基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)刀具布置優(yōu)化

郭京波， 王旭東， 鄭麗堃， 李 杰

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

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基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)刀具布置優(yōu)化

郭京波， 王旭東， 鄭麗堃， 李 杰

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

為了提高復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)掘進(jìn)的穩(wěn)定性，刀盤(pán)上滾刀的優(yōu)化布置成為設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。通過(guò)分析滾刀的受力，確定以滾刀極徑與極角作為設(shè)計(jì)變量、滾刀布置原則作為約束的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型； 采用多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法將多個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)優(yōu)化，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)原則在Pareto最優(yōu)解集中選擇滿(mǎn)足要求的優(yōu)化方案。應(yīng)用該優(yōu)化方法對(duì)廣州地鐵某復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化布置。研究結(jié)果顯示： 優(yōu)化后(邊滾刀數(shù)量為9時(shí))，徑向載荷合力減小了21.3%，傾覆合力矩減小了17.8%，破巖量方差減少了15%，表明所建模型及使用的多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法是可行和有效的。

復(fù)合式盾構(gòu)； 刀盤(pán)； 刀具布置； 多目標(biāo)遺傳算法； 方案優(yōu)化

0 引言

復(fù)合式盾構(gòu)廣泛應(yīng)用于上軟下硬地層(如廣州、深圳等城市地層)，刀盤(pán)上刀具的配備需要根據(jù)地質(zhì)條件和施工要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)及選型[1-3]。復(fù)合式盾構(gòu)需同時(shí)布置滾刀和刮刀以應(yīng)對(duì)其特殊地層工況。盾構(gòu)刀具布置的合理與否，很大程度上影響了刀具壽命、刀盤(pán)的振動(dòng)和盾構(gòu)掘進(jìn)效率[4-5]，因而對(duì)刀具布置規(guī)律和優(yōu)化方案的理論研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

霍軍周等[6-7]建立了多約束條件的滾刀布置優(yōu)化模型，為建立刀具布置數(shù)學(xué)模型提供了參考，并分別運(yùn)用懲罰函數(shù)-權(quán)重集合法和協(xié)同進(jìn)化法對(duì)TBM滾刀優(yōu)化布置，并驗(yàn)證其方法的可行性。夏毅敏等[8]結(jié)合深圳地鐵某復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)，歸納2種類(lèi)型滾刀布置區(qū)域，采用遺傳算法將約束條件、目標(biāo)函數(shù)分2步進(jìn)行優(yōu)化，最終得到優(yōu)化布置方案。文獻(xiàn)[9-10]以伊朗隧道施工所用TBM刀盤(pán)為例，結(jié)合CSM受力模型，建立邊緣滾刀優(yōu)化布置數(shù)學(xué)模型并采用遺傳算法進(jìn)行求解。根據(jù)已有研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用基本相同的數(shù)學(xué)模型，使用不同的優(yōu)化原則將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)進(jìn)行求解，最終得到的優(yōu)化結(jié)果并不能使多個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，本文完善了復(fù)合式盾構(gòu)刀具布置約束條件，將多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法應(yīng)用于刀具優(yōu)化布置，采用該算法可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇最優(yōu)解使多個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證該算法求解所建模型的可行性和優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

1 刀具布置原則

復(fù)合式盾構(gòu)工況復(fù)雜，掘進(jìn)過(guò)程中常伴有強(qiáng)烈的沖擊載荷引起整機(jī)振動(dòng)、刀具損壞甚至是刀盤(pán)解體，因而要求刀盤(pán)在掘進(jìn)過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性及平衡性。復(fù)合式盾構(gòu)同時(shí)布置滾刀和刮刀，刮刀沿輻條對(duì)稱(chēng)布置，其不平衡力很小，因此，本文僅針對(duì)滾刀進(jìn)行研究。

