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原文传递盾构掘进位姿调整机制及轨迹跟踪控制研究

论文题名：	盾构掘进位姿调整机制及轨迹跟踪控制研究
关键词：	盾构隧道;掘进位姿调整;轨迹跟踪控制
摘要：	随着我国地下空间的大力开发，盾构法凭借其施工对环境影响小，不受地形、地貌、江河水域等条件限制，以及施工安全、快速等独特优势在隧道施工中得以广泛应用。但盾构隧道施工中，由于盾构结构尺度巨大，服役条件极端复杂，盾构负载难以精准确定，加之人工调姿存在有偏再纠的滞后性，使得盾构掘进过程中位姿难控，掘进轨迹常常偏离隧道设计轴线，导致事故频发。因此盾构掘进过程中对盾构位姿和掘进轨迹的精准控制是困扰盾构安全、高效施工的众多难题之一，也是目前盾构工程领域亟待研究解决的重要问题。鉴于此，本文依托多个盾构隧道工程，采用文献调研、理论分析、现场监测、运动仿真、控制仿真和室内模型试验等多种手段，对盾构掘进位姿调整机制及轨迹跟踪控制开展研究，主要研究工作及成果如下：　　（1）通过对盾构机进行逆运动学分析，建立了盾构掘进逆运动学模型，探明了盾体运动和各液压油缸运动的映射关系；在此基础上，采用Solidworks和ADAMS软件开发了盾构机虚拟样机仿真模型，以模拟盾构机在掘进过程中的运动特征，对建立的运动学模型进行验证。理论和仿真结果对比表明，提出的盾构掘进运动学逆解模型具有较高的计算精度和良好的适用性。另外基于牛顿迭代法，提出了一种盾构推进机构位姿正解方法，该方法根据推进液压油缸行程可以精确地求解盾构的位姿状态。　　（2）构建了盾构掘进过程中推进机构工作空间的约束条件，开发了基于边界搜索法求解盾构推进机构工作空间的计算流程，以某地铁区间盾构为算例，分别对盾构推进机构无约束和带约束条件下的工作空间进行了求解，探讨了位置参数和姿态参数对盾构推进机构工作空间的影响规律；选取了管片外径、盾尾内径、推进油缸分布圆半径、油缸前球铰至法兰板距离、油缸最大伸长量、最小盾尾间隙、最大盾尾间隙、安装孔-缸筒最大中心距和球铰许用转角等9个因素，设置了36组工况，分析了各个因素对盾构工作空间的影响规律，此基础上探明了盾构掘进过程中位置调整极限和姿态调整极限及其变化规律。　　（3）基于盾构机-土相互作用，建立了可考虑土体特性、盾构操作参数、位姿参数和结构参数的盾构各分项负载及等效负载求解模型；通过虚功原理构建了盾构推进机构力雅克比矩阵，探明了盾构推进系统油缸驱动力和末端输出力/力矩的传递性能，论证了盾构掘进过程中的位姿可控性；在此基础上，提出了盾构掘进过程中的分区推力确定方法和推拼同步中盾构推力重分配计算方法两种应用形式，并在相应工程中进行了应用或算例验证。　　（4）利用Kane方法建立了盾构掘进动力学方程及其状态空间模型，在此基础上，根据盾构掘进历史运动状态信息和推力信息构建了不依赖地层参数识别的盾构负载实时估计模型，最后，基于盾构推进系统状态空间模型和盾构负载估计模型，提出了盾构掘进位姿的多步预测方法，并进行了算例分析验证，为后续建立基于模型预测控制算法的盾构掘进轨迹跟踪控制方法奠定了理论基础。算例分析表明，本文提出的盾构位姿预测方法具有较高的预测精度，可以提前预测盾构运动偏差，供盾构自动控制系统或人工控制修正盾构位姿，从而消除盾构位姿调整的滞后性，避免盾构机的蛇形运动。　　（5）分析了盾构机掘进施工过程中的三轴线关系以及轨迹偏差类型，给出了基于双圆弧曲线的纠偏轨迹规划方法；进行了隧道设计轴线参数化解算，提出了由隧道设计轴线决定的盾构掘进目标位姿序列求解方法；首次将模型预测控制（MPC）算法引入盾构位姿控制领域，设计了基于MPC的盾构掘进轨迹跟踪控制器，提出了盾构掘进轨迹跟踪控制方法，并在Matlab/Simulink仿真平台下，以研制的盾构样机为背景，进行了盾构掘进轨迹跟踪控制仿真。仿真结果表明：所提的基于MPC的盾构掘进轨迹跟踪控制方法在跟踪不同轨迹类型、不同硬度地层和推进系统不同油缸布局形式时都具有良好的适用性和较高的轨迹跟踪精度。　　（6）自主研发了盾构掘进轨迹跟踪控制试验平台，可用于开展模拟盾构在不同地层中、不同轨迹跟踪类型和不同围压等工况下的盾构掘进轨迹跟踪控制试验；将设计的基于MPC的盾构掘进轨迹跟踪控制器集成到试验样机控制程序，建立了盾构掘进轨迹跟踪控制系统；基于研制的试验平台，开展了在不同目标轨迹类型、不同地层类型等多种工况下的盾构掘进轨迹跟踪控制模型试验，进一步验证了所提控制方法的轨迹跟踪控制效果，试验结果表明：本文提出的盾构掘进轨迹跟踪控制方法具有较好的跟踪控制精度和地层适应性。
作者：	王旭阳
专业：	隧道与地下工程
导师：	袁大军
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023