基于液压恒压网络的盾构土压平衡控制研究

盾构法施工是目前世界上暗挖隧洞施工最为有效的手段。土压平衡式盾构机是盾构法施工中应用最为广泛的盾构机。盾构土压平衡(EPB)系统的性能直接影响土压平衡式盾构机的施工质量和施工效率,对土压平衡式盾构机能否满足盾构施工要求至关重要。因此研究如何提高盾构EPB系统的性能具有重要的工程意义。然而,在地下施工现场开展研究,既不经济也不安全、合理,因而本文提出一种基于液体动力控制原理的盾构EPB电液模拟系统,拟通过对盾构EPB电液模拟系统的模拟土压控制动态特性的研究寻找到提高盾构EPB系统控制品质的有效方法。 目前,盾构EPB系统的控制主要采用泵控马达方式,即通过对动力源液压泵流量的调节实现驱动螺旋输送机的液压马达的转速控制。由于受挖掘的土质、变量泵的死区特性等时变和非线性因素以及盾构推进速度的影响,这类泵控马达式盾构EPB系统的动态特性有时难以满足工程要求,由此可能带来开挖面崩塌和地表沉陷或隆起超允许范围等潜在危险。恒压网络变量马达系统由于具有响应速度快和可回收惯性能等特点,可以推断,若将该技术应用于盾构机液压系统,应可改善盾构EPB系统的动态特性,使盾构开挖面崩塌等危险减至更低程度;同时也可提高盾构设备的运行效率,降低施工成本。 本文首先通过分析盾构EPB控制系统的组成与工作原理,提出一种基于液体动力控制原理的盾构EPB电液模拟系统。根据盾构EPB系统数学模型,建立电液物理模拟系统,通过调节模拟系统的电液控制变量或参量,来实现盾构EPB系统的进、出土工况和土质、推进速度等干扰变化工况的模拟。研究结果表明:该模拟系统原理可行,模拟方便,试验效率较高。 在研制出盾构EPB电液模拟系统后,本文主要对比研究了泵控马达式盾构EPB电液模拟系统和基于恒压网络的盾构EPB电液模拟系统性能差异。首先研究了盾构EPB控制系统中常用的PID算法下泵控马达式盾构EPB电液模拟系统的控制特性,然后针对常规PID算法无法解决泵控马达式盾构EPB电液模拟系统响应速度与稳态