本文是一篇工程管理论文，本文以某地铁盾构掘进过程为研究对象，系统分析盾构机掘进性能预测与掘进参数优化控制方法。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
盾构法施工指的是利用盾构机进行地下土体开挖的一种全机械施工方法，相较传统施工方法更加快捷自动化，因此在我国得到广泛的应用[1]。虽然当今盾构施工技术已发展到很高的水平，但是盾构机运行状况分析主要取决于决策人员的经验，盾构机掘进参数的设置仍然依靠操作人员的主观判断，掘进效率不能够保证。盾构切刀的切削力作为盾构刀盘受力的关键载荷，现有设备难以对切刀在掘进过程中的受力进行直接检测；现有掘进参数预测模型也容易陷入过拟合状态，泛化能力差、预测耗时长且预测精度低，难以对实际施工产生指导；此外，在开挖过程中，通常涉及相互矛盾的多个目标，如何权衡决策各个控制目标，得到最佳的控制参数组合是本课题的难点。因此，综合考虑盾构机掘进速度与地表沉降，实现盾构机多目标掘进参数优化，对于提高掘进效率、降低施工风险、减少施工费用具有重要意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 盾构机掘进机理国内外研究现状
在软土地层中，盾构刀盘主要安装切刀，土体所受切削力的大小可以直接反映土体的力学性质，也可以直观地反映掘进的难易程度，同时对掘进速度产生很大的影响。由于盾构刀具布置在地表之下，难以对切削力进行直接测量和提取，只能通过间接计算的方法对切削力进行计算，对于切削力的计算方法大量学者进行了如下研究。 在盾构切刀切削机理方面，Shi等[3]结合刀盘结构、切削原理以及刀盘与土壤的相互作用，提出了刀盘扭矩的组成及相应的计算方法，对三种典型土壤进行改进模型和试验后的理论计算，发现刀盘开口率和土压力是决定刀盘扭矩的两个最重要的因素。针对盾构机刀盘受力模型，Paul等[4]分析了不同刀具和掌子面切痕的关系。Roxborough等[5]对截面切刀切削机理进行了研究，结合岩土的力学性质，给出了切削力的预测公式。Rostami等[6]对常截面切刀进行了研究，结合土层的力学性质，提出了半经验切刀切削力预测公式。
基于仿真分析的掘进机理研究，Zhu等[7]为了研究盘形切削刀切削力在刀盘上的化及分布规律，基于扩展Drucker-Prager屈服准则建立了切削过程的有限元模型，并对刀盘的开挖过程进行了模拟。Zhang等[8]基于粒子离散元法建立了用于模拟破岩过程的二维数值模拟方法，并在直线切削实验平台上进行了破岩实验，计算结果、仿真结果和实验结果之间的平均误差很小，为证明力学模型的有效性提供了一个结果。Park等[9]使用离散元分析来预测土压平衡盾构的开挖性能。Li等[10]介绍了切削工具切削岩石和土壤的机理，在此机理的基础上，利用ABAQUS软件建立有限元模型，模拟刀具和圆盘刀具切削岩土体时的切削过程。Gu等[11]提出了一种新的有限元方法来模拟动态和连续盾构隧道过程，可以准确模拟盾构机的动态连续开挖过程。Zhao等[12]利用ABAQUS建立了刀盘模型，采用包含单元删除函数的破坏准则来模拟岩石的屈服和破坏，分析了切削条件下刀盘的受力情况。
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第2章 某地铁盾构施工过程分析
2.1 某地铁工程概况
2.1.1 工程概况
以某地铁施工段为研究对象，上园路站～北大营街站盾构区间沿合作街铺设，线路出上园路站后沿合作街南行，侧穿两侧多栋房屋、下穿10号线北大营街站D出入口后与暗挖段区间相接。如图2.1所示。
上园路站-北大营街站区间采用盾构法和矿山法施工，区间右线全长1050.815m，起止里程右DK7+275.685-右DK8+326.384,盾构法长1031.94m，起止里程右DK7+275.685~右DK8+307.509；DK8+307.509-DK8+315.709为现浇段，长8.2m；DK8+315.709-DK8+326.384为暗挖法施工，长10.675m。左线全长1049.798m,起止里程左DK7+275.685-左DK8+327.304，区间左线盾构法长1030.923m，起止里程左DK7+275.685-左DK8+308.429，左DK8+308.429-左DK8+316.629为现浇段，长8.2m；暗挖法长10.675m，起止里程左DK8+316.629-左DK8+327.304。区间在里程右DK7+833.000设一处联络通道，盾构分别由上园路站小里程端左、右线始发，至区间大里程段左、右线暗挖段内解体接收，完成该区间推进过程。其中，运用盾构法施工的工段如表2.1所示。盾构隧道衬砌采用C50预制钢筋混凝土管片，衬砌环外径6.0m，内径5.4m，管片厚度0.3m，环宽1.2m。管片衬砌每环由6块管片组成，采用错缝拼装方式，隧道转弯时采用左、右转弯楔形衬砌环，盾构机选用2台铁建重工土压平衡盾构机。
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2.2 施工过程控制
