【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于盾构机，尤其涉及一种盾构机土压平衡控制装置及方法。
技术介绍
1、如今,城市必须不断扩大规模以适应经济剧烈增长带来的社会发展与乡村的城市化进程。因此，谁能将地下空间更好地开发与利用，就能在城市化上更进一步。参照我国发展现状，在未来的很长一段时间内，将会有项目众多的地下工程建设，如地下交通体系、市政排水管道等，以此来应对地表空间的紧张与不足。
2、土压平衡式盾构机的特点是将开挖出的渣土直接用作支护介质。当开挖仓内的土体压力与周围土壤和地下水的压力相等时，就实现了必要的土压平衡，但是由于地质条件复杂，因此，如何保证施工安全有效地进行，一直倍受国内外专家与学者的关注。是否能够将密封舱的土压保持在可控范围内，是当前社会应用最广泛地土压平衡式盾构机能否保持其开挖面稳定的关键因素。一些灾难性事故，如地表隆起或地表塌陷，都是因为在盾构机工作过程中，盾体前方水土压力无法控制导致的。
3、现有的土压平衡控制方法主要是盾构司机凭借盾构驾驶经验调节推进速度或螺旋输送机转速，该操作模式，对于操作盾构机的司机的专业水平与施工经验要求较高，依赖性较大。因此，必然存在着精度低、主观性强、不能完全考虑如刀盘扭矩等其他因素对密封舱土压造成的影响等问题。
4、专利号为：cn 113847049b，名称为一种土压平衡盾构机土压智能控制系统的专利技术专利中提到，通过土压平衡盾构土压智能控制系统，克服了在盾构施工中由于人为施工经验不足带来对施工的影响因素，而且土压智能控制的实现,也将大幅提高盾构施工效率，避免地表沉降与隆
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决了现有技术中存在的缺点，而提出的一种盾构机土压平衡控制装置及方法。
2、为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术为一种盾构机土压平衡控制装置及方法，包括刀盘、plc控制系统、土压预测数据输出系统、输送机转速数据输出系统以及土压平衡控制系统，所述刀盘的内部设有密封舱，所述密封舱的侧面固定设置有压力仓板，所述压力仓板的顶部和前后固定设置有压力平衡仓，所述土压预测数据输出系统和输送机转速数据输出系统对plc控制系统进行通讯，所述plc控制系统对土压平衡控制系统进行通讯；
4、所述压力平衡仓的内部固定设置有固定销，所述固定销之间固定设置有外平衡膜和内平衡膜，所述压力平衡仓的内表面固定设置有承压密封仓壁，所述压力平衡仓的侧面固定设置有压力平衡器，所述压力平衡仓与压力平衡器之间设置有平衡管，所述平衡管的内部固定设置有平衡阀，所述平衡管联通至压力平衡仓和压力平衡器内部；
5、所述plc控制系统包括人机交互控制单元、输出控制单元、掘进数据采集单元，其中，所述输出控制单元对土压平衡控制系统进行控制数据输出，所述掘进数据采集单元对土压预测数据输出系统和输送机转速数据输出系统进行通讯；
6、所述土压预测数据输出系统包括pso-lssvm土压预测模型，所述pso-lssvm土压预测模型针对掘进数据采集单元进行分析处理进而输出下一刻土压的预测值；
7、所述输送机转速数据输出系统包括输送机转速计算模型，所述输送机转速计算模型对pso-lssvm土压预测模型输出的数据进行计算处理进而输出输送机转速数据，所述土压平衡控制系统包括螺旋输送机控制模块和压力稳定器控制模块，在实际使用时，盾构机首先进行初步掘进收集掘进数据，在此过程前对盾构机各项参数进行初步设定，通过plc自动控制系统进行数据通讯，对压力稳定器控制模块进行初步压力设定，对螺旋输送机控制模块进行初步控制，盾构机初步开始掘进工作，此时密封舱内部开始逐步带压，维持螺旋输送机的转速保持在低转速水平，通过电气数据通讯使电气控制器控制电气控制阀打开，从而使充气器对压力平衡器进行充气，逐步提高到压力平衡器内部压力达到初步设定值，在此过程中逐步打开平衡阀，使压力平衡仓内部