盾構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望

張軍榮/ZHANG Jun-rong

（中鐵三局橋隧工程有限公司，四川 成都 610000）

為了滿足公共交通的基本需求，緩解地面交通的擁堵，我國正在大力開發(fā)和建設(shè)地下隧道工程。盾構(gòu)是集信息、機(jī)電、自動(dòng)控制和液壓技術(shù)于一體的新型智能機(jī)器設(shè)備，不僅可以完成地層切削，對隧道中心導(dǎo)線方向也可以指導(dǎo)和糾正偏差。近年來，我國正大力發(fā)展盾構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)，但盾構(gòu)自動(dòng)化控制施工或人員操作還需進(jìn)一步加強(qiáng)，多項(xiàng)技術(shù)有待改進(jìn)優(yōu)化。

目前全國地鐵施工一片火爆，地鐵施工安全卡控嚴(yán)，進(jìn)度要求快，質(zhì)量要求高，成本壓縮已是一種趨勢，所以對設(shè)備要求越來越高，提高設(shè)備自動(dòng)化，減少人力資源，提高施工質(zhì)量和工作效率勢在必行。

1 盾構(gòu)的發(fā)展概述

盾構(gòu)類型多樣化，按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要可分為四大類：手掘式盾構(gòu)、擠壓式盾構(gòu)、半機(jī)械式盾構(gòu)和機(jī)械式盾構(gòu)。盾構(gòu)的技術(shù)發(fā)展非常的迅速，可以總結(jié)出幾個(gè)特點(diǎn)：①盾構(gòu)掘進(jìn)距離長，斷面直徑大，適用地層廣，如硬巖、礫石、軟土等；②盾構(gòu)的斷面的多樣性，無論是矩形、馬蹄鐵、橢圓形等都有相應(yīng)的斷面盾構(gòu)。在切割模式下，有搖動(dòng)、擺動(dòng)等方式選擇；③盾構(gòu)的技術(shù)含量越來越高，各種PLC集成控制、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、激光導(dǎo)向技術(shù)、視頻技術(shù)已應(yīng)用于盾構(gòu)；④盾構(gòu)開挖、排渣、分段裝配逐漸應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)，盾構(gòu)掘進(jìn)方向、姿態(tài)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和故障排除，自動(dòng)化控制技術(shù)越來越完善。

2 盾構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，不斷改進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展出相對比較成熟的泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，從當(dāng)初的只能掘進(jìn)單一的地質(zhì)條件，到現(xiàn)在全國各種地層，如砂卵石地層，硬巖地層，富水軟土及復(fù)合地層等。盾構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在工法和如施工工藝方面，如成都地鐵區(qū)間隧道地質(zhì)上軟下硬，施工初期出現(xiàn)地表沉降，刀具劇烈磨損現(xiàn)象，經(jīng)過多方學(xué)習(xí)討論，采用調(diào)線和沿區(qū)間注漿加固，后期隧道內(nèi)二次注漿等措施，圓滿完成業(yè)主的節(jié)點(diǎn)要求。新的工法層出不窮，而縱觀盾構(gòu)設(shè)備的發(fā)展就顯得滯后。盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備仍處于發(fā)展的初級階段，很多的技術(shù)問題尚未得到解決，不能應(yīng)用于各種復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和環(huán)境條件的復(fù)雜項(xiàng)目。

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

現(xiàn)在主流的壓力平衡盾構(gòu)分土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。目前盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)主要的壓力平衡方式還是通過觀察土壓傳感器的反饋回來土倉壓力值，采取相應(yīng)的措施使土倉壓力穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速以控制出土量，匹配掘進(jìn)速度，在輔以其他措施（如加水加泡沫等），盡量讓土倉進(jìn)土量等于出土量，使土倉壓力在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，保持開挖面穩(wěn)定，防止地表沉降，減小地層擾動(dòng)。泥水平衡盾構(gòu)則通過及時(shí)補(bǔ)充土倉泥漿或者加大泥漿泵流量，調(diào)節(jié)推進(jìn)速度，在輔以其他措施（如加減泡沫流量），保持土倉壓力穩(wěn)定。但是這個(gè)壓力波動(dòng)的值取決于操作手的水平，這樣的控制方式比較粗獷。

盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的另一個(gè)壓力平衡采用空氣壓力平衡系統(tǒng)?？諝鈮毫ζ胶庀到y(tǒng)把開挖和排碴等能引起土壓變化的因素作為擾動(dòng)因素，控制方式是負(fù)反饋閉環(huán)控制，可以有效地解決多個(gè)擾動(dòng)的影響，使土壓力保持平衡。空氣壓力平衡系統(tǒng)是德國SAMSON公司設(shè)計(jì)制造的一種全氣動(dòng)的壓力調(diào)節(jié)裝置，安裝在前倉壁上的壓力變送器隨時(shí)檢測實(shí)際土壓值，壓力調(diào)節(jié)閥比較測得值與設(shè)定值，然后控制進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)氣墊倉的壓力使之保持恒定。這套系統(tǒng)也有弊端，精度高，使用條件苛刻，故障率高，維修成本昂貴，在盾構(gòu)施工中不能滿足經(jīng)濟(jì)性要求，只有在泥水平衡盾構(gòu)和帶壓換刀時(shí)使用比較多。

