盾構(gòu)糾偏輸出控制策略快速自學(xué)習(xí)方法*

楊宏燕

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

0 引言

盾構(gòu)糾偏控制是以隧道設(shè)計軸線(DTA)為目標，結(jié)合盾構(gòu)糾偏設(shè)定值和盾構(gòu)姿態(tài)測量反饋值，通過調(diào)整盾構(gòu)掘進分區(qū)油壓輸出值，使盾構(gòu)姿態(tài)朝設(shè)定值方向變化，從而達到實際隧道軸線盡可能接近DTA的目的。

結(jié)合“超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工軸線智能糾偏控制參數(shù)整定裝置研制與應(yīng)用”的技術(shù)攻關(guān)實踐，以軟土隧道工況、施工工藝和盾構(gòu)機為背景，以盾構(gòu)糾偏控制輸出環(huán)節(jié)為重點，具體分析建立的盾構(gòu)糾偏輸出控制策略快速自學(xué)習(xí)方法和示范工程應(yīng)用效果。

1 技術(shù)現(xiàn)狀綜述

1.1 人工控制盾構(gòu)糾偏

目前盾構(gòu)施工基本采用人工控制糾偏。在新一環(huán)掘進開始前，人工根據(jù)上一環(huán)盾構(gòu)糾偏實際油壓值、盾構(gòu)姿態(tài)變化值和當前盾構(gòu)姿態(tài)值，預(yù)估本環(huán)結(jié)束時盾構(gòu)姿態(tài)目標值。在此基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置新一環(huán)的盾構(gòu)掘進分區(qū)油壓值。在推進過程中，根據(jù)盾構(gòu)實際姿態(tài)和各分區(qū)實際油壓適當調(diào)整個別分區(qū)的油壓值。

由于盾構(gòu)糾偏控制輸出環(huán)節(jié)的控制因素復(fù)雜，人工憑經(jīng)驗決定當前環(huán)糾偏控制輸出的策略中往往隱含了新的糾偏擾動因素。實際施工中，人工操作盾構(gòu)糾偏輸出的控制質(zhì)量具有一定的離散性，掘進過程中的盾構(gòu)實際姿態(tài)相對DTA的震蕩周期和幅度取決于施工團隊的技術(shù)管理水平和盾構(gòu)司機的經(jīng)驗。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

如今，盾構(gòu)糾偏控制技術(shù)正逐步由人工經(jīng)驗朝智能控制技術(shù)方向發(fā)展。文獻[1]結(jié)合華北某區(qū)間盾構(gòu)施工實例，總結(jié)了人工糾偏經(jīng)驗。文獻[2]運用模糊控制理論，結(jié)合盾構(gòu)糾偏控制需求進行具體探索，并用仿真數(shù)據(jù)驗證所述方法的可行性。但盾構(gòu)糾偏控制因素復(fù)雜、純模糊控制方法產(chǎn)生大量二維關(guān)系表，未必能反映盾構(gòu)糾偏的實際規(guī)則。文獻[3]在模糊控制理論基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)推理土質(zhì)與油壓關(guān)系，但仿真數(shù)據(jù)驗證方法難以證明其“推理“具有一般的規(guī)律性。文獻[4]建立按盾構(gòu)工藝劃分的數(shù)據(jù)庫，建立基于大數(shù)據(jù)分析的自學(xué)習(xí)功能模塊，根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)得出當前環(huán)糾偏策略，并結(jié)合液壓執(zhí)行機構(gòu)特性和土體穩(wěn)定綜合因素實施盾構(gòu)糾偏控制。文獻[4]是目前盾構(gòu)智能糾偏控制技術(shù)最新進展之一，但未見有關(guān)大數(shù)據(jù)方法適應(yīng)土質(zhì)工況特點的應(yīng)用條件。

1.3 盾構(gòu)糾偏輸出的控制技術(shù)瓶頸

在上海北橫通道東線盾構(gòu)施工過程中，第413，414，419，420環(huán)的力矩方向變化與盾構(gòu)方向變化互為相反的糾偏案例表明：盾構(gòu)糾偏控制輸出策略的實際糾偏效果與開挖面土質(zhì)流動性密切相關(guān)。用同類盾構(gòu)歷史數(shù)據(jù)預(yù)估當前糾偏策略應(yīng)該是有條件的(土質(zhì)及分布相近)、相對的(條件成立時可能有效)。

隧道勘探測點一般相距十幾米，開挖面土質(zhì)及其分布信息是不連續(xù)的。大數(shù)據(jù)類比法缺少開挖面土質(zhì)及分布的實際連續(xù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，很難建立糾偏方向與糾偏力矩定量關(guān)系。因此，盾構(gòu)糾偏輸出控制的技術(shù)瓶頸是開挖面土質(zhì)及其分布的不確定性。

2 盾構(gòu)智能糾偏技術(shù)

