盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望

【摘要】對于隧道開挖等地下工程來說，盾構(gòu)機是最常用的機械設(shè)備，在隧道開挖掘進中發(fā)揮重要作用。對地下工程施工有著極高的安全性要求，因為地質(zhì)環(huán)境、施工工況等很多不確定因素的影響，使得地下施工存在很多無法預(yù)知的危險性。為了保證施工安全，采用自動控制技術(shù)進行智能化盾構(gòu)機掘進施工勢在必行。本文著重對盾構(gòu)機自動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀加以介紹，并對盾構(gòu)機自動控制技術(shù)中存在的問題進行分析，對其未來的發(fā)展趨勢進行展望。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機；自動控制；現(xiàn)狀；展望

為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需要，減輕地面交通工程的壓力，我國的地下隧道、巷道等工程量不斷增加。盾構(gòu)機是地下工程施工中使用的一種重要機械，主要用于隧洞的開挖掘進，在地下工程的施工建設(shè)中發(fā)揮不可替代的重要作用。地下工程的施工存在著多種不確定的安全威脅因素，如地質(zhì)環(huán)境、施工工況等，為了減少地下施工的安全事故發(fā)生，盾構(gòu)機的發(fā)展朝著自動控制的智能化技術(shù)方向發(fā)展?，F(xiàn)今的盾構(gòu)機已經(jīng)是集機電技術(shù)、液壓技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體的綜合性智能化機械設(shè)備，不僅能夠?qū)ν馏w進行開挖、切削、輸送支護，而且具有測量導(dǎo)向和糾偏等多種功能。近年來我國大力發(fā)展盾構(gòu)技術(shù)，使得盾構(gòu)機掘進的自動化程度逐漸提高，但是綜合來看我國的盾構(gòu)機自動控制技術(shù)仍然不夠成熟，自動控制還處于人工操作的階段，施工安全問題仍然不能掉以輕心。盾構(gòu)機要達(dá)到高質(zhì)量、高效率、高安全性的施工，完善實現(xiàn)機器的自動化操作是盾構(gòu)機發(fā)展的方向。

1、盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)的自動控制

盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)多采用智能的控制方法，20世紀(jì)90年代由倉岡豐采用模糊控制理論來控制盾構(gòu)土壓平衡，但是卻無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LI等在此基礎(chǔ)上設(shè)計了在非線性掘進控制系統(tǒng)中使用模糊免疫自調(diào)整PID控制器，提高了土壓的穩(wěn)定性。隨著不斷的研究和改進，胡珉等采用遺傳算法對盾構(gòu)機的施工參數(shù)進行了優(yōu)化，制定了優(yōu)化的控制方案。隨著施虎等人對于盾構(gòu)機排土的控制分析，對螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速加以控制，促進了盾構(gòu)機的土壓平衡。隨著智能化專家控制系統(tǒng)的不斷更新，盾構(gòu)機自動控制系統(tǒng)中引入了自動識別和驅(qū)動公路效率的技術(shù)，對盾構(gòu)機的運行和土體掘進時的壓力分布情況的研究，一種盾構(gòu)機推進系統(tǒng)的自動控制方式產(chǎn)生。根據(jù)壓力控制的數(shù)學(xué)模型，和偏差修正等控制策略，使盾構(gòu)機的壓力控制和液壓缸的自動控制得以實現(xiàn)。另外胡國良等對排空控制的研究，提出了將PID控制技術(shù)在排土控制中使用，實現(xiàn)了螺旋輸送機排土的自動控制。

1.2位姿控制

盾構(gòu)機的位姿主要通過對推進系統(tǒng)的液壓缸進行控制來實現(xiàn)的。自20世紀(jì)80年代 SAKAI等將卡爾曼濾波理論在盾構(gòu)機的位姿控制方面應(yīng)用并且建立了控制模型后，國內(nèi)外的專家和研究人員開始了對盾構(gòu)機位姿控制的研究。李惠平等根據(jù)盾構(gòu)機控制的特點對模糊控制器的設(shè)計提出了“先分后合”方法，更便于調(diào)節(jié)控制器的性能。之后我國的研究人員在此基礎(chǔ)上進行完善，將LabVIEW在盾構(gòu)機位姿控制器的設(shè)計中加以應(yīng)用，又通過模糊控制器得出千斤頂糾偏控制量，逐漸實現(xiàn)了盾構(gòu)機位姿的自動控制。為了使系統(tǒng)具有更好的通用性，能夠在不同的地質(zhì)條件下穩(wěn)定運行，MITSUTAKA提出了盾構(gòu)機推進過程中動態(tài)載荷的理論模型，該模型對盾構(gòu)姿態(tài)影響的各個參數(shù)所具有的敏感性進行分析，為提高位姿自動控制的精確度發(fā)揮了重要作用。