土压平衡盾构机在掘进时需保持盾构掘进速度和出土量的平衡，以达到对地表沉降值的合理控制。本区间线路穿越街坊,盾构施工过程应密切注意穿越区地面上建筑物的变形。设计时应充分考虑建筑物基础与隧道结构之间的相互影响，盾构掘进施工，应建立完整的测量和监控量测系统，设专人负责监控量测，控制隧道位置，对地层及结构进行监测，并及时反馈信息，尤其应监测穿越区上方地表沉降值。
2.2.1 工期目标
盾构施工区间上园路站-北大营街站左线，组装调试时间在2021年2月开始，一个月后进行盾构始发，计划工期时长四个月，具体施工段工期目标如表2.3所示：
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第3章 土压平衡盾构机切刀切削机理模型 ............................. 20
3.1 基于Mckyes-Ali的切刀切削机理模型 .................................. 20
3.1.1 盾构切刀开挖原理与土层破坏机理 .......................... 20
3.1.2 切削刀运动特性 .............................. 21
第4章 基于IPSO-SVR的盾构掘进性能指标预测方法 ...................... 39
4.1 掘进参数采集与预处理 ................................. 40
4.1.1 掘进参数采集 ............................... 41
4.1.2 基于变分模态分解和去趋势波动分析算法的掘进状态参数降噪 .......... 42
第5章 地铁施工过程掘进参数多目标优化方法 ........................... 64
5.1 多目标优化模型 ................................ 64
5.1.1 问题描述 ........................................ 64
5.1.2 多目标优化模型 .................................. 65
第5章 地铁施工过程掘进参数多目标优化方法
5.1 多目标优化模型
5.1.1 问题描述
（1）问题描述
盾构机控制参数决策是一个最优化问题，包含目标函数、优化变量和约束条件三个基本要素。本文采用“先安全，再优化”的思路，即在所选控制参数不会导致各项机械指标超出额定值的前提下，选择多项指标综合最优的控制参数进行掘进。在实际的盾构机施工过程中，需要考虑不同的施工目标，例如在保证施工安全的基础上使施工效率最快。而在盾构施工过程中，最重要的安全指标就是地表沉降值；同时掘进速度是影响施工效率的重要因素。因此，本文以最快掘进速度advance speed（AS），以及最低地表沉降surface subsidence（GS）为目标构建目标函数。
（2）变量定义
在盾构施工过程中，盾构司机主要控制盾构机刀盘转速cutterhead speed（CS）、盾构机主推力main thrust（MT）以及螺旋输送机转速screw conveyor speed（SS），同时结合盾构切刀切削力cutting force（CF）以及盾构掘进重要状态变量刀盘扭矩cutterhead torque（CT），共同作为盾构机的掘进参数优化的决策变量。
（3）假设条件
在实际盾构施工中环境条件复杂，遇到突发情况时，会发生停机卡顿等突发事件，同时盾构刀具也会随着掘进施工而产生磨损，为满足掘进参数优化需求，现做出如下假设：假设盾构施工过程中不会发生停机卡顿等意外情况；假设盾构刀具不会磨损。
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第6章 结论与展望
6.1 结论
当今盾构施工技术已发展到很高的水平，但是盾构机运行状况分析主要取决于决策人员的经验，盾构机掘进参数的设置仍然依靠操作人员的主观判断，掘进效率以及安全性不能够保证。因此，本文以某地铁盾构施工过程为研究对象，系统分析盾构机掘进参数优化与控制方法，主要取得如下研究成果：
（1）建立了基于Mckyes-Ali的切刀切削土层机理模型，进一步推导得出切削力计算公式，并利用ABAQUS软件模拟盾构切刀切削土体过程，结合盾构实测数据验证了机理模型的准确性；为后续的预测模型以及掘进参数优化模型提供数据支持和理论依据。
（2）提出了一种机理与数据驱动的盾构掘进性能指标预测模型，在对盾构掘进实测数据进行降噪的基础上，以盾构司机控制参数-刀盘转速、主推力、螺旋输送机转速以及反映土体情况的变量切削力作为输入，以掘进速度以及地表沉降作为输出，利用改进粒子群算法优化支持向量机超参数，实现了掘进性能指标快速、精准预测。实例分析计算结果表明，掘进速度预测测试集的决定系数R2为0.91804，地表沉降预测R2为0.92575说明拟合情况良好。同时，模型在RMSE、MBE比其他智能优化算法优化的预测模型综合表现好。验证了方法的有效性与优越性。
参考文献（略）