盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望

蘭藝森

摘? ?要：針對隧道、地下綜合管廊等需要在地下進行施工的工程，盾構機已經(jīng)成為其施工過程中必不可少的機械設備之一。地下工程的施工屬危險性較大工程，需要確保較高的安全性，但因我國各地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，施工工況也較不穩(wěn)定，因此，在施工過程中往往面臨許多不確定因素。受此因素影響，地下施工工程往往面臨著很多難以提前預知的危險和困難。為提高施工的安全系數(shù)，必須逐漸在施工過程中引入自動控制技術，使盾構機的掘進工作更加智能和信息化。本文主要介紹了盾構機的自動控制技術現(xiàn)狀，并簡要地分析了自動控制技術實際使用過程中所存在的問題，并據(jù)此對其未來的發(fā)展進行了預期和展望。

關鍵詞：盾構機? 自動控制? 現(xiàn)狀? 展望

中圖分類號：U455.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）12（a）-0250-02

為了滿足日益增長的生活需求和經(jīng)濟發(fā)展需要，我國逐漸增加了地下隧道等工程的建設數(shù)量。盾構機是用于地鐵、隧道、涵洞挖掘的高端技術裝備，被公認是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平和能力高低的關鍵裝備，更是名副其實的“國之重器”，盾構法已是應用于城市軌道交通隧道建設中的首選。地下工程施工往往會受到諸多不確定因素的影響，如復雜的地質(zhì)環(huán)境和難以掌控的施工工況等。為了盡可能地降低地下工程的事故發(fā)生率，盾構機逐漸朝著自動化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)如今，盾構機已經(jīng)呈現(xiàn)出更加復雜多元的發(fā)展，集機電技術、液壓技術、信息技術、自動控制技術于一體，屬于多學科、多領域交叉的智能化綜合性設備，不僅能夠完成一些傳統(tǒng)的工作，如開挖、輸送等，而且還具備了測量、導向和糾偏等幾種新型功能。近年來，我國的盾構自動化技術得到了極大程度的發(fā)展，盾構機掘進的智能化水平也呈現(xiàn)出逐年上升的良好趨勢，但是，從綜合情況來看，我國盾構機的自動控制技術仍然處于起步階段，許多操作仍然依賴于人工控制，相較于西方發(fā)達國家的技術來說仍有很大的差距。要實現(xiàn)盾構機的高質(zhì)、高效施工，必不可少的條件就是要不斷完善設備的自動化。

1? 盾構機自動控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 掘進系統(tǒng)的自動控制

盾構機的掘進系統(tǒng)往往采用的都是智能控制的辦法，20世紀90年代以來，模糊控制理論在控制盾構土壓平衡方面得到了廣泛的應用，但是這一理論無法確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在此基礎上，在非線性掘進控制系統(tǒng)中引入了模糊免疫自調(diào)整PID控制器來保證土壓的穩(wěn)定。隨著研究的不斷深入，該技術得到了進一步的完善和改良，遺傳算法被用于優(yōu)化盾構機的施工參數(shù)，控制方案也更加完整和合理。隨著對盾構機排土的控制分析程度進一步加深，螺旋輸送機的轉速也得到了更好的控制，因此盾構機的土壓平衡也就會做的更加良好。各行業(yè)專家學者不斷加大對智能化控制系統(tǒng)的研究力度，使其得到了不斷的更新，盾構機的自動控制系統(tǒng)也與自動識別和驅(qū)動公路效率的技術進行了有機的融合，這促使了該技術的進一步發(fā)展完善[1]。

1.2 位姿控制

盾構機的位姿控制主要是推進系統(tǒng)液壓缸來完成的。1980年以來，卡爾曼濾波理論已經(jīng)建立了比較科學的控制模型，并在盾構機位姿的控制方面得到了一定的應用，國內(nèi)外與此有關的專家學者也展開了對于盾構機位姿控制的各項研究和實驗。根據(jù)盾構機控制的特點，模糊控制器的設計主要采取的是“先分后合”的方法，經(jīng)實驗證明該方法更有利于調(diào)節(jié)控制器的相關性能。后來，我國的研究人員又以此為基礎進行了進一步的完善，逐漸實現(xiàn)了自動化的盾構機位姿控制。為了使該系統(tǒng)的通用性更加良好，且能夠保證在不同的地質(zhì)條件下工作都不會受到其他因素的影響，動態(tài)載荷的理論模型又得到了廣泛的研究。這一模型能夠分析盾構姿態(tài)各個參數(shù)的敏感性，也就能夠提升位姿自動控制的精準程度。