不管是泥水平衡盾構(gòu)還是土壓平衡盾構(gòu)，渣土改良技術(shù)都作為掘進(jìn)過程中一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。由于地層的復(fù)雜性，目前所有的盾構(gòu)的渣土改良效果都是通過人工判斷，然后調(diào)整改良材料的注入量。這一過程的難點(diǎn)在于地層復(fù)雜多變，改良措施相對單一。

2.2 位姿控制

盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測是通過自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助。自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠適時(shí)顯示盾構(gòu)當(dāng)前位置與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差以及趨勢。操作手通過調(diào)整推進(jìn)油缸的推力控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)。

控制方式簡單但是在實(shí)際操作需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況考慮諸多因素，如下一環(huán)拼裝點(diǎn)位，盾尾間隙，鉸接行程差。目前自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)已能根據(jù)現(xiàn)在掘進(jìn)信息，模擬隧道的管片拼裝情況，操作手可以把擬合情況作拼裝點(diǎn)位選擇的一個(gè)參考。設(shè)備主要還是以人工搬站復(fù)測，每臺設(shè)備配備足夠的測量人員，定期到設(shè)備搬站，這一過程時(shí)間長短由測量人員水平?jīng)Q定。每環(huán)測量管片姿態(tài)校核隧道走向，檢查掘進(jìn)線路是否和隧道設(shè)計(jì)線路一致。

2.3 其他系統(tǒng)的自動(dòng)控制

同步注漿系統(tǒng)是隨著盾構(gòu)掘進(jìn)使用砂漿填充盾尾和管片之間的間隙，是防止地表沉降的有效措施。同步注漿系統(tǒng)在自動(dòng)控制模式時(shí)，當(dāng)注漿壓力小于預(yù)先設(shè)置的起始壓力值時(shí)，注漿泵按照事先設(shè)定的注漿速度進(jìn)行注漿，直到該路注漿壓力達(dá)到設(shè)定的最大壓力，停止此路注漿。隨著盾構(gòu)向前推進(jìn)，此路注漿壓力值將減小，當(dāng)減小到小于設(shè)定的起始壓力，此路注漿泵再次啟動(dòng)。

盾尾油脂系統(tǒng)是防止?jié){液和地下水從管片和盾尾間隙漏進(jìn)盾體內(nèi)部的主要措施。盾構(gòu)按照“參數(shù)設(shè)置”界面“盾尾密封系統(tǒng)”的“注脂次數(shù)”和“等待時(shí)間”從“前部上右”到“后部上左”循環(huán)注入；行程控制模式下將按照“參數(shù)設(shè)置”界面“盾尾密封系統(tǒng)”的“行程距離”，每到一個(gè)行程距離，循環(huán)注脂一次。壓力控制模式下將按照“參數(shù)設(shè)置”界面“盾尾密封系統(tǒng)”的“最大壓力”，循環(huán)注脂，直到達(dá)到設(shè)定的壓力。

主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)和迷宮密封系統(tǒng)主要確證設(shè)備正常使用的安全措施，采用了自動(dòng)潤滑系統(tǒng)。渣土改良系統(tǒng)也加入了自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前縱多自動(dòng)控制系統(tǒng)多以自動(dòng)控制模式為主，缺乏靈活應(yīng)用，自我反饋滯后。正常掘進(jìn)的時(shí)候都是自動(dòng)控制輔以人工調(diào)節(jié)參數(shù)。

3 盾構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)展望

3.1 控制模型創(chuàng)建

地面沉降現(xiàn)象能反映盾構(gòu)技術(shù)的實(shí)際水平，地表沉降的主要是由于土倉壓力失穩(wěn)。隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)大量收集，可以通過以往數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，對各個(gè)地質(zhì)條件選出最佳的掘進(jìn)參數(shù)和最好的渣土改良方法，尋找其中的規(guī)律。建立刀盤、推進(jìn)和排渣等系統(tǒng)的模型，設(shè)定匹配數(shù)據(jù)，使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)土倉壓力的自動(dòng)控制，并確保地面保持在精度要求，推進(jìn)速度自動(dòng)控制模型。

