Optimal design of structural parameters for shield cutterhead based on fuzzy mathematics and multi-objective genetic algorithm

In order to improve the strength and stiffness of shield cutterhead, the method of fuzzy mathematics theory in combination with the finite element analysis is adopted. An optimal design model of structural parameters for shield cutterhead is formulated,based on the complex engineering technical requirements. In the model, as the objective function of the model is a composite function of the strength and stiffness, the response surface method is applied to formulate the approximate function of objective function in order to reduce the solution scale of optimal problem. A multi-objective genetic algorithm is used to solve the cutterhead structure design problem and the change rule of the stress-strain with various structural parameters as well as their optimal values were researched under specific geological conditions. The results show that compared with original cutterhead structure scheme, the obtained optimal scheme of the cutterhead structure can greatly improve the strength and stiffness of the cutterhead, which can be seen from the reduction of its maximum equivalent stress by 21.2%, that of its maximum deformation by 0.75%, and that of its mass by 1.04%.

The scheme design for the earth pressure balance shield cutterhead structure

The earth pressure balance(EPB) shield cutterhead structure, which features an opening ratio and opening distribution as a core, seriously affects tunneling stability and tunneling efficiency. This paper presents a new model for the soil using visco-plastic fluid theory, and then introduces the model into the computational-fluiddynamics model to comprehensively analyze the cutterhead structure, which consists of the soil, the cutterhead,the working chamber, and the screw conveyor. Based on this model, the stability situation and tunneling performance of multiple schemes of the cutting head structure are analyzed by changing the opening ratio and the opening distribution on the cutterhead. In this study, a new method for design and analysis of the EPB-shield cutterhead structure is proposed that fits changes in geologic conditions. The results will be helpful for engineers and manufacturers of more efficient machines and for carrying out tunneling projects with more stable EPB-shield cutterheads, and it will reduce the influences of changing geologic conditions during all stages of tunnel construction.

考虑刀盘推力的泥水盾构隧道开挖面平衡机理研究及应用

现有泥水盾构隧道开挖面平衡机理中,开挖面的支护多认为全部由泥浆压力提供,刀盘推力在支护中的作用少有提及。针对穿沁泥水盾构隧洞工程存在的开挖面支护具体问题,结合开挖面支护主控参数分析,揭示了考虑刀盘推力的泥水盾构隧道开挖面平衡机理,给出了刀盘推力具体表达式。运用所揭示的平衡机理,结合提出的一种盾壳外侧摩阻力估计方法,对该工程的3个重点穿越段进行了开挖面支护力计算和稳定分析。研究表明:3个重点穿越段的掘进中,刀盘推力分别占开挖面支护力的21%,24%,11%;同时考虑泥浆压力和刀盘推力的开挖面支护力,与仅考虑泥浆压力相比,在开挖面前方的轴向水土合力存在区间内占比分别由0,0和78%分别提高至78%,32%和88%,表明刀盘推力在开挖面支护中发挥了重要作用。

基于克里金插值法的常压刀盘刀梁区域泥饼发育程度算法及应用研究

为解决刀盘结泥饼影响盾构施工进度的问题,以某泥水盾构刀盘为研究对象,展开对刀盘刀梁部位泥饼发育程度的研究,提出一种基于克里金插值法的常压刀盘刀梁区域泥饼发育程度算法,并进行应用案例研究。利用全刀盘布置温度传感器获取刀盘温度数据,选取线性插值扩展刀梁区域温度数据,运用克里金插值法进行全刀盘区域的温度仿真计算,结合空间和时间2个维度分析刀盘在正常掘进、外侧结泥饼及内侧结泥饼3种工况下的判断条件,提出分离相邻测温点正/负差值,以刀盘整体正/负差值之和呈现同方向变化作为泥饼发育初始环评判指标;结合所建温度场,引入从泥饼发育初始环到当前环的温度变化率总和作为泥饼发育程度评判指标。针对某大直径常压刀盘泥水盾构案例进行分析判定,对比采用反距离权重插值法、克里金插值法和扩展样本克里金插值法构建的3种温度场用于泥饼发育程度计算,结果表明扩展样本后的克里金插值法的适用性最强,并与工程实际情况进行对比,准确率达70.87%。