2.1 糾偏控制技術(shù)的特點與難點

盾構(gòu)糾偏控制是多輸入多輸出控制系統(tǒng)，輸入接口包含4個姿態(tài)、6個千斤頂行程信息；輸出接口包含6個油壓信息。糾偏控制是長周期大過程控制系統(tǒng)，調(diào)整策略一般0.3環(huán)反饋趨勢、幾環(huán)后反饋效果。糾偏控制系統(tǒng)面臨開挖面不確定土質(zhì)分布技術(shù)瓶頸。因此，傳統(tǒng)控制理論無法建立適用的糾偏控制模型。

2.2 智能糾偏控制系統(tǒng)構(gòu)架

針對盾構(gòu)糾偏難點、特點及技術(shù)瓶頸，研制的智能糾偏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能糾偏控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

建立穩(wěn)態(tài)目標、本環(huán)糾偏位置預(yù)測、本環(huán)糾偏方向預(yù)測是求解控制系統(tǒng)目標設(shè)定值環(huán)節(jié)?！敖⒎€(wěn)態(tài)目標”模塊以適應(yīng)各類交通隧道設(shè)計軸線?！氨经h(huán)糾偏位置預(yù)測”模塊是本環(huán)期望糾偏目標，“本環(huán)糾偏方向預(yù)測”模塊不僅自動實現(xiàn)糾偏參考坐標系轉(zhuǎn)換，而且便于輸出控制環(huán)節(jié)的分步實施目標。糾偏控制輸出環(huán)節(jié)由“糾偏力矩控制”和“千斤頂油壓控制”模塊組成。

3 糾偏方向與糾偏力矩關(guān)系的自學(xué)習(xí)方法

針對軟土隧道盾構(gòu)開挖面不確定土質(zhì)及土質(zhì)分布工況實際，建立糾偏方向與糾偏力矩關(guān)系快速自學(xué)習(xí)方法。

3.1 構(gòu)建近似動態(tài)線性數(shù)據(jù)文件

以分段函數(shù)方法將糾偏方向與糾偏力矩的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為局部區(qū)域內(nèi)近似線性關(guān)系。在一環(huán)推進過程中，設(shè)步數(shù)(n)=凈行程/步長。步數(shù)(n)取整，當n=n+1上升為觸發(fā)記錄條件。設(shè)x是盾構(gòu)方向變化實測值，xn= dζn- dζn-1表示單位控制周期盾構(gòu)方向角的變化值,其中dζ為盾構(gòu)方向角。y是控制步的糾偏力矩實測均值。

設(shè)計動態(tài)線性實測數(shù)據(jù)存儲器，以實現(xiàn)自動跟蹤最新糾偏方向與力矩實測數(shù)據(jù)。采用先進先出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于采集和保存最近2環(huán)的盾構(gòu)方向變化(xi)和糾偏力矩(yi)數(shù)據(jù)。設(shè)管片環(huán)寬2 000mm，控制步長190mm，則步數(shù)為n=1～10，2環(huán)數(shù)據(jù)共20組。一般鄰近2環(huán)土質(zhì)分布變化突變概率較小，可視小區(qū)域為線性區(qū)間，以文件形式讀寫保存數(shù)據(jù)。

3.2 建立糾偏方向與力矩快速自學(xué)習(xí)方法

以最近2環(huán)盾構(gòu)實測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源:盾構(gòu)方向變化量xi= dζi- dζi-1、糾偏力矩為yi=fm(fm為實測盾構(gòu)掘進千斤頂合力距)。小區(qū)域動態(tài)自學(xué)習(xí)回歸如圖2所示。

以最小二乘法原理推導(dǎo)求解糾偏向量的一次系數(shù)a0和常數(shù)a1：

a1= [n∑(xiyi) -(∑xi∑yi)]/

(1)

a0=(∑yi)/n-a1(∑xi)/n

(2)

y=a0+a1x

(3)

式中：xi，yi是最近20個控制周期采集的盾構(gòu)方向變化和糾偏力矩實測值(i=1～20，n=20)。式(1)，(2)的解代入式(3)，由下一控制周期糾偏方向變化值求得糾偏力矩輸出值。

4 糾偏力矩與糾偏分區(qū)油壓關(guān)系的自學(xué)習(xí)方法

4.1 盾構(gòu)油壓分區(qū)狀況

以示范應(yīng)用工程上海北橫通道盾構(gòu)為例，推進19組千斤頂設(shè)置6個分區(qū)油壓，6個分區(qū)油壓范圍內(nèi)各配置1套千斤頂行程儀。其中，盾構(gòu)底部的D區(qū)有4組千斤頂、其他各區(qū)3組千斤頂，符合盾構(gòu)推進高程動態(tài)土壓梯度工況需求。但是調(diào)整B，C，E，F(xiàn)分區(qū)油壓會影響高程力矩，當人工調(diào)整平面力矩時產(chǎn)生的高程力矩耦合會形成新的操作制性擾動。

