mǎn)意的模擬結(jié)果，但在調(diào)整參數(shù)較多時(shí)需要大量時(shí)間并且估計(jì)的模型參數(shù)往往不是最優(yōu)［16］。Franco等［17］以實(shí)際貫入實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)離散元數(shù)值實(shí)驗(yàn)的相對(duì)能量差最小為目標(biāo)函數(shù)，用單純形優(yōu)化方法和數(shù)值模擬相結(jié)合的求解方法估計(jì)砂土顆粒離散元模型中的彈簧剛度和摩擦系數(shù)。周健等［18］基于顆粒流理論，引入不同的顆粒接觸連接本構(gòu)模型，分別建立了砂土和黏性土的顆粒流模型，基本再現(xiàn)了砂土和黏性土試樣應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

3 盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制方法研究

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)由推進(jìn)液壓缸向前推進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削下來(lái)的渣土充滿(mǎn)密封土艙，同時(shí)螺旋輸送機(jī)向外輸出渣土，排出的渣土量必須適當(dāng)，以此保證存留在密封艙內(nèi)的渣土的土壓力能與開(kāi)挖面土層的水土壓力相平衡。排出的渣土量可通過(guò)調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制或通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度控制進(jìn)土量，使盾構(gòu)排土量和進(jìn)土量保持或接近平衡，以此來(lái)維持開(kāi)挖面地層的穩(wěn)定以及防止地表變形。

3.1 盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制模型研究

為了解決盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究和模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，取得了一系列研究進(jìn)展。魏建華等［19］以土壓平衡盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)闡述了盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)制，分析了密封艙土壓力的設(shè)定與控制方法。王洪新等［20］基于模型試驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)土壓平衡盾構(gòu)的3個(gè)基本方程式，進(jìn)而得到土壓平衡盾構(gòu)2個(gè)總平衡方程式，建立土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)理模型，并利用現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)歸納出刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土艙壓力間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。胡國(guó)良等［21］介紹了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)土壓控制實(shí)驗(yàn)，采用自整定PID對(duì)盾構(gòu)密封艙內(nèi)的土壓力進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制。陳立生等［22］提出了在環(huán)境變化時(shí)調(diào)整土艙壓力的新思路，并針對(duì)土艙壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的不確定性，分析了土艙壓力波動(dòng)的原因后，形成了采用土壓平衡比控制盾構(gòu)平衡狀態(tài)的輔助方法。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力與隧道的埋深、土層的物理力學(xué)性質(zhì)和刀盤(pán)的開(kāi)口率以及盾構(gòu)機(jī)的推力有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)外經(jīng)常采用的密封艙壓力設(shè)置計(jì)算方法是Sramoon建議的主動(dòng)土壓力與水壓力之和，再加上10 kPa的波動(dòng)壓力［23－24］;但該方法存在的最大問(wèn)題是沒(méi)有考慮到從掘進(jìn)工作面到密封艙隔板的壓力降低，實(shí)際上是過(guò)高地設(shè)置了密封艙壓力，由此帶來(lái)的問(wèn)題是導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)推力增加，刀盤(pán)與渣土之間的摩擦阻力增大。Koyama［25］將掘進(jìn)工作面的土水壓力近似為梯形分布，給出了土壓力與水壓力分開(kāi)計(jì)算模式(soilwater separated)和土壓力與水壓力整體計(jì)算模式(soilwater integrated)。Bernat等［26］基于土體的非線性本構(gòu)模型，數(shù)值模擬了盾構(gòu)機(jī)與土體之間的相互作用，提出了地表變形分階段模擬預(yù)測(cè)方法，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果比較接近。

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)功能，一些學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制研究中。Li等［27］建立了基于模糊自適應(yīng)PID控制器的盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括密封艙壓力模擬子系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)模擬子系統(tǒng)和壓力控制子系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)密封艙壓力的有效控制。Yang等［28］和曹麗娟等［29］分別將密封艙渣土簡(jiǎn)化為理想的塑性材料，以刀盤(pán)進(jìn)土體積與螺旋輸送機(jī)排土體積相平衡為基礎(chǔ)，數(shù)值模擬仿真和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制問(wèn)題。Yeh［30］提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)控制方法。王洪新等［31］系統(tǒng)地總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的平衡控制理論，論述了面板式刀盤(pán)作用下2種平衡狀態(tài)的不等價(jià)性，加深了對(duì)土壓平衡盾構(gòu)平衡狀態(tài)的認(rèn)識(shí)和理解。