多冷媒联合冻结技术在盾构抢险中的应用

为解决地层冻结加固工程加固时间长、加固效果不足的问题,提出多冷媒联合制冷的新型技术,并以珠江三角洲水资源配置某盾构刀盘更换工程为案例背景,对液氮+盐水双冷媒联合冻结方案进行介绍。从地质条件、方案设计、数值计算验证和应用效果等方面入手,对多冷媒联合冻结技术的可行性进行分析。主要结论如下:1)液氮冻结速度快但均匀性欠佳,盐水冻结速度慢但均匀性较好,二者联合冻结可以有效完成高风险地层中的盾构开舱换刀;2)液氮冻结会造成掌子面工作环境温度偏低,本案例中开挖掌子面温度低于-40℃,环境温度约-13℃,作业人员应注意低温防护;3)为保证施工效率,盾构换刀冻结工程施工应在冻结壁交圈后及时清空土舱泥浆,防止泥浆冻结。

砂卵石地层大直径盾构施工的关键技术

[目的]总结分析砂卵石地层大直径盾构施工中盾构机选型、盾构始发与接收、盾构掘进姿态控制等施工关键技术,并提出具体的施工控制参数与施工控制措施,以减轻刀盘刀具磨损、降低地层损失、减小地层沉降变形。[方法]针对砂卵石地层结构松散、颗粒无胶结或弱胶结、颗粒粒径大、透水性强的工程结构特性,采用理论分析、现场监测等方法,从盾构机选型、盾构始发接收、盾构掘进姿态控制、盾构刀盘刀具的检测维修等方面深入分析砂卵石地层大直径盾构施工关键技术。[结果及结论]大直径盾构的刀盘开口率、刀盘刀具类型、渣土改良方案等应根据地层结构特性进行特殊设计,且有利于盾构排渣和超前切割;盾构井端头宜采取地层注浆加固、大管棚支护、施工降水等综合加固措施以保证大盾构始发或接收时地层的稳定;大直径盾构的掘进施工应重点控制刀盘转速、出渣量、出渣温度等参数,并应适当增大注浆量,提高渣土改良效果,避免过大超挖,保证地层损失处于合理范围内。采用上述施工参数与施工措施后,盾构掘进风险可控,施工质量与施工效率明显提升,同时大大降低了施工成本。

基于参数化建模方法的复合式盾构机刀盘力学性能分析与结构优化

刀盘是盾构机的核心部件之一,合理的刀盘结构设计是安全高效掘进的基础。为了快速高效建立刀盘有限元模型并分析其力学性能,采用基于APDL(ANSYS parametric design language)命令流开发的参数化建模方法,建立某型号复合式盾构机刀盘的数字模型。对刀盘施加极限工况下的推力和扭矩,通过静力学分析得到刀盘的应力分布和变形分布,确定最大应力和最大变形位置,校核刀盘的静强度和静刚度。进一步以刀盘总质量为优化目标,以刀盘强度和刚度为约束条件建立基于参数化建模的刀盘结构优化方法,提出刀盘结构优化流程。通过参数敏感性分析确定刀盘优化参数,探究相关参数对刀盘强度和刚度的影响。对复合式盾构机刀盘的关键参数进行优化。结果表明:优化后刀盘的最大应力降低了12%,最大变形降低了20%,质量减轻了119 kg。因此,基于参数化建模的优化方法可以提供刀盘的强度与刚度,并同时降低刀盘质量。研究成果可为后续多目标刀盘结构优化提供参考。

水下隧道复合地层超大直径泥水盾构刀盘刀具设计及应用实例

刀盘作为盾构关键系统之一,其对复合地层施工的超大直径盾构安全和效率影响很大。针对复合地层刀盘设计的问题,首先,对比常压刀盘和常规刀盘结构差异与适用的条件,总结刀盘刀具设计的一般性流程;其次,以某水下隧道盾构刀盘设计为例,进行刀盘选型与刀具布置、结构校核计算,并提出优化提升措施;最后,完成基岩突起地层盾构刀盘刀具配置并在工程中应用。研究与应用结果表明:(1)基岩段无辅助工法直接掘进通过时刀盘工作状态较好,说明实验与仿真结合的刀盘设计流程比较合理,刀盘选型及刀盘刀具设计方案可行;(2)刀盘结构在保证强度、刚度、振动性能指标的基础上,结合不良地质因素需重视磨损、泥饼等潜在问题,在刀盘设计阶段提出解决措施很有必要;(3)常压换刀装置配置磨损监测、温度传感器等单元,必要位置可增设载荷监测装置,提高刀具状态判识水平,有助于合理施工。