對(duì)于復(fù)合式盾構(gòu)刀具布置有以下原則： 1)質(zhì)心重合原則； 2)刀間距合理原則； 3)安裝不干涉原則； 4)刀具可安裝域要求； 5)最優(yōu)切削效率； 6)徑向載荷最小原則； 7)傾覆力矩最小原則[11-13]。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 設(shè)計(jì)變量的確定

假設(shè)在平面范圍進(jìn)行優(yōu)化，滾刀相對(duì)輻板高出度確定。刀盤(pán)上刀具布置時(shí)需要確定的變量是刀具位置，采用極坐標(biāo)表示，因此，設(shè)計(jì)變量為刀具的極徑ρi與極角θi。

X={x1,x2,…,xi,…,xn}。

(1)

其中

xi={ρi,θi},i=1,2,…,n。

2.2 目標(biāo)函數(shù)的確定

根據(jù)刀具所處位置，對(duì)滾刀受力進(jìn)行分析。滾刀受力如圖1所示。

(a) 正滾刀

(b) 邊滾刀

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)1： 刀盤(pán)徑向不平衡力f1(x)

刀盤(pán)在x軸和y軸方向上所受力的總和∑Fx、∑Fy經(jīng)過(guò)整理可得刀盤(pán)徑向不平衡力f1(x)。

(2)

式中:FVi和FRi分別為垂直力和滾動(dòng)力，均由CSM模型[14]求出; FSi為側(cè)向力，由羅克斯巴勒預(yù)測(cè)公式[15]求出； Fe為慣性力，F(xiàn)e=m*ω2ρi(m*為滾刀質(zhì)量,kg; ω為滾刀角速度,rad/s)； γi為邊滾刀與z軸夾角，稱(chēng)為安裝傾角。

(3)

式中: RS為邊緣滾刀刀尖包絡(luò)圓弧半徑,mm; Rf為該圓弧中心到刀盤(pán)中心距離，mm。

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)2： 刀盤(pán)傾覆力矩f2(x)

刀盤(pán)在x軸和y軸方向上所受力矩的總和∑Mx、∑My經(jīng)過(guò)整理可得刀盤(pán)傾覆力矩f2(x)。

(4)

2.2.3 目標(biāo)函數(shù)3： 破巖量方差f3(x)

根據(jù)破巖機(jī)制可知，每把刀的裂紋擴(kuò)展距離近似等于刀間距的一半。Vi為滾刀破巖時(shí)旋轉(zhuǎn)1周的破巖量，ΔV為平均破巖量。滾刀破巖體積、平均破巖量分別為：

Vi=2πρih2tanβ；

(5)

ΔV=πR2h/n。

(6)

式中：h為掘進(jìn)量，mm；β為巖石破碎角，rad；R為刀盤(pán)切削半徑；n為滾刀數(shù)量。

破巖量方差計(jì)算公式為

(7)

綜上所述，目標(biāo)函數(shù)表示為

minF(X)=(f1(x),f2(x),f3(x))。

(8)

2.3 約束條件的確定

2.3.1 約束條件1： 質(zhì)心分布要求

刀盤(pán)安裝滾刀后總體質(zhì)心應(yīng)重合于未安裝滾刀時(shí)刀盤(pán)質(zhì)心，故其約束條件為：

(9)

式中: (Px,Py)為刀盤(pán)質(zhì)心的實(shí)際位置，mm；(xe,ye)為安裝刀具后刀盤(pán)總體質(zhì)心位置的期望值，mm；(δxe,δye)為安裝刀具后刀盤(pán)質(zhì)心位置誤差許用值，mm。

2.3.2 約束條件2： 破巖刀間距要求

合理的刀間距使相鄰滾刀之間的巖石裂紋擴(kuò)展、貫通，破巖效率最佳。根據(jù)目前的破巖理論，采用剪切破巖理論可知滾刀合理刀間距為

S<2htanβ。

(10)

滾刀破巖刀間距要求

(11)

