盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望

摘要：盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工過程的全自動(dòng)化是可以讓盾構(gòu)機(jī)更加安全和高效的進(jìn)行施工，現(xiàn)今的盾構(gòu)機(jī)在自動(dòng)化的程度上已經(jīng)有了很大的提高，特別是掘進(jìn)系統(tǒng)和位姿控制上，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的導(dǎo)向自動(dòng)糾偏以及所以子系統(tǒng)的全面協(xié)調(diào)還需要更深的研究。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；土壓平衡；掘進(jìn)系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制

現(xiàn)代高新技術(shù)的應(yīng)用使得盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地面沉降控制、推進(jìn)速度控制、測(cè)控導(dǎo)向和自動(dòng)襯砌等變得越來(lái)越容易，自動(dòng)化程度大大提高，但多數(shù)施工控制仍需人工操作。所以，本文為使盾構(gòu)機(jī)高精、高效，安全施工，實(shí)現(xiàn)整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)裝備高度的自動(dòng)化、智能化，最終實(shí)現(xiàn)完成了機(jī)器數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的開發(fā)，以三維動(dòng)畫的形式實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)位姿的實(shí)時(shí)顯示等。在該模塊的各個(gè)子模塊中，根據(jù)功能需求和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用了多樣化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方法，以期形象地展示信息。

一、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的概念

盾構(gòu)機(jī)主要由盾體、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、尾部密封系統(tǒng)的組合而成。盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)是指利用盾構(gòu)機(jī)這種機(jī)械挖取地下隧道。盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的施工現(xiàn)狀是：盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)幾乎不受地形、氣候等因素的影響，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下工作，這是因?yàn)橛卸軜?gòu)機(jī)的支護(hù)，這對(duì)于繁華的大城市而言是非常實(shí)用的，這樣就能夠盡量不用破壞原有設(shè)施。對(duì)于那些施工環(huán)境復(fù)雜，交通不便的陸地城市，中間不跨越大型水域，并且隧道較長(zhǎng)的地方也適用。機(jī)械、電氣化快速發(fā)展，使得盾構(gòu)機(jī)械在施工過程中自動(dòng)化、智能化，使得施工時(shí)間縮減，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)械自動(dòng)化、智能化使得盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘長(zhǎng)距離、大直徑的的隧道時(shí)有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，還有就是地面的人文景觀能夠得到保護(hù)，對(duì)其周圍的環(huán)境影響很小。

二、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)前景

建立以密封艙中壓力動(dòng)態(tài)的平衡為目標(biāo)的控制模型，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生地面沉降，這主要使因?yàn)槊芊馀搩?nèi)壓力失去平衡，又與缺乏對(duì)密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡的控制手段，所以還沒有形成這方面的實(shí)用性控制模型，未來(lái)要以密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)，建立控制模型，采用先進(jìn)的控制技術(shù)，對(duì)密封艙壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，避免出現(xiàn)地面沉降。掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，現(xiàn)有的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要是在施工的過程中，根據(jù)地面的沉降、密封艙壓力變化等對(duì)刀盤、排渣等進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)整，在這種情況下所有的子系統(tǒng)都是手工調(diào)節(jié)，獨(dú)立工作的。這種調(diào)整方式比較落后，為了能夠讓掘進(jìn)系統(tǒng)中眾多的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制，就要研究各控制參數(shù)與密封艙壓力之間的關(guān)系和各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)整個(gè)掘進(jìn)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。運(yùn)動(dòng)軌跡的位姿變化和動(dòng)態(tài)規(guī)劃，現(xiàn)有的盾構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡在沒有詳細(xì)施工記錄的情況下，在復(fù)雜的地質(zhì)情況中很難預(yù)測(cè)控制盾構(gòu)系統(tǒng)的位姿，盾構(gòu)機(jī)在位姿控制上沒有完成的約束系統(tǒng)對(duì)位姿進(jìn)行控制，所以未來(lái)要分析影響盾構(gòu)機(jī)位姿的因素，建立完整的控制模型，實(shí)現(xiàn)位姿自動(dòng)控制的可能。集成和優(yōu)化控制系統(tǒng)，盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)要將刀盤、推進(jìn)、排渣、管片拼裝等子系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，提高其節(jié)能性。