1.3管片的自動拼裝

手工管片拼裝存在很多弊端，實現(xiàn)管片的自動拼裝十分必要。20世紀(jì)80年代，日本最先使用了管片自動拼裝的設(shè)備，各國開始了管片自動拼裝的研究。國際隧道協(xié)會針對隧道管片的拼裝制定了設(shè)計準(zhǔn)則。趙志杰等對通用管片進行研究，配合盾構(gòu)設(shè)計軸向的特點，通過多環(huán)組合的方法對管片的拼裝點位進行選取，并對切向糾偏路線進行制定，開發(fā)出虛擬的管片拼裝系統(tǒng)。在日歐等過，已經(jīng)實現(xiàn)了管片的全自動拼裝，利用機器人動態(tài)模型，實現(xiàn)了管片支護和拼裝的全自動控制。

2、盾構(gòu)機自動控制技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢

2.1需建立密封艙壓力動態(tài)平衡為目標(biāo)的控制模型

密封艙的壓力失衡會導(dǎo)致隧洞開挖中發(fā)生地面沉降，這是隧洞盾構(gòu)集中的重點和難點所在。國內(nèi)外的專家和學(xué)者對密封艙的壓力平衡加大了重視力度和研究投入。但是因為對密封艙壓力動態(tài)平衡控制還缺乏細(xì)致深入的人身，對其的研究和設(shè)計也只能以不斷的試驗為途徑，目前還沒有建立起精確的密封艙壓力動態(tài)平衡的控制模型，此方面的控制技術(shù)還有待于發(fā)展。在未來的研究工作中，要著重對此方面的機理進行研究分析，建立以密封艙壓力動態(tài)平衡為目標(biāo)的掘進系統(tǒng)的控制模型，對密封艙的壓力實現(xiàn)自動化控制，從而提高地面沉降控制的精度。

2.2制定掘進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

盾構(gòu)機對土壓的控制通常是采用艙內(nèi)土壓力值預(yù)先設(shè)定的方法，在根據(jù)實際的施工情況和壓力變化對子系統(tǒng)的施工參數(shù)進行一一的調(diào)整。各個子系統(tǒng)間的工作模式的是具有一定的獨立性，而且是依靠人為的手工條件。為了對密封艙的壓力實現(xiàn)高度精確的控制，制定子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制策略十分必要。這就需要對子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系進行分析，對各項控制參數(shù)和密封艙壓力間的映射關(guān)系進行研究，制定掘進系統(tǒng)的系統(tǒng)控制機制策略。

2.3位姿與動態(tài)軌跡的控制

目前對于盾構(gòu)機的位姿和動態(tài)軌跡控制主要是通過操作者進行人工操作或者利用模糊控制策略進行自動化控制，多是憑著經(jīng)驗來進行控制理論的程序話制定。當(dāng)遇到陌生或者極其復(fù)雜的地質(zhì)情況，對盾構(gòu)機的位姿和動態(tài)軌跡就很難做到準(zhǔn)確的控制。因此，需要對影響盾構(gòu)機位姿的各種因素進行分析，建立控制模型，并對盾構(gòu)機在的運動軌跡進行動態(tài)規(guī)劃，實現(xiàn)位姿和動態(tài)軌跡的自動化控制。

2.4控制系統(tǒng)的集成

為了能夠?qū)Χ軜?gòu)機的各個子系統(tǒng)進行實時的信息監(jiān)測和控制，在建立盾構(gòu)機控制系統(tǒng)時要將機器的性能、功耗、成本等各個因素考慮進去。設(shè)計具有高掘進性能、低能量損耗、地質(zhì)適應(yīng)性強的集監(jiān)測、協(xié)調(diào)、控制于一體的集成化控制系統(tǒng)，這是盾構(gòu)機發(fā)展的大勢所趨。

3、結(jié)語

盾構(gòu)機要實現(xiàn)高效、安全、精準(zhǔn)的施工，走全自動化控制的發(fā)展道路勢在必行。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展和盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，盾構(gòu)機自動化控制也必將不斷的發(fā)展和進步。我國要實現(xiàn)盾構(gòu)機的全自動化控制，還面臨許多難題和調(diào)整，這需要廣大專家和研究人員的共同努力，在實際的工作中不斷的探索和研究，克服技術(shù)難題，讓盾構(gòu)機在我國的地下工程中更好的發(fā)揮作用。

參考文獻

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