式中 Si(i+1)為第i把和第i+1把滾刀之間的刀間距，mm。

2.3.3 約束條件3： 刀具可安裝域要求

復(fù)合式盾構(gòu)“米”字型刀盤(pán)滾刀可安裝域U主要包括米字型輻條布刀區(qū)域(面域A)和輻板布刀區(qū)域(面域B)，則其可安裝域表達(dá)為

g4(x)：U=A∪B。

(12)

輻條布刀面域

(13)

輻板布刀面域

(14)

Φ=Φ1(Φ1∩(Φ2∪Φ3∪Φ4)),Φ1∈[0,2π)。

(15)

式(13)—(15)中: ρs為第1把滾刀起始極徑； ρt為邊刀可布區(qū)域終止極徑； Φ為輻板上可布區(qū)域極角范圍； Φ1為刀盤(pán)面板全部面域； Φ2為刀盤(pán)開(kāi)口對(duì)應(yīng)面域； Φ3為刀盤(pán)泡沫注入口對(duì)應(yīng)面域； Φ4為刀盤(pán)超挖刀對(duì)應(yīng)區(qū)域。

2.3.4 約束條件4： 最優(yōu)切削效率

對(duì)于滾刀而言，最優(yōu)的S/h取值范圍一般為10～20。

g5(x): 10≤S/h≤20。

(16)

2.3.5 約束條件5： 布刀位置不干涉

同一個(gè)相位只能布置1把滾刀，滾刀及滾刀刀座之間不能相互干涉。

(17)

式中ΔVij為第i把和第j把滾刀的干涉體積，mm3。

2.4 刀具布置優(yōu)化思路

盾構(gòu)刀盤(pán)刀具布置數(shù)學(xué)模型的約束條件復(fù)雜且含有多個(gè)相互沖突的目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)該問(wèn)題，采用基于多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法將多個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)優(yōu)化，依據(jù)偏序關(guān)系選擇構(gòu)造新群體，通過(guò)比較密度保持非劣性解的多樣性，在不區(qū)分解的好壞的情況下，建立Pareto最優(yōu)解集，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求選擇一組符合要求的解作為最優(yōu)解。

3 實(shí)例驗(yàn)證

選取廣州地鐵某型號(hào)復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)為例，刀盤(pán)為“米”字型，有6根輻條，配置羅賓斯43.18 cm(17英寸)滾刀，刀盤(pán)參數(shù)見(jiàn)表1，刀盤(pán)如圖2所示。

圖2 φ7 620 mm復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)

Fig. 2 Cutterhead of a composite shield machine with diameter of 7 620 mm

根據(jù)查閱資料及工況測(cè)得的參數(shù)，取土質(zhì)參數(shù)C=2.12，巖土抗壓強(qiáng)度為55 MPa，巖土抗拉強(qiáng)度為5.5 MPa，巖石破碎角β=1.39 rad。滾刀刀尖寬度T=12 mm，滾刀質(zhì)量為180 kg，掘進(jìn)量h=10 mm。滾刀刀尖壓力分布系數(shù)Ψ=-0.2～0.2，滾刀與巖石接觸角φ=0.035 rad。

φ7 620 mm盾構(gòu)的中心滾刀及正滾刀采用同心圓布置，中心滾刀的刀間距為100 mm，正滾刀的刀間距分別為90 mm和80 mm，中心滾刀及正滾刀的刀間距滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因而僅對(duì)10把邊滾刀進(jìn)行優(yōu)化布置。本文針對(duì)整個(gè)刀盤(pán)建立數(shù)學(xué)模型，邊滾刀為整個(gè)刀盤(pán)的一部分，優(yōu)化模型同樣適用。邊滾刀布置極徑及極角如表2所示。

表2 邊滾刀極徑與極角

對(duì)刀具布置的整體要求為： 刀盤(pán)總體質(zhì)心位置期望值xe=ye=0，刀盤(pán)總體質(zhì)心許用誤差δxe=δye=5 mm。邊緣滾刀刀尖包絡(luò)圓弧半徑RS=500 mm，該圓弧中心到刀盤(pán)中心距離Rf=3 377 mm。邊滾刀可安裝區(qū)域ρs=3 446 mm、ρt=3 810 mm。