三、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀

（一）掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

盾構(gòu)機(jī)的整個(gè)掘進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)、刀盤、排渣等子系統(tǒng)構(gòu)成。科學(xué)家集合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的參數(shù)和施工要素分析了盾構(gòu)機(jī)壓力倉(cāng)內(nèi)的壓力分布狀況。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)系統(tǒng)中的自動(dòng)控制提高了土壓的穩(wěn)定性能，控制了整個(gè)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，使盾構(gòu)機(jī)在土壓內(nèi)達(dá)到平衡，根據(jù)建立的壓力模型，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)壓力和液壓缸的自動(dòng)控制平衡，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)壓力和液壓缸的自動(dòng)控制，推進(jìn)了系統(tǒng)自動(dòng)控制方式的產(chǎn)生。并且學(xué)者們研究了排空控制，提出了PID在排空中的使用。在螺旋輸送機(jī)的排土上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。

（二）位姿控制

位姿控制是指控制液壓缸在推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。專家提出了分而后和的方法針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在模糊控制器上的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行控制，使人們可以更方便的調(diào)節(jié)控制器的性能。將盾構(gòu)機(jī)位姿控制技術(shù)應(yīng)用在盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中。千斤頂?shù)募m偏控制量通過模糊控制器得出，使整個(gè)系統(tǒng)能夠在不同的地質(zhì)中都能夠更加平穩(wěn)的運(yùn)行。通過建立盾構(gòu)機(jī)在具有荷載的推進(jìn)過程中模型，對(duì)于位姿控制中的各種參數(shù)進(jìn)行了分析，使自動(dòng)控制技術(shù)精確的在位姿控制中發(fā)揮。

（三）盾構(gòu)機(jī)管片的自動(dòng)安裝

如果盾構(gòu)機(jī)的管片使用手工安裝的話，會(huì)存在很多的問題，所以在上個(gè)世紀(jì)八十年代，日本首先就盾構(gòu)機(jī)管片的自動(dòng)安裝進(jìn)行了研究，國(guó)際上在針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在隧道中管片的自動(dòng)安裝也設(shè)計(jì)了一套切實(shí)可行的準(zhǔn)則。我國(guó)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)管片自動(dòng)安裝的研究配合了盾構(gòu)機(jī)在軸向設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)，選取了每個(gè)點(diǎn)位上管片安裝的參數(shù)，研究出了虛擬的管片自動(dòng)安裝模型，并且糾正了切向路線上的偏離。在國(guó)外的某些國(guó)家，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管片的自動(dòng)安裝的控制，利用機(jī)器動(dòng)態(tài)模型，全自動(dòng)的控制了管片的拼裝和支護(hù)。國(guó)外某學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)中的管片拼裝，提出了目標(biāo)導(dǎo)向控制系統(tǒng)，就是預(yù)先設(shè)定出管片拼裝的目標(biāo)坐標(biāo)，然后根據(jù)液壓執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器人的混合動(dòng)力控制進(jìn)行計(jì)算，得出的最終結(jié)果是具有可行性的。

四、結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)際先進(jìn)盾構(gòu)采用了類似機(jī)器人的技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信遙控技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測(cè)技術(shù)、激光導(dǎo)向技術(shù)、超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)等，盾構(gòu)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，保證了城市地下隧道施工的效率和安全性。中國(guó)作為世界最大的隧道及地下工程施工市場(chǎng)，市場(chǎng)潛力正在迅速釋放。盾構(gòu)的施工質(zhì)量與盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制情況和周圍環(huán)境有著密切的關(guān)系。倘若盾構(gòu)姿態(tài)控制得好，地下沉降和隆起就會(huì)?。惶热艨刂频貌缓?，地表變形就會(huì)較大。如何采用高速、先進(jìn)的隧道施工技術(shù)，是擺在工程技術(shù)人員面前的一道重要課題。

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