摘要
随着我国人口数量不断上升，城市交通压力日益增大，地面可用空间逐年减少，为缓解交通压力及地面可用空间不足等问题，城市地下轨道交通等隧道建设项目得到大力发展，公路、铁路等隧道建设需求及里程数不断增加，盾构法施工因具有智能化程度高、安全和高效等优点，因此被广泛应用于各类隧道施工领域。但是盾构机作为大型隧道掘进装备，伴随着大量的能源消耗，然而当前对盾构机掘进能耗和掘进参数优化的研究较少，并存在力学模型构建不完善、能耗影响因素的选择缺乏理论依据等问题，因此，为降低掘进能耗，保障掘进效率，促进绿色施工、节能减排，本文基于在济南某穿黄隧道项目中采集的工程数据，对盾构机的能耗预测及参数优化展开研究。主要包括以下研究工作: (1)根据泥水平衡盾构机各组成系统工作原理，基于力学分析构建能耗数学模型，为后续能耗影响因素的选择、数据分析与处理、能耗预测及掘进参数优化提供理论基础。 (2)基于构建的泥水平衡盾构机能耗数学模型，进行能耗影响因素的初选，并针对工程数据的特点，进行了非工作状态数据与离群数据清洗、数据去噪、数据无量纲化等预处理工作，最后通过相关性热图和点密度图分析，确定了 9种与泥水平衡盾构机能耗相关的特征参数。 (3)基于机器学习方法，构建了 WTPSO-BPNN泥水平衡盾构机能耗预测模型，并基于在实际施工项目中采集到的工程数据，以总推力、贯入度、主推油缸推力、刀盘扭矩、开挖仓和掘进速度作为预测模型的输入特征参数，以能耗为输出特征参数，进行了预测模型的训练、预测及验证，同时，与传统BP预测模型进行了对比分析，证明了本文WTPSO-BPNN预测模型的有效性和适用性。 (4)针对泥水平衡盾构机的高能耗问题，基于能耗模型和掘进效率，建立了优化模型，确定了寻优目标函数、寻优变量及约束条件等，然后基于NSGA-Ⅱ算法进行求解，通过优化前后的数据对比分析，其结果表明，该优化模型能有效降低掘进能耗，并提高掘进效率。
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