利用Matlab軟件，編寫(xiě)約束條件、目標(biāo)函數(shù)M文件，采用多目標(biāo)遺傳算法工具箱計(jì)算求解[16]，優(yōu)化得到10把邊滾刀對(duì)應(yīng)的3組Pareto解集。考慮邊滾刀數(shù)量對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，經(jīng)計(jì)算當(dāng)n≤8時(shí)，最外側(cè)滾刀的極徑不滿(mǎn)足布置原則。故設(shè)計(jì)9把邊滾刀優(yōu)化方案，得到其對(duì)應(yīng)的9組Pareto解集。將Pareto解代入目標(biāo)函數(shù)中，選取最優(yōu)徑向不平衡力、傾覆合力矩及破巖方差結(jié)果如表3所示，對(duì)應(yīng)最優(yōu)解集如表4所示。

表3 目標(biāo)函數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 優(yōu)化后邊滾刀極徑及極角解集

Table 4 Solution set of polar radius and polar angle of marginal disc cutters after optimization

滾刀標(biāo)號(hào)10把滾刀極徑ρi/mm極角θi/rad9把滾刀極徑ρi/mm極角θi/rad383464.02.113451.44.8350393529.42.923525.91.2403403588.26.513571.32.1406413640.54.683621.86.1025423679.31.503665.32.6341433719.03.153701.20.5050443749.40.0193751.43.9856453778.05.703783.53.0417463795.32.603809.45.2108473810.03.07

從表3和表4可知，優(yōu)化后各方案均滿(mǎn)足滾刀布置要求，3個(gè)目標(biāo)函數(shù)值均相應(yīng)減少。當(dāng)邊滾刀數(shù)量為10時(shí)，優(yōu)化后結(jié)果與原刀盤(pán)相差小于10%，效果不明顯；當(dāng)邊滾刀數(shù)量為9時(shí)，徑向載荷合力減小了21.3%，傾覆合力矩減小了17.8%，破巖量方差減少了15%，優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化結(jié)果表明采用多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法是有效的。

9把邊滾刀優(yōu)化后方案與原刀盤(pán)對(duì)比如圖3所示。

(a) 原刀盤(pán)滾刀布置

(b) 優(yōu)化后滾刀布置

4 結(jié)論與討論

1)針對(duì)復(fù)合式盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮刀具可安裝域，建立以滾刀布置原則為約束的數(shù)學(xué)模型，采用多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法求解，同時(shí)優(yōu)化多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求選擇一組符合要求的解作為最優(yōu)解，提高了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

2)結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某復(fù)合式盾構(gòu)刀具的布置進(jìn)行了優(yōu)化，從理論受力最小進(jìn)行分析，優(yōu)化后刀盤(pán)徑向載荷合力減小了21.3%，傾覆合力矩減小了17.8%，破巖量方差減少了15%。結(jié)果表明,所建模型及使用的多目標(biāo)Pareto解的非劣性分層遺傳算法是可行的與有效的。

3)采用本文算法求解時(shí)，計(jì)算量大，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。在下一步的研究中，可采用其他智能算法，如粒子群算法、人工蜂群算法等進(jìn)一步改善優(yōu)化方案，提高優(yōu)化效率。工程實(shí)例驗(yàn)證時(shí)，僅對(duì)邊滾刀位置進(jìn)行了優(yōu)化，徑向載荷及傾覆力矩仍比較大，需針對(duì)刀盤(pán)上各類(lèi)刀具位置做進(jìn)一步優(yōu)化。

