[发明专利]一种盾构控制方法及其系统

说明书

本发明提供了一种盾构控制方法及其系统，该方法包括：建立盾构位姿坐标系统，根据盾周位移与盾构位姿的关系获得盾构位姿变化引起附近的土体位移；通过建模求解各种分力；将所求各项负载向动坐标系原点进行简化等效，建立盾构等效负载模型以获得油缸的分区推力；该系统包括：运动分析模块、负载计算模块和分区推力计算模块。本发明提供了一种盾构控制方法及其系统，考虑了盾构掘进过程中盾构机‑土动态相互作用，结合推进机构自身传力机制特点，确定了分区油缸推力，增加了盾构机姿态调整和轨迹跟踪的控制精度。

技术领域

本发明涉及盾构掘进施工领域，尤其涉及一种盾构控制方法及其系统。

背景技术

作为隧道开挖的主要工法之一，盾构法因其安全性高、环境污染小、自动化程度高及施工效率高等优点，在隧道施工中得到了广泛的应用。作为盾构机三大系统之一，推进系统由一系列环形分布液压油缸组成，在盾构掘进过程中起着关键作用。盾构机在克服周围土体作用力下推进、位姿调整、纠偏等功能的实现严格依赖于盾构推进系统。而作为盾构推进系统的重要性能参数，油缸推力的合理确定是盾构机设计阶段和施工过程中的关键环节。

目前针对盾构掘进推力的计算方法主要有：1、通过大量施工案例总结出的经验公式计算盾构掘进总推力；2、通过理论计算盾构掘进过程中来自土体的负载，并通过建立盾构机的静力平衡方程来计算盾构掘进总推力。3、随着计算能力的提高，基于盾构掘进过程中产生的大量数据采用深度学习等手段来建立数据模型进行计算盾构掘进总推力。

上述现有技术中的缺点为：第一种方法计算精度非常粗糙，不利于盾构掘进精度和效率的提高。第二种方法在计算盾构负载过程中，为考虑刀盘-土体和盾周-土体的相互作用关系，从而导致计算的总推力忽略了盾构掘进参数(贯入度和位姿等)以及地层参数的影响。第三种方法在计算盾构推力的精度受数据模型本身特性影响，且可迁移性差。另外，目前关于盾构掘进推力的计算大多聚焦于油缸总推力。而实际上盾构液压油缸是分组分区进行控制的，在实际盾构掘进过程中，通过控制不同分区油缸的推力实现盾构的推进、姿态调整和纠偏等功能。因此，仅通过盾构油缸的总推力控制盾构掘进的控制精度均较差，不利于盾构掘进的施工。

发明内容

本发明的实施例提供了一种盾构控制方法及其系统，考虑了盾构掘进参数、土体参数和盾构机-土体相互作用等因素，具有较高的计算精度和工程适用性，能够为盾构司机或是智能推进系统提供分区推力设定依据。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种盾构控制方法，包括以下步骤：

S1、建立盾构位姿坐标系统，根据盾构位姿坐标系构建盾构位置和姿态的齐次变换矩阵来描述盾构掘进过程中的位姿变化，并结合盾构参数求解盾构推进机构速度雅克比矩阵，以及根据盾周位移与盾构位姿的关系获得盾构位姿变化引起附近的土体位移；

S2、根据盾构位置和姿态的齐次变换矩阵对盾构掘进过程受的负载进行建模求解各种分力，包括：刀盘所受的法向力、盾周法向力、盾周摩阻力、管片-盾尾摩阻力与后配套拖曳阻力；

S3、将所求各项负载向动坐标系原点进行简化等效，建立盾构等效负载模型以获得油缸的分区推力。

优选地，所述建立盾构位姿坐标系统包括：

建立三个坐标系，包括：固结在盾构机上的动坐标系{B}、固结在管片环上的基坐标系{A}和全局坐标系{G}；

构建动坐标系{B-xByBzB}，该坐标系固结到中盾背板，原点B是油缸前球铰接的分布中心，在初始状态下，xB轴沿盾构机的中心轴指向掘进方向，zB轴垂直盾构机的中心轴并竖直向上，yB轴方向按右手原则确定；

构建基坐标系{A-xAyAzA}，该坐标系固结到给推进油缸提供反力的管片环上，原点A是油缸后球铰接的分布中心，在初始状态下，基坐标系{A-xAyAzA}和动坐标系{B-xByBzB}各坐标轴对应平行；