3.2 盾構(gòu)機(jī)密封艙控制機(jī)制方法

盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制的核心問(wèn)題之一是建立其機(jī)制模型，根據(jù)機(jī)制模型對(duì)未來(lái)的狀態(tài)作出正確的預(yù)測(cè)，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化調(diào)整可控變量(螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)推力和推進(jìn)速度)實(shí)現(xiàn)密封艙壓力的實(shí)時(shí)控制。盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓力控制，在國(guó)內(nèi)外集中在實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析密封艙土壓力與螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系。楊洪杰等［32］在軟土、砂土和砂礫土層中進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)模型的掘進(jìn)試驗(yàn)，研究了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭車(chē)翂毫ψ兓偷侗P(pán)開(kāi)口率變化對(duì)密封艙內(nèi)外土壓力的影響。劉東亮［33］對(duì)密封艙土壓力影響因素和控制方法進(jìn)行了分析，并且討論了掘進(jìn)工作面的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力問(wèn)題，提出了密封艙土壓控制流程圖。徐前衛(wèi)等［34］和朱合華等［35］根據(jù)相似理論和模型試驗(yàn)方法建立了土體－盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)的相似關(guān)系，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析整理，得出了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)參數(shù)之間關(guān)系曲線。胡新朋提出了在富水軟土地層密封艙壓力設(shè)置原則，對(duì)密封艙壓力過(guò)高或者過(guò)低引起的地表隆起或沉降進(jìn)行了定性分析。張庭華［36］和施虎等［37］對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土艙壓力控制進(jìn)行了技術(shù)研究，胡國(guó)良等［38－39］和劉博等［40］建立了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓力控制模型和系統(tǒng)仿真分析。

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中由于地層的力學(xué)性能在不斷變化或者盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)的變化，導(dǎo)致密封艙的壓力時(shí)常發(fā)生波動(dòng)變化，有時(shí)會(huì)超出設(shè)定的壓力范圍。密封艙土壓力系統(tǒng)的辨識(shí)和控制模型的研究，對(duì)于有效控制地表變形和保證盾構(gòu)安全施工是非常重要的;而建立對(duì)于非線性、時(shí)變、時(shí)滯和不確定的密封艙土壓力系統(tǒng)的控制模型仍然是一個(gè)沒(méi)有很好解決的關(guān)鍵問(wèn)題，而且國(guó)內(nèi)在這方面的研究也比較缺乏。因此，無(wú)論在非線性系統(tǒng)控制的理論研究，還是在盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓力控制模型工程應(yīng)用上都非常迫切需要解決這一課題。

4 結(jié)論與展望

盾構(gòu)施工中密封艙的壓力控制直接影響掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定性和地表是否變形。密封艙土壓力優(yōu)化設(shè)定是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中一個(gè)極為關(guān)鍵的控制參數(shù)，不僅直接關(guān)系到掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定和地表的隆起或沉陷，也影響到盾構(gòu)施工的效率和刀具的使用壽命。合理地確定密封艙的工作壓力對(duì)于有效控制地表的沉陷與隆起，對(duì)于保證盾構(gòu)機(jī)的施工安全和連續(xù)作業(yè)是非常重要的。通過(guò)測(cè)量密封艙隔板的土壓力，然后采用數(shù)值模擬方法建立在不同刀盤(pán)開(kāi)口率條件下掘進(jìn)工作面壓力與密封艙觀測(cè)壓力之間的映射關(guān)系，從理論上解決密封艙壓力的優(yōu)化設(shè)置問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的以L2范數(shù)逼近任意非線性系統(tǒng)的能力和學(xué)習(xí)能力，使得辨識(shí)器對(duì)于盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓力系統(tǒng)的環(huán)境(包括土層力學(xué)參數(shù)的擾動(dòng)、觀測(cè)噪聲、被控系統(tǒng)的時(shí)變和時(shí)滯特性等)具有自適應(yīng)性，因而可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到盾構(gòu)施工中密封艙的壓力控制中去，從而達(dá)到對(duì)不確定、不確知系統(tǒng)進(jìn)行有效辨識(shí)和控制。對(duì)土艙壓力系統(tǒng)建立控制數(shù)學(xué)模型，能更有效地提高控制精度和加快調(diào)整速度，是未來(lái)盾構(gòu)機(jī)土艙壓力控制方法的方向。

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