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中國(guó)中冶管廊技術(shù)研究院

中冶集團(tuán)積極響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略號(hào)召，按照“冶金建設(shè)國(guó)家隊(duì)、基本建設(shè)主力軍、新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑者，長(zhǎng)期堅(jiān)持走高技術(shù)發(fā)展之路”的戰(zhàn)略定位，移植冶金傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)，于2015年率先成立國(guó)內(nèi)首個(gè)專(zhuān)業(yè)化綜合管廊技術(shù)研究院——中國(guó)中冶管廊技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中冶管廊研究院”)，并以此為契機(jī)， 吹響了全面進(jìn)軍城市地下綜合管廊市場(chǎng)的號(hào)角。

把握需求，技術(shù)實(shí)力引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

依托中冶集團(tuán)多專(zhuān)業(yè)、全流程的技術(shù)實(shí)力和綜合優(yōu)勢(shì)，中冶管廊研究院打造了綜合管廊全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了綜合管廊領(lǐng)域關(guān)鍵理論、關(guān)鍵技術(shù)新突破。

中冶管廊研究院構(gòu)建了科技研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)體系、專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)3大技術(shù)體系，為企業(yè)發(fā)展助力。攻關(guān)綜合管廊共性、關(guān)鍵性課題，快速掌握核心技術(shù)，打造與綜合管廊全生命周期相匹配的戰(zhàn)略產(chǎn)品；參與十三五“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)”城市地下綜合管廊規(guī)劃建設(shè)與安全運(yùn)維體系研究；承擔(dān)《城市地下綜合管廊運(yùn)營(yíng)維護(hù)及安全管理研究》《BIM技術(shù)在綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)管理中的應(yīng)用研究》等住建部課題研究；先后參編、主編《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》《綜合管廊運(yùn)行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《城市地下綜合管廊巖土工程技術(shù)規(guī)程》《綜合管廊波紋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》等20余項(xiàng)國(guó)家、行業(yè)、協(xié)會(huì)、地方標(biāo)準(zhǔn)；立足中冶管廊研究院技術(shù)委員會(huì)，培養(yǎng)綜合管廊專(zhuān)家人才，協(xié)助住建部開(kāi)展綜合管廊全國(guó)規(guī)劃巡查，使中冶管廊研究院逐步成為國(guó)家倚重的專(zhuān)家智庫(kù)。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)綜合管廊市場(chǎng)存在的管網(wǎng)安全、特種管線(xiàn)入廊等問(wèn)題，中冶管廊研究院研發(fā)出智慧綜合管廊產(chǎn)品，利用智能系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合GIS、BIM技術(shù)，將管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的信息進(jìn)行傳遞和整合，建立一體化智慧服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊全生命周期的智慧管控。

響應(yīng)國(guó)家建筑裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化要求，中冶管廊研究院開(kāi)發(fā)的裝配式鋼制綜合管廊產(chǎn)品攻克了防滲、防腐、防火、強(qiáng)度計(jì)算等技術(shù)難題，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。目前，該項(xiàng)產(chǎn)品已在河北省衡水市武邑縣成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)第一條真正意義上的鋼制綜合管廊試驗(yàn)段已于日前建成。

為了解決老舊城區(qū)綜合管廊工程的建設(shè)問(wèn)題，中冶管廊研究院研制開(kāi)發(fā)了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的綜合管廊施工專(zhuān)用盾構(gòu)系列產(chǎn)品，具有精度高、沉降小、施工快、安全性高、對(duì)環(huán)境影響小、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。

在研發(fā)過(guò)程中，中冶管廊研究院靈活運(yùn)用社會(huì)資源，與知名高校及企業(yè)合作，籌建國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)中心，努力實(shí)現(xiàn)管廊領(lǐng)跑者目標(biāo)。

聚焦用戶(hù)，優(yōu)質(zhì)服務(wù)助力城市發(fā)展

中冶管廊研究院始終以用戶(hù)需求為關(guān)注點(diǎn)，根據(jù)城市情況量身定制綜合管廊建設(shè)方案，提供一站式優(yōu)質(zhì)服務(wù)以及試點(diǎn)城市申報(bào)、PPP申報(bào)、管廊規(guī)劃、模型制作、展館建設(shè)等多項(xiàng)增值服務(wù)，并配合城市建設(shè)，拓展包括市政管線(xiàn)全流程建設(shè)和城市地下空間綜合利用一體化建設(shè)在內(nèi)的綜合管廊相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。中冶管廊研究院的一站式優(yōu)質(zhì)服務(wù)和系列產(chǎn)品，使得管廊建設(shè)得以順利推進(jìn)，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，促進(jìn)城市發(fā)展。

