盾構機自動控制技術現狀與展望

鞠 瑩

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在目前社會經濟穩(wěn)步發(fā)展的環(huán)境下，人口數量進一步增加，管理工作者為實現降低地面交通工程施工帶來的影響，會選擇通過開展隧道施工建設的工程開展工作。盾構機是地下工程中最關鍵的設備，可以確保工程實現順利開展的要求，但在地下工程施工中，會因多種潛在危險因素的影響而引發(fā)安全問題，如果不對其進行科學處理，也將帶來一系列危險事故。為此，當前發(fā)展的盾構機自動控制技術必須要具有較強的智能化特點和優(yōu)勢。該技術不但要有效運用到開挖土體的工作中，還要科學糾正相應的誤差，以此確保更多施工人員有效運用該技術。目前，該技術雖然展示出蓬勃發(fā)展的趨勢和前景，但實際工作中還存在一定問題和不足之處，對此應加大該技術的改良能力，以此保障工程有較強安全性和較高效率等。

1 盾構機現狀分析

盾構技術的出現已經有200 年歷史，20 世紀早期，該技術逐漸在歐美、日本等國家的推廣下得到進一步發(fā)展。近幾十年來，該技術獲得更有效發(fā)展，而且也有較大成效，尤其是在日本，盾構機得到有效推廣和發(fā)展。盾構技術設備也通過手掘、擠壓、半機械以及全機械等形式在不斷發(fā)展，其設備機械化效果也在進一步提升。針對一些復雜的地層也有較高適應性，對整體工作效率和質量的提升有極大幫助[1]。分析盾構機自身性能特點，其優(yōu)勢主要表現在以下幾點。

首先，能夠滿足所有工藝自動化控制以及機械化施工。以此為基礎，也能提供檢測、糾偏以及自動化的故障診斷等效果。

其次，針對一些復雜地層，有較強的適應性能力，能夠在硬巖、軟土等不同條件下開展施工。能夠滿足長距離、大直徑隧道的施工，而且斷面的種類和形狀等也能形成多樣化施工體系，其尺寸也能得到更好拓展。

再次，盾構機向微小和超大兩方向不斷發(fā)展，其徑向尺寸為0.2～18 m，相繼形成了圓形、矩形以及雙圓和三圓等盾構。

最后，在科技水平快速提升的環(huán)境下，一般都會運用液壓驅動和電液比例控制形式等相關現代化技術，具有能耗低、大功率等優(yōu)勢。另外，GPS 測量以及激光雷達導向等技術也在該工作中得到科學有效運用。

我國盾構技術研究起步時間相對較晚，20 世紀90 年代才得到有效提升。我國也通過自主研發(fā)研制出一些盾構機。以擠壓、氣壓等形式為主，注重開展土壓平衡、泥水加壓等內容研究。針對當前實際情況進行分析，我國很多企業(yè)都明確認識盾構研究非常重要，而且付諸于實踐。通過研制多種新型盾構機來滿足各項要求。但國產盾構機只能適用在環(huán)境要求不高的環(huán)境下，難以滿足復雜地質的施工條件。而且控制系統(tǒng)也呈現落后趨勢，控制技術水平偏低，對國內盾構技術長遠發(fā)展帶來較大影響。對此，我國盾構技術在研究上應加強突破力度，注重滿足更多不同條件和要求，增強設計與研制盾構的實力，為我國研制出更為完善且高效的盾構機設備。

2 盾構機自動控制技術現狀

2.1 掘進系統(tǒng)自動控制體系

盾構機掘進系統(tǒng)具備較強的智能化控制手段，但從實際角度來講，該系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提升。人們通過研制，運用模糊免疫自調整PID 控制器的形式，能夠提升其土壓穩(wěn)定性。當前科學技術不斷發(fā)展，機械施工的參數可以借助遺傳算法進行優(yōu)化，機器運轉速度將會得到有效控制，其土壓能夠實現平衡。而且，以自動識別技術等，在盾構機運行以及土體掘進時，其壓力情況能夠得到改善。結合壓力控制具體的模型，使得整體策略能夠得到更好優(yōu)化。針對排土控制的應用趨勢也很廣泛，其排土控制流程能夠得到進一步完善。掘進系統(tǒng)屬于盾構機控制技術的關鍵環(huán)節(jié)，應針對施工中各參數，改變控制流程，建立良好控制技術，使得其施工效率也能得到優(yōu)化，更能確保地下工程有效開展，進一步提升工程質量。

模型創(chuàng)建中，其盾構機掘進系統(tǒng)是以多個子系統(tǒng)建立的，主要以刀盤、推進、排渣等為主。掘進控制在研究工作早期是結合試驗、模型的創(chuàng)建為主要內容。在掘進系統(tǒng)模型創(chuàng)建中可以運用多種形式，例如，以BP 算法網絡構建開挖面土壓平衡的控制模型，可是在實際建模時，未能實現充分考慮地質條件的情況。只有在分析地質條件、工程地點等因素情況下，借助人工神經網絡來創(chuàng)建盾構機，能夠有效促進速度自動控制模型的建立。針對適應神經模糊理論應力，將排土控制視為基礎控制模型，公式為Pe=f（F，v，ns）。其中，Pe是盾構土倉壓力；F 是盾構機能夠提供的推力；v 是盾構機速度；ns是螺旋輸送機實際轉速。