逐步带压，与密封舱内部压力上升趋势维持平衡；在盾构机正常掘进工作后，掘进数据采集单元对各项数据进行采集，尤其是当前时刻的密封舱的实时压力数据，通过土压预测数据输出系统进行下一时刻的密封舱压力数据预测，通过输送机转速数据输出系统进行螺旋输送机转速的调整数据，通过plc自动控制系统进行数据整合，智能分析，从而得出下一刻盾构机的各项参数进行自动调节，由于地质环境的复杂性，不能完全正确预测下一时刻的密封舱压力，因此压力平衡仓开始发挥作用，压力平衡仓的压力会随着密封舱压力的变化而变化，在平稳工况下，压力平衡仓的压力会大致等于密封舱压力等于开挖面压力，由此达到土压平衡，这是因为压力平衡仓内外压力差相等，如果工况发生改变，密封舱压力升高或降低，会导致压力平衡仓的外平衡膜和内平衡膜产生压力差，从而导致内外平衡膜的形变，这个形变趋势总是会朝着压力差为零的方向改变，此时会导致密封舱压力变化波动小，压力趋于稳定，从而方便plc自动控制系统更好的对螺旋输送机进行调节，达到稳定土压平衡的目的。
8、进一步地，所述压力平衡器的侧面固定设置有充气器，所述压力平衡器与充气器之间固定设置有充气管和回气管，所述充气管和回气管均联通压力平衡器与充气器的内部，所述充气管的内部固定设置有电气控制阀、所述回气管的内部固定设置有回气泵，所述充气器的顶部固定设置有电气控制器，所述电气控制器与电气控制阀和回气泵电性连接，工作时，所述电气控制器通过控制电气控制阀和回气泵来调节压力平衡仓内部的气体压力，充气器内部气体为氮气或其他惰性气体，如升高压力平衡仓内部压力，打开电气控制阀，降低压力平衡仓内部压力，打开回气泵，从而达到气体的循环往复使用。
9、进一步地，所述密封舱的内部阵列设置有压力传感器，所述压力仓板和刀盘之间固定设置有推进杆，所述压力仓板的中部转动设置有搅拌器，所述搅拌器的一侧上固定设置有搅拌臂，工作时，通过注入水、膨润土或泡沫等各种改良土壤材料，改变土壤的粘性、质地和透水性。通过搅拌器对密封舱内部的泥土进行搅拌，使得泥土达到理想状态，可以保证压力的均衡，提高密封舱泥土的流动性和止水性。
10、进一步地，所述压力仓板的底部固定设置有螺旋输送机，所述搅拌器的另一侧固定设置有液压油缸组，所述压力仓板的侧面固定设置有支撑臂，所述支撑臂的侧面固定设置有支撑瓦片，所述支撑瓦片的内部设置有尾盾，尾盾的侧面固定设置有管片拼装机，所述压力仓板的后侧固定设置有检修室，工作时，支撑臂可以使盾构机进行掘进，并提供支撑，所述支撑瓦片在盾构机挖掘后的地方进行砌衬，以提供支撑，尾盾用密封刷密封尾盾内壁和支撑瓦片本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种盾构机土压平衡控制装置及方法，包括刀盘(1)、PLC控制系统、土压预测数据输出系统、输送机转速数据输出系统以及土压平衡控制系统，其特征在于：所述刀盘(1)的内部设有密封舱(2)，所述密封舱(2)的侧面固定设置有压力仓板(3)，所述压力仓板(3)的顶部和前后固定设置有压力平衡仓(5)，所述土压预测数据输出系统和输送机转速数据输出系统对PLC控制系统进行通讯，所述PLC控制系统对土压平衡控制系统进行通讯；
2.根据权利要求1所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述压力平衡器(6)的侧面固定设置有充气器(7)，所述压力平衡器(6)与充气器(7)之间固定设置有充气管(702)和回气管(706)，所述充气管(702)和回气管(706)均联通压力平衡器(6)与充气器(7)的内部，所述充气管(702)的内部固定设置有电气控制阀(703)、所述回气管(706)的内部固定设置有回气泵(707)，所述充气器(7)的顶部固定设置有电气控制器(704)，所述电气控制器(704)与电气控制阀(703)和回气泵(707)电性连接，所述充气器(7)的侧面固定设置有气体传输管