基于结构应力法的盾构刀盘安装焊缝抗疲劳设计

为提升超大直径盾构刀盘安装焊缝在盾构施工过程中的抗疲劳性能,首先建立包括超厚钢板对接接头焊缝细节的有限元模型,以等效结构应力为核心参量将焊缝应力集中考虑在焊趾应力之中,然后对不同坡口角度和余高的接头疲劳寿命进行计算,得出坡口角度和余高对超厚钢板焊缝接头疲劳寿命的影响规律,最后以优选的焊缝接头尺寸参数采用子模型技术建立包括各焊缝接头局部精细网格的子模型,利用等效结构应力法对刀盘整体安装焊缝疲劳寿命进行综合评估。研究发现:1)随着焊缝坡口角度的增大,其抗疲劳能力呈现先增大后减少的趋势,55°左右的坡口角度是设计对称X型接头的最优坡口角度;2)当接头采用不对称X型坡口时,焊缝小端处焊趾的疲劳寿命低于同等坡口角度大端处焊趾的疲劳寿命,坡口大端和小端的坡口角度分别选取为40°和55°时,能综合提高非对称X型坡口接头的抗疲劳性能;3)焊缝余高对接头疲劳性能的影响不如坡口角度显著,对称X型坡口焊缝及非对称X型坡口大端焊缝余高e=2~3 mm,非对称X型坡口小端焊缝余高e=1 mm,可以满足盾构刀盘的抗疲劳设计要求。

盾构机刀盘泥饼性能及机械臂攀附试验研究

由于泥饼的长期附着,盾构机刀盘和刀具工作负荷会逐渐增加,该状况常常使掘进参数出现突变,大大降低施工效率。盾构机泥饼人工清理困难。文中通过对试验室环境下制备泥饼的形成过程和机理进行分析,并对泥饼的物理性能进行测试。通过微型十字板剪切仪、固结试验及机械手臂对泥饼攀附试验研究了胶结强度对其力学性能的影响。研究发现泥饼式样呈现出中压缩性,初始胶结强度影响泥饼式样在剪切过程中的剪胀性,影响着泥饼的抗剪强度。泥饼式样的抗剪强度为85kPa时,机械手臂能够攀附在泥饼表面。因此爪尖数量的增加以及泥饼抗剪强度的提高,能够有效提高机械臂的攀附状态,进一步为机械手臂搭载清淤装备攀附泥饼提供了力学依据。

盾构机刀盘类型地层适应性设计研究

盾构机刀盘是决定盾构机掘进性能的关键部件。盾构机在不同地质条件下施工时需使用不同类型的刀盘,以达到快速掘进的目的。为了研究盾构机刀盘类型的地层适应性,针对深江铁路项目盾构施工中遇到的问题,基于多个施工案例,对典型地层与典型情况遇到的设计问题进行对比分析和探讨,提出深江铁路项目区间内标段盾构机刀盘类型地质适应性设计的要点,最终形成针对特定地层的刀盘类型设计方法。

大直径泥水平衡盾构水下穿越破碎带地层关键施工技术

珠江口隧道施工时大直径泥水平衡盾构水下穿越破碎带地层,施工风险较高、难度较大。针对泥水平衡盾构掘进过程中滞排、刀盘结泥饼、刀具磨损严重等问题,分析原因并给出预控措施,研究关键施工技术。盾构在水下断层破碎带地层掘进时须严格控制掘进参数,特别是泥水仓压力,并控制刀盘转速与贯入度。结合开挖面稳定情况、仓内排渣情况、流体输送状态,及时调整泥浆参数。通过采用破碎、冲刷等装置,避免仓内滞排风险。通过配置刀具状态智能化实时监测系统,及时更换出现异常的刀具。须设置合理的盾尾密封装置,保证盾构密封性能满足要求。