銳意開(kāi)拓，優(yōu)良業(yè)績(jī)揚(yáng)威國(guó)內(nèi)市場(chǎng)

為進(jìn)一步開(kāi)拓市場(chǎng)，中冶管廊研究院充分調(diào)動(dòng)其資源整合能力，形成集投融資、咨詢(xún)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理為一體的綜合管廊建設(shè)全產(chǎn)業(yè)鏈，作為中冶管廊市場(chǎng)開(kāi)拓的堅(jiān)實(shí)后盾。

2016年以來(lái)，中冶集團(tuán)連續(xù)中標(biāo)深圳、武漢、蘭州、西安、銀川、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)、鄭州、?？凇①F州等地一批極具影響力的綜合管廊項(xiàng)目，管廊總長(zhǎng)超過(guò)900 km。其中： 蘭州新區(qū)地下綜合管廊一期工程PPP項(xiàng)目，管廊總長(zhǎng)112.18 km，工程總投資53.82億元，是迄今國(guó)內(nèi)以PPP+EPC模式一次建設(shè)里程最長(zhǎng)、投資最大的地下綜合管廊項(xiàng)目；西安市地下綜合管廊工程Ⅱ標(biāo)段PPP項(xiàng)目，管廊總長(zhǎng)256.23 km，工程總投資76億元，是目前國(guó)內(nèi)最大的城市地下綜合管廊項(xiàng)目。

繼2015年被住建部及業(yè)內(nèi)評(píng)價(jià)為綜合管廊建設(shè)“總里程第一”、“單項(xiàng)里程第一”后，截至2016年上半年，中冶管廊項(xiàng)目已遍布全國(guó)26個(gè)省、市、自治區(qū)，服務(wù)10個(gè)國(guó)家綜合管廊試點(diǎn)城市。

在國(guó)家政策的指引下，綜合管廊的建設(shè)正以前所未有的速度推進(jìn)，中冶管廊研究院將繼續(xù)引領(lǐng)國(guó)內(nèi)城市地下綜合管廊行業(yè)發(fā)展，不斷創(chuàng)新開(kāi)發(fā)、建設(shè)新模式，努力將綠色城市、海綿城市、智慧城市的發(fā)展理念融于中冶管廊的開(kāi)發(fā)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理中，助力國(guó)家綜合管廊建設(shè)。

Optimization of Layout of Disc Cutter of Composite Shield Based on Multipurpose Genetic Algorithm

GUO Jingbo, WANG Xudong, ZHENG Likun, LI Jie
(SchoolofMechanicalEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

The optimization of layout of disc cutter is the key to design and stability of cutterhead of composite shield tunneling. A mathematical optimization madel with polar radius and polar angle as design variables and layout principle of disc cutter as constraint is built by analyzing the force on disc cutter. And then the multipurpose functions are optimized by non-dominated sorting genetic algorithm calculated by multipurpose Pareto solution, and the optimum scheme is selected. Finally, the optimum scheme is applied to the cutterhead of a composite shield used in a Metro line in Guangzhou. The results show that the radial unbalanced force is reduced by 21.3%; the upsetting moment is reduced by 17.8% and the variance of rock penetration rate is reduced by 15% after adopting the optimized scheme. It is shown that the model and the calculation method are feasible and effective.

composite shield; cutterhead; cutter layout; multipurpose genetic algorithm; scheme optimization

2016-06-14;

2016-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51275321)

郭京波(1966—)，男，河北趙縣人，2006年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)，博士，教授，現(xiàn)從事大型機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。E-mail: guojingbo66@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)04-0517-05