3.根据权利要求1所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述密封舱(2)的内部阵列设置有压力传感器(8)，所述压力仓板(3)和刀盘(1)之间固定设置有推进杆(9)，所述压力仓板(3)的中部转动设置有搅拌器(4)，所述搅拌器(4)的一侧上固定设置有搅拌臂(10)。
4.根据权利要求1和3所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述压力仓板(3)的底部固定设置有螺旋输送机(11)，所述搅拌器(4)的另一侧固定设置有液压油缸组(12)，所述压力仓板(3)的侧面固定设置有支撑臂(13)，所述支撑臂(13)的侧面固定设置有支撑瓦片(14)，所述支撑瓦片(14)的内部设置有尾盾(15)，尾盾(15)的侧面固定设置有管片拼装机(16)，所述压力仓板(3)的后侧固定设置有检修室(17)。
5.根据权利要求1所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述PSO-LSSVM土压预测模型包括LSSVM算法模型建立和PSO算法优化，所述LSSVM算法模型建立如下：
6.根据权利要求1所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述输送机转速计算模型使用所述PSO-LSSVM土压预测模型的输出数据，基于FOA的螺旋输送机(11)转速优化算法，所述输送机转速计算模型算法模型如下：
7.根据权利要求1、2、5和6所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述土压预测数据输出系统输出土压预测数据通过输出控制单元对压力稳定器控制模块进行通讯，所述通讯数据通过电气控制器(704)进行输出，所述电气控制器(704)对电气控制阀(703)和回气泵(707)进行动作控制，所述输送机转速数据输出系统输出转速数据通过输出控制单元对螺旋输送机控制模块进行通讯。
...【技术特征摘要】
1.一种盾构机土压平衡控制装置及方法，包括刀盘(1)、plc控制系统、土压预测数据输出系统、输送机转速数据输出系统以及土压平衡控制系统，其特征在于：所述刀盘(1)的内部设有密封舱(2)，所述密封舱(2)的侧面固定设置有压力仓板(3)，所述压力仓板(3)的顶部和前后固定设置有压力平衡仓(5)，所述土压预测数据输出系统和输送机转速数据输出系统对plc控制系统进行通讯，所述plc控制系统对土压平衡控制系统进行通讯；
2.根据权利要求1所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述压力平衡器(6)的侧面固定设置有充气器(7)，所述压力平衡器(6)与充气器(7)之间固定设置有充气管(702)和回气管(706)，所述充气管(702)和回气管(706)均联通压力平衡器(6)与充气器(7)的内部，所述充气管(702)的内部固定设置有电气控制阀(703)、所述回气管(706)的内部固定设置有回气泵(707)，所述充气器(7)的顶部固定设置有电气控制器(704)，所述电气控制器(704)与电气控制阀(703)和回气泵(707)电性连接，所述充气器(7)的侧面固定设置有气体传输管(705)。
3.根据权利要求1所述的一种盾构机土压平衡控制装置及方法，其特征在于：所述密封舱(2)的内部阵列设置有压力传感器(8)，所述压力仓板(3)和刀盘(1)之间固定设置有推进杆(9)，所述压力仓板(3)的中部转动设置有搅拌器(4)，所述搅拌器(4)的一侧上固定设置有...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙国茹，孙津津，孙立愫，王威，张箭，陈成，韩向朝，丰土根，彭明刚，高雅清，张艳伟，王浩，张廷忠，李光山，楚现柱，
申请(专利权)人：中电建铁路建设投资集团有限公司，
类型：发明
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