机械法联络通道管片切削下主隧道力学行为研究

为了解机械法联络通道破洞过程中主隧道管片结构响应变化,依托宁波市轨道交通5号线海晏北路站—民安东路站区间工程,采用动力显式有限元法,建立全刀盘三维精细化模型并引入材料累进破坏失效准则,对不同施工阶段下主隧道管片力学行为进行研究,得到了施工初始阶段、预撑阶段及刀盘切削阶段下全切削环和半切削环管片衬砌变形图、弯矩图和轴力图,绘制了主隧道管片在3种切削阶段下应力云图,并与原型管片加载试验结果对比验证了模拟结果的准确性。主要研究结论如下:内支撑体系可为主隧道分担水土压力,有效减小管片整体内力与竖向变形;联络通道破洞后,切削区管片洞口表现出悬臂效应,最大位移位于全切削环洞口下侧,在破洞后应尽快施作强支护加固,限制管片开口处变形进一步发展;刀盘磨削管片过程中,半切削环弯矩变化相对于全切削环具有滞后性,两者均在靠背侧拱腰部位产生弯矩最大值,轴力总体上则从拱腰至拱顶底较为平滑地减小;在切削阶段,管片洞口外壁与靠背侧中部存在应力集中,半切削环与标准环的交界处发生了应力突变,应适当加大钢隔舱管片与普通混凝土管片之间的连接螺栓强度,避免螺栓破坏引起主隧道管片错台。

济南地铁工程盾构机刀盘开裂原因分析及控制措施研究

刀盘作为核心部件,承担着切削土体和稳定掌子面的重要职责,其工作状态直接关系到盾构施工的整体质量和安全性能。在济南地铁盾构施工过程中,由于地层条件的复杂性和制造、工作参数选择不当,刀盘出现开裂问题。针对造成刀盘开裂的原因,刀盘增加针对性的耐磨设计、焊接应力处理措施优化为整体结构件热处理退火工艺,刀盘中心滚刀采用TBM安装方式、牛腿为嵌入式方箱设计,加强复合地层掘进参数控制。实践证明控制效果良好,有助于促进刀盘设计和焊接工艺的创新和优化。

盾构切削桩基研究现状综述

为厘清盾构切桩的发展脉络,全面掌握其应用及发展情况,综述了国内外盾构切削桩基技术的研究现状。首先,基于文献计量分析对盾构切桩相关文献的热点关键词和发展趋势进行分析,归纳总结盾构切桩领域的研究热点及研究进展。其次,在此基础上分别从盾构改造、掘削参数优化、盾构切桩引起的地层响应和桩基承载力研究3个方面综述当前最新研究成果。最后,对盾构切削桩基的主要研究方法、研究机制、适用范围及优缺点进行归纳总结,探讨有待解决的主要问题以及未来重点研究方向。结果表明:1)10余年来盾构切桩技术发展迅速且取得了良好的切桩效果及经济效益反馈,切桩技术已相对成熟;2)刀具参数及布置方式尚没有明确的确定方法,在复杂地质条件下,仍存在刀具磨损和钢筋缠绕刀盘的现象;3)由于混凝土脊破裂面产生的机制尚不明确,且已有的计算方法未考虑混凝土强度的影响,刀间距设计多依赖已有的工程经验;4)盾构切桩掘削参数的选取多是基于数值模拟和室内试验,对实际工况都进行一定程度的简化,难以反映切桩过程中盾构与桩基相互作用的复杂效应;5)推力和转矩计算模型的公式简化条件不尽相同、侧重点各不相同,公式的推广性和适用性还需进一步提高;6)目前对切桩引起的地表沉降以及控制措施研究较多,影响机制方面的研究还较少。

复合地层盾构掘进刀盘扭矩波动分析与贯入度预测方法

目的:在复合地层中,盾构掘进时往往会产生较大的刀盘扭矩和扭矩波动,为降低扭矩波动和提高掘进效率,需研究贯入度的预测方法。方法:建立了刀盘滚刀与切刀开挖扭矩模型,并通过考虑复合地层与刀盘的摩擦,建立了复合地层盾构掘进总扭矩模型。在分析复合地层盾构开挖扭矩波动特征的基础上,建立了刀盘扭矩、复合地层组成、贯入度与岩石强度的简化关系,并提出了一种新的预测指标——I MTP(复合扭矩贯入指数)。该指标将扭矩与贯入度结合,可用于评价复合地层开挖面的可切削性。同时提出了一种基于机械性能的贯入度预测方法,其可用于预测不同地质条件和机械性能限制下的贯入度。结果及结论:复合地层盾构掘进总扭矩模型的预测能力可靠性已在南京至句容城际轨道交通工程麒麟镇站—东郊小镇站区间得到了验证。该方法可在复合地层中隧道盾构机械能受限的情况下,将盾构掘进参数与地质条件参数进行匹配,能为隧道掘进施工的安全和效率提供指导与保障。

