[发明专利]一种土压平衡盾构机土压智能控制系统

权利要求书

1.一种土压平衡盾构机土压智能控制系统，由PLC自动控制系统、工控机、盾构机土压算法控制系统、导向系统、掘进管理系统组成，其特征在于：所述PLC自动控制系统与工控机之间通过KepServerex相互通讯，所述盾构机土压算法控制系统与导向系统以及掘进管理系统通过TCP/IP相互通讯；

所述PLC自动控制系统包括电源模块、输入输出控制单元、人机界面、传感器系统，且输入输出控制单元中包括电磁阀以及比例阀；

其中，PLC自动控制系统负责接收来自盾构机土压算法控制系统中推荐的控制参数并控制电磁阀以及比例阀的输出，同时将传感器系统以及人机界面运行参数实时反馈给土压算法控制系统；

工控机负责盾构机土压算法控制系统运行，并将控制系统生成控制参数推荐给PLC自动控制系统；

导向系统以及掘进管理系统则负责向土压算法控制系统实时传送全面的盾构机运行数据；盾构掘进过程中若保持土压平衡状态，可控制地表沉降；

理想土压平衡状态为土舱压力P与掘进面侧向静止土压Pe和掘进面地下水压Pw之和相等，即：

p＝p_e+p_w

土层地下水压力值与土层渗水能力、地下水含量大小及其分布情况有关；施工地层上部的地下水会对刀盘产生水平方向压力可通过下式计算：

p_w＝e·γ_w·h

其中，e是土体的透水强度，一般是根据人工经验确定；γw是水的重度，单位kN/m³；h是地下水与计算点之间的距离，单位m；

地层土压力土体在未受到外界干扰时，处于弹性平衡状态，则土体对外界产生的压力即静止土压力，可由下式计算：

p_s＝k_s·γ_e·h_e

其中，ps是埋深为he的土体静止土压力；ks是静止土压系数；γe为土体重度，单位kN/m³，he为地表与计算点之间的距离，单位m；

当盾构向前推进时，如果盾构向前的挤压力过大，则土体有向上滑动的趋势，其压力由静止压力变大到最大值即被动土压力，其计算公式如下：

k_被动＝tan²(45°+φ/2)

其中P_被动为土体被动土压力；c是土体粘聚力；K_被动为被动土压系数；φ为内摩擦角；

如果盾构向前的挤压力过小，则土体有向下沉降的趋势，其压力由静止压力变小到最小值即主动土压力，其计算公式如下：

k_主动＝tan²(45°-φ/2)

其中P_主动为土体主动土压力；K_主动为主动土压系数。

2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构机土压智能控制系统，其特征在于：盾构机土压算法控制系统包括盾构机掘进前盾构施工参数生成以及盾构掘进中施工参数生成两部分，且盾构机土压算法控制系统根据掘进区间地质勘测数据，自动计算每一环最适土压范围并输入系统，作为盾构机掘进过程中土舱土压的跟随目标。

3.根据权利要求2所述的一种土压平衡盾构机土压智能控制系统，其特征在于：所述掘进前盾构施工参数生成为在盾构掘进前，盾构机土压算法控制系统对盾构掘进历史数据进行预处理，利用BP神经网络对处理后的掘进历史数据进行训练建立土压控制模型，随后通过粒子群优化算法输出盾构初始掘进参数。

4.根据权利要求3所述的一种土压平衡盾构机土压智能控制系统，其特征在于：所述土压控制模型数据包括地下水位、水的容重、土体透水强度、静止侧压系数、有效内摩擦角、土粘聚力、土体容重、盾构埋深、刀盘直径，输出为主动土压、被动土压、静止土压数据。

5.根据权利要求2所述的一种土压平衡盾构机土压智能控制系统，其特征在于：所述盾构掘进中施工参数生成为盾构机土压算法控制系统将实时采集盾构施工数据，并利用深度确定性策略梯度算法DDPG构建双网络结构来促进神经网络的有效学习，使控制系统的输出变量能够根据盾构机实时反馈的掘进参数同自主寻优控制结合不断的学习与优化。