3.2 掘進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

目前土倉土壓通常是經(jīng)過計(jì)算得出一個(gè)預(yù)設(shè)的壓力值，在試掘進(jìn)中根據(jù)施工中的地表沉降、土倉的壓力等得出一個(gè)最佳值，在施工還根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)和測量結(jié)果靈活變化。各子系統(tǒng)的工作是完全獨(dú)立的，大部分參數(shù)協(xié)調(diào)都是人工調(diào)整的，這樣的很考驗(yàn)操作手的水平。地鐵施工都做了地勘詳勘，可以事先錄入地質(zhì)水文信息，線路走向內(nèi)容。根據(jù)地勘信息可以對渣土改良系統(tǒng)的需求量和地層的滲透系數(shù)有相應(yīng)理解，始發(fā)時(shí)設(shè)置好各種預(yù)備值，刀盤轉(zhuǎn)速扭矩，選擇最優(yōu)的推力和推進(jìn)速度，智能化識別渣土改良效果，根據(jù)識別結(jié)果，合理調(diào)整改良措施。以推進(jìn)速度和土倉添加物，以及地下水文情況，自動(dòng)控制螺旋轉(zhuǎn)速，做到以出土量為主要控制，輔以土倉壓力控制措施，保證土倉壓力穩(wěn)定，各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制以達(dá)到一個(gè)良性循環(huán)。

3.3 位姿控制和運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃

目前的盾形姿態(tài)控制是操作手以自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)做出的邏輯推理過程，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模擬，在完全智能控制中，采用相關(guān)的模糊控制方法或直接手工操作。然而在該地質(zhì)情況缺乏記錄的情況下，一旦遇到?jīng)]有記錄的復(fù)雜的地質(zhì)條件，無法給出準(zhǔn)確的預(yù)測。需要對具體的影響因素進(jìn)行了分析（如鉸接行程差，盾尾間隙），逐項(xiàng)創(chuàng)建控制模型，在其搜索最優(yōu)姿態(tài)控制律的前提下，分析多目標(biāo)優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的目標(biāo)，逐步調(diào)節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)，這也是盾構(gòu)姿態(tài)和軌跡跟蹤過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵。若要實(shí)現(xiàn)姿態(tài)自動(dòng)化控制，則要先分析相關(guān)影響因素，再建立專業(yè)的控制模型，先完成局部可控，再進(jìn)行優(yōu)化尋求最優(yōu)良的位姿控制規(guī)律。另外，在研究盾構(gòu)掘進(jìn)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)該使用多目標(biāo)優(yōu)化算法，這樣既可以掌握運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)律，還可以構(gòu)建軌跡自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。利用現(xiàn)在先進(jìn)控制技術(shù)使設(shè)備按照規(guī)劃曲線掘進(jìn)。更需要簡單方便的測量儀器來簡化測量方式，減少人工搬站帶來的誤差，提高搬站效率。

3.4 系統(tǒng)集成和優(yōu)化

目前，盾構(gòu)設(shè)備依然是高耗能，低效率，控制系統(tǒng)的技術(shù)還不完善，需要對盾構(gòu)的控制系統(tǒng)進(jìn)行集成化研究，增加各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作。為了研發(fā)可以適應(yīng)不同地質(zhì)條件的盾構(gòu)，還需要加強(qiáng)開發(fā)集控制與檢測一體化的控制系統(tǒng)，這是未來盾構(gòu)的發(fā)展方向。其次，為確保對盾構(gòu)的各系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息監(jiān)測和控制，并且在建立盾構(gòu)控制系統(tǒng)時(shí)要將機(jī)器的性能、功耗、成本等各個(gè)因素考慮進(jìn)去，設(shè)計(jì)出具有地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，掘進(jìn)速度快，低能量損耗的集監(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)發(fā)展的大勢所趨。

4 結(jié) 語

從盾構(gòu)的發(fā)展過程可以看出設(shè)備自動(dòng)化程度直接影響著設(shè)備的工作效率和人力資源的耗費(fèi)。從當(dāng)初人工為主的手掘式盾構(gòu)一月幾十米到現(xiàn)在的機(jī)械式盾構(gòu)一天幾十米，從單一無水地層到現(xiàn)在復(fù)合地層，工作效率幾十倍增長，應(yīng)對各種復(fù)雜地層，安全性提高，人力資源使用還有所減少，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。為了保證盾構(gòu)施工設(shè)備在實(shí)際施工過程中能夠更加安全、高效地運(yùn)行，盾構(gòu)施工設(shè)備在施工過程中需要采用自動(dòng)控制的方法。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，盾構(gòu)技術(shù)也取得了盾構(gòu)控制系統(tǒng)的發(fā)展、自動(dòng)化水平，無論是理論研究還是實(shí)際研究，都取得了良好的效果。然而，面對較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制仍存在許多問題。因此，在提高盾構(gòu)自動(dòng)化水平和控制精度的過程中，應(yīng)遵循高效、安全、節(jié)能的原則，采用系統(tǒng)集成策略，以保證盾構(gòu)控制系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平的不斷提高。