大型泥水盾构开挖面平衡控制研究

本课题旨在对目前国内外研究尚未涉及到的、对施工安全有关键影响的大型泥水盾构内部开挖面平衡系统展开研究，分别从开挖面平衡系统中的气泡舱中压缩空气吸收压力冲击、吸收压力脉动以及气泡舱压缩空气调节回路的动态特性的角度出发，研究泥水气泡舱中对盾构开挖面平衡控制起关键作用的初始控制参数的设置理论与设置原则，为泥水盾构开挖面平衡自动控制系统设计提供理论依据。同时对目前国内外尚处于手工控制或简单模拟量控制的大型泥水盾构内部开挖面平衡系统进行自动数字化统一控制的研究，并找出该控制系统所包含的不同控制回路之间的相互影响关系；研究并提出有针对性的、合理有效的控制理论、控制方法和调节器，同时针对影响较大的干扰，提出相应的控制对策；就不同的控制方法进行仿真对比和实物实验对比，给出根据不同的实际应用要求和场合所应选择的最佳的控制方式，以及不同控制回路和控制方法的计算机自动切换法则。

目前，对于大型泥水平衡盾构的自动控制与数字化统一管理是全球盾构界共同关注并急待解决的诸多问题之一，基于此，本项目围绕建立大型泥水平衡盾构的自动泥水气压平衡控制系统这一主题展开了深入系统的研究。. 主要的研究工作和成果如下：.1.建立了考虑地基应力和孔隙水压力的泥水平衡盾构开挖面泥水支护压力的计算模型，并根据泥水平衡盾构在不同工况时开挖面前方土体的受力情况，得出了不同工况时盾构理论泥水支护压力的确定方法。.2.确定了泥水平衡系统中泥水回路和气压回路主要参数的取值原则，其中详细地分析了对盾构开挖面平衡控制起关键作用的气泡舱的初始体积、初始压力、泥水的初始液位等参数的确定方法，分别从气泡舱中压力气体吸收压力冲击、吸收压力脉动以及气泡舱压缩空气调节回路的动态特性出发，得出了气泡舱初始参数的确定原则与计算公式，并讨论了其最佳取值范围，为泥水气压平衡控制系统设计提供了理论依据。.3.深入分析了盾构泥水气压平衡控制系统所包含的两个控制回路——泥水控制回路和气压控制回路之间的相互作用关系，提出了根据气泡舱中泥水液位的不同，分别选择气泡舱单回路控制方式和泥水气舱双回路综合控制方式的控制方法，并且根据泥水控制回路和气压控制回路间的相互作用关系提出了双回路同时调节的广义比例控制方法。.4.详细设计了应用于气泡舱压缩空气压力控制的模糊自适应增量式数字PID控制器和应用于泥水液位调节系统的数字PID+前馈控制器，并开发了该计算机控制系统的调试软件。.5.分别对所设计的控制器在单独应用和合并综合使用时进行了计算机半实物仿真实验，就不同的控制方法进行了对比试验，得出了不同干扰对系统的影响情况，针对影响较大的干扰，提出了相应的控制对策，给出了根据不同的实际应用要求和场合所应选择的最佳控制方式和自动切换方法。