1.3 管片的自動拼裝

由于傳統(tǒng)的手工拼裝方式存在許多的弊端，因此實現(xiàn)管片自動拼裝是勢在必行的。20世紀末，日本最早開始使用管片的自動拼裝設備，隨后世界各國都展開了對于管片自動拼裝技術的研發(fā)和實驗。國際隧道協(xié)會又制定了一套標準化的體系來管理隧道管片的拼裝流程。在日本、歐洲等地區(qū)管片幾乎已經(jīng)實現(xiàn)了全自動化拼裝，其主要是通過機器人動態(tài)模型來完成的[2]。通過全自動拼裝，不但降低了人工成本，提高了作業(yè)人員的安全保障，而且消除了人工拼裝的錯誤，從源頭上提高了管片拼裝質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2? 盾構機自動控制技術的現(xiàn)存問題和預期發(fā)展

2.1 建立平衡密封艙壓力動態(tài)的控制模型

密封艙內(nèi)的壓力失去平衡會使隧道開挖過程中產(chǎn)生地面沉降，這也正是盾構研究過程中所要面對的主要難點。專家學者也紛紛增加了對密封艙壓力平衡的重視，同時也對其進行了更深層次的研究和實驗。然而，由于密封艙的壓力動態(tài)平衡進行控制仍然需要更加細致深入的研究，這只能繼續(xù)不斷的進行試驗，這樣才能夠完善和優(yōu)化其設計。截至目前，國內(nèi)外均未建立起精確完善的密封艙壓力動態(tài)平衡控制模型，因此該控制技術還有更進一步的發(fā)展空間。在進行后續(xù)的研究工作中，需要對這一方面的原理進行更進一步的分析和研究，建立比較精密的控制模型，實現(xiàn)密封艙壓力控制的全自動化，從而使地面沉降的控制更加精準。

2.2 掘進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

盾構機控制土壓的方法通常是預先設定艙內(nèi)土壓力值，從而準確地調(diào)整子系統(tǒng)的施工參數(shù)來適應施工的實際情況。同時，各子系統(tǒng)之間的工作往往是具有獨立性的，彼此之間的相互聯(lián)系依靠人工操作。為了更精準地控制密封艙的壓力系統(tǒng)，就必須要制定一套科學合理的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。這就需要分析和研究子系統(tǒng)之間的耦合關系，深入地研究子系統(tǒng)的各項控制參數(shù)和整個密封艙壓力之間的映射關系，從而使掘進系統(tǒng)的控制機制更趨于合理化[3]。

2.3 位姿與動態(tài)軌跡的控制

目前來說，盾構機的位姿與動態(tài)軌跡控制的完成主要是依賴于人工操作，其次是利用模糊控制策略來實現(xiàn)其位姿與動態(tài)軌跡自動化控制。如果遇到比較罕見或者比較復雜的地質(zhì)條件時，就難以實現(xiàn)盾構機的位姿和動態(tài)軌跡的精準控制。因此，需要全面地分析能夠?qū)Χ軜嫏C位姿產(chǎn)生影響的各種綜合性因素，建立起一套比較精密的控制模型，并合理地規(guī)劃盾構機的運動動態(tài)軌跡，從而能夠使盾構機的位姿和動態(tài)軌跡控制實現(xiàn)智能化和自動化。

2.4 控制系統(tǒng)的集成

為了能夠?qū)崟r地監(jiān)控盾構機的各個子系統(tǒng)，及時地收集其在工作過程中產(chǎn)生的各類信息和數(shù)據(jù)，這就需要綜合地考慮盾構機的各項性能、實際功耗、工作成本等多個因素。盾構機未來的發(fā)展趨勢應該是擁有更高的掘進性能、更低的能量消耗、更強的地形地質(zhì)適應性，同時還要建立起一套集成化控制系統(tǒng)，能夠集監(jiān)控、協(xié)調(diào)于一體[1]。

3? 結語

想要做到盾構機的工作要更加高效、精準，同時保證施工過程中的安全性，就必須提升其智能化和自動化的水平。隨著自動化水平的不斷提升，盾構機結構也將日益完善和優(yōu)化，未來盾構將朝著更適應、更快速、更安全的智慧化無人掘進方向發(fā)展。我國在做到盾構機全自動化控制施工的過程中任重道遠，在此過程中可能需要面對諸多的難題，這就需要各界專家學者不斷的攻克各種技術難題，使盾構機的作用得到更好的發(fā)揮。在國內(nèi)龐大盾構應用市場的支撐下，盾構施工技術將越來越完善、越來越專業(yè)。在未來，中國必將是盾構應用最多、技術水平最高的國家。

參考文獻

[1] 劉宣宇，邵誠.盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望[J].機械工程學報，2010，46（20）：152-160.

[2] 鄧威.盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望[J].山東工業(yè)技術，2017（10）：14.

[3] 吳運斌.盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望[J].中國機械， 2013（13）：215-216.

[4] 王永新，任東.盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望[J].企業(yè)文化旬刊，2017（8）：262.