系統(tǒng)控制的主要對策，也就是在盾構掘進系統(tǒng)的控制中，一般以智能控制方式開展工作。相關學者借助模糊免疫控制對策，有效制定出全新可自動調節(jié)控制器，對非線性系統(tǒng)應用以試驗得知，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)特性也較為良好。對于模糊控制，難以結合專家經驗實現復雜過程中運用數據的調整[2]。另外，也有相關學者通過BP 神經網路的創(chuàng)建形式，以開挖面平衡控制策略開始工作，其尋優(yōu)函數能夠形成最佳的速度建議，大程度能實現推力和轉速自動化的控制效果，保障開挖面滿足平衡要求。

2.2 對位姿進行有效控制

有效的促進系統(tǒng)中液壓缸實現控制盾構機位姿，其控制器性能能夠得到有效掌控，這樣才能確保盾構機實現自動化控制。另外，其系統(tǒng)應具有一定通用性，針對不同地質條件，應得到有效運行。借助動態(tài)載荷理論模型，其盾構機所影響的所有參數都存在敏感性，控制時其精確度會得到有效保障。另外，不同的位姿系統(tǒng)作用效果也不同，參照不同質量參數，其地下工程施工中存在的地質不安全因素也不會受影響，各地勢條件都能有效開展工作。

2.3 實現管片的自動拼裝

針對以往手工拼裝工作中存在很多漏洞問題，自動拼裝誤差相對較少，自動拼裝具有的優(yōu)良技術優(yōu)勢，會結合盾構設計軸向特征，以多環(huán)組合形式來制定管片拼裝點，糾偏路線，研制出一個虛擬管片拼裝系統(tǒng)[3]。西方發(fā)達國家已實現自動拼裝的要求。以機器人動態(tài)模型的形式，實現拼裝流程間的無縫銜接，盾構機管片自動拼裝的系統(tǒng)流程包含科學技術因素，只有結合具體拼裝手段，才能實現控制整體流程。

3 盾構機自動控制技術未來展望

3.1 控制模型創(chuàng)建

地面出現沉降現象，關鍵因素在于盾構機密封艙的壓力失去平衡，夠反映盾構實際技術水平關鍵技術，很多學者加強研究力度。通過深入理解，當前尚未形成可靠控制模型，其實用性結果有待增多，其技術還需進一步提升。對此，后期應加強深入探究其控制機理對應關系，建立將密封艙壓力動態(tài)形成平衡為根本目標的相應模型，以各種控制形式為基礎，滿足對密封艙壓力開展自動化控制，保障地面沉降能夠控制在精度要求以內。

3.2 掘進系統(tǒng)的協(xié)調控制體系

目前，土壓控制一般是預先設定壓力值，并在具體施工中結合沉降、密封艙壓力等開展設施調節(jié)工作。對于子系統(tǒng)工作應確保其獨立性，大多以手工調節(jié)為主，另外，其調整方法呈現滯后式表現。為滿足高精度控制要求，其系統(tǒng)需要以多個不同的子系統(tǒng)協(xié)調形式開展控制工作，由此滿足最佳方式。針對子系統(tǒng)的運動實施控制工作，滿足控制變量的實時調整及優(yōu)化要求[4]。

3.3 對位姿進行控制以及運動軌跡開展動態(tài)規(guī)劃

當前盾構位姿控制形式主要以人的邏輯推理為關鍵依據，其專家操作經驗形成程序化體系。運用相關模糊控制方法來實現智能控制要求，也可以直接由人工進行操作。但在欠缺記錄信息的情況下，如果遇到復雜地質，將很難對其進行準確預測，而且也尚未形成實用成果。為此，應對當前的位姿具體影響因素開展全面分析和研究，通過形成控制模型，以此為前提找尋最佳姿態(tài)的控制規(guī)律。另外，對于多目標優(yōu)化算法也要開展分析工作，滿足動態(tài)規(guī)劃的目標，這樣能夠使得盾構位姿和軌跡追蹤滿足自動控制的目標。

3.4 系統(tǒng)集成及優(yōu)化

要更好滿足多個子系統(tǒng)實現信息檢測、控制，以及共享、通信等要求?？紤]到盾構自身特點，應在建設控制系統(tǒng)時，要將高性能、低成本以及低能耗視為主要目標。以此為基礎，應對多源驅動系統(tǒng)開展深入研究，建立以掘進性能、節(jié)能等為關鍵的約束條件，有效支持不同的地質條件，真正滿足控制系統(tǒng)要求，這也是盾構技術后續(xù)發(fā)展的主要方向。

4 結束語

要更好保障盾構機施工的安全性以及高效性，自動化控制系統(tǒng)逐漸成為盾構技術未來發(fā)展趨勢。針對當前科學技術快速發(fā)展的環(huán)境，盾構技術和其裝備都有較高自動化的水平和效果。尤其在位姿控制等工作上，其理論、實踐等都得到更好發(fā)展。因此，必須要制定高安全性、高效性以及強節(jié)能性的目標，并將其落實到盾構技術和裝備自動化控制系統(tǒng)的集成，以及優(yōu)化等工作中，從而為盾構機自動化控制技術的穩(wěn)步發(fā)展提供堅實保障。