一种高比刚度盾构机刀盘面板结构拓扑重构设计

为提高盾构机刀盘面板结构的承载能力,提出了一种考虑应力约束的高比刚度结构拓扑优化方法。首先,将多孔面板结构的开口率和强度作为约束条件,采用p范数将所有单元的局部应力凝聚为一个全局应力约束,限制多孔面板结构的最大全局应力,并以多孔面板结构的全局刚度最大化为优化目标,构建考虑最大全局应力的多约束拓扑优化模型;其次,通过移动渐近线优化算法求解该模型,获得多孔面板结构的优化拓扑构型;然后,采用水平集方法提取优化构型的清晰拓扑边界,并通过几何重构获取多孔面板结构模型;最后,以某型盾构机为例,设计了多孔面板结构,并开展了静力学有限元仿真分析。仿真结果表明:在相同开口率条件下,相较于原有结构,所设计多孔面板结构的刚度和强度分别提升了7%和19.8%,承载能力得到了显著提高。所提出的方法能有效应用于盾构机面板结构的拓扑重构设计,丰富了盾构机刀盘面板结构的设计理论。

关联规则挖掘驱动的盾构机刀盘健康评估方法

传统机理建模研究与实际施工环境误差较大,而数据驱动建模多采用黑箱模型,不利于知识发现与理解,为此提出一种基于知识挖掘的盾构机刀盘健康评估方法。针对盾构掘进数据维数众多、海量异构、强噪声干扰等特点,结合盾构掘进领域知识与机器学习算法提出针对性的数据预处理、特征筛选以及连续特征离散化方法,以此建立知识挖掘数据集。在此基础上,利用关联规则挖掘算法提取关键特征与不同刀盘健康状态之间的映射关系,采用融合可靠度、完整度与简洁度的综合评价指标适应度准则对原始规则进行评价排序,最终实现盾构机刀盘健康评估。基于厦门地铁3号线某掘进区间的实际工程数据对所提方法进行了应用验证。研究结果表明,所挖掘的知识规则与实际数据分布具有良好的吻合度(平均值93%以上),验证了该方法的有效性。

超大直径土压盾构刀盘载荷工况分析与结构优化

刀盘作为盾构机中的关键部件之一,不仅能起到挖掘土体的作用,同时还具有稳定掌子面和搅拌渣土的功能,其性能的优劣直接决定着盾构能否正常施工。为了超大直径盾构刀盘能在大推力、大扭矩及复杂地质的掘进环境下具有足够的结构强度和刚性,对刀盘的工作载荷工况和结构形式进行分析研究。以φ14.95 m的刀盘为例,通过ANSYS有限元软件分析刀盘副梁在相同载荷工况下竖板式结构和箱式结构的特性,并在箱式副梁刀盘本体与牛腿连接处加设加强肋后计算刀盘在均载工况、上软下硬工况及脱困工况下的变形和受力情况。研究表明:对于超大型土压盾构刀盘,箱式结构副梁的结构性能优于竖板式的,相同载荷下刀盘的最大应力值减小48.2%,总变形量减小26.4%;在牛腿与盘体焊接部位加设加强肋可以提高刀盘的整体结构强度和刚度,加设后刀盘最大应力减小6.4%,总变形量减小9.7%;刀盘在上软下硬工况下变形最大,脱困工况下局部应力最大。

基于机器学习的常压刀盘盾构滚刀故障诊断方法研究

盾构在掘进过程中面临着极其复杂的地质条件,刀具极易损坏,而现有的刀具故障诊断方法无法对刀具故障进行全面、准确的判断。针对现有刀具故障诊断方法的不足,分析SVM、BPNN、ELM、RF等机器学习算法的原理及特点,研究常压刀盘盾构滚刀常见的磨损超限、卡转和偏磨等故障机制及特征,设计基于机器学习的常压刀盘盾构滚刀故障诊断模型,对滚刀故障进行分层诊断。选取对于滚刀故障较为敏感的温度、瞬时转速比、平均转速比等参数,使用盾构掘进现场数据进行试验,用于判断滚刀是否发生故障的第1层SVM、BPNN、ELM和RF算法模型准确率分别达到87.49%、88.69%、78.27%和96.45%,当滚刀发生故障时,用于判断滚刀具体故障形式的第2层SVM、BPNN、ELM和RF算法模型准确率分别达到90.24%、86.76%、79.41%和97.06%。验证了基于机器学习的常压刀盘盾构滚刀故障诊断模型的科学性和有效性,以及RF算法在判断滚刀是否发生故障以及发生故障后滚刀的故障类型具有较高的准确率,能够有效降低企业施工、换刀成本,提高盾构掘进效率。