4.2 盾構(gòu)實測推力矢量化分解

推進分區(qū)油壓傳感器反饋信息處理：

1) 總推力計算

F=∑nipiS

(4)

式中：ni為第i組千斤頂數(shù)量；pi為第i組千斤頂油壓；S為千斤頂活塞面積。

2) 力矩計算

My=∑nipiSRcosφi

(5)

Mz=∑nipiSRsinφi

(6)

式中：R為千斤頂分布圓半徑；φi為第i組千斤頂對應(yīng)的圓心角(順時針方向為正)。

4.3 盾構(gòu)糾偏力矩與推進油壓轉(zhuǎn)換

盾構(gòu)機第19組千斤頂中部位置為0°，順時針旋轉(zhuǎn)18.95°是第1組(A區(qū))千斤頂位移傳感器中心位置。盾構(gòu)中心到千斤頂中心距離(半徑)7 118mm，千斤頂活塞外徑為360mm。

如圖3所示，千斤頂分區(qū)縱軸位置的對稱性，聯(lián)立千斤頂推力合力和豎向合力矩方程(見圖4)：

圖3 北橫盾構(gòu)機千斤頂位置

圖4 合力及合力矩

合力：

(7)

合力矩：

2×(PBFsinθ1-PCEsinθ2)]RS×3

(8)

式中：PA～PF分別對應(yīng)A區(qū)～F區(qū)千斤頂油壓(kPa)；PBF=(PB+PF)/2；PCE=(PC+PE)/2；S為每組千斤頂(3個)的面積(m2)；R為盾構(gòu)中心到千斤頂中心的距離(m)；θ1，θ2分別為B區(qū)、C區(qū)中心與水平線的夾角(°)。由分區(qū)油壓成等比關(guān)系得：

(9)

(10)

解聯(lián)立方程(7)～(10)，代入θ1=33.16°，θ2=23.68°，R=7.118m，S=0.305m2，即可求得千斤頂油壓PA，PBF，PCE和PD的值。再由水平向合力矩列方程解得千斤頂油壓PB，PF，PC和PE的值。代入方程可求得下一控制周期的PA～PF分區(qū)油壓值。

5 工程應(yīng)用

所建立的盾構(gòu)糾偏輸出控制策略自學(xué)習(xí)方法是盾構(gòu)糾偏控制裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一，已在上海北橫通道工程東線隧道施工中全程示范應(yīng)用。

5.1 應(yīng)用工況

上海北橫通道東線全長3 665m，采用直徑15 560mm泥水氣壓平衡盾構(gòu)施工。隧道沿線為典型沖積層軟土地質(zhì)。381～480環(huán)開挖面主要是④層淤泥質(zhì)黏土、⑤層黏土夾粉砂、⑥層粉質(zhì)黏土、⑦層粉細砂層、⑧層灰色黏土，土質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。選取東線381～480環(huán)平面急轉(zhuǎn)彎特征線形的實測數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)糾偏輸出控制策略自學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用效果。

5.2 糾偏方向與糾偏力矩轉(zhuǎn)換應(yīng)用效果

381～407環(huán)是R=500mm左曲線形，408～430是左緩和曲線線形，431～456環(huán)是右緩和曲線線形，457～480環(huán)是R=500mm右曲線形。

根據(jù)緩和曲線中的10環(huán)(411～420環(huán))實測數(shù)據(jù)，可以具體反映糾偏方向與糾偏力矩的實際值、設(shè)定值的具體應(yīng)用效果。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，盾構(gòu)方向變量的顯示增益為8 000，力矩顯示增益為0.008。

定義盾構(gòu)向右方向的角度增量為正，定義左臂長×推力的力矩為正。每環(huán)結(jié)束的盾構(gòu)方向變化實測值(鋸齒波)、每環(huán)開始時期望的盾構(gòu)方向變化設(shè)定值(方波)，總體上呈收斂狀態(tài)，反映了DTA左緩和曲線的特征。第415環(huán)的設(shè)定值小于該環(huán)結(jié)束時的實測值，反映了第415環(huán)動態(tài)土壓的實際工況。第411～412環(huán)、第416～420環(huán)力矩遞增速率大于盾構(gòu)方向變化遞增速率的特點。尤其是第413，414，419，420環(huán)的力矩方向變化與盾構(gòu)方向變化變化互為相反的。上述動態(tài)土壓突變反饋信息狀態(tài)，由系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能自動調(diào)節(jié)為繼承優(yōu)先、增益為輔的加速算法：yi=ai-1×(xi-1-xi-2)+yi-1。yi-1是上一控制周期的糾偏力矩、(xi-1-xi-2)是上一控制周期盾構(gòu)方向增量，ai-1是上一控制周期的轉(zhuǎn)換系數(shù)，yi是新控制周期的糾偏力矩。

示范應(yīng)用效果反映所建立的糾偏方向與力矩轉(zhuǎn)換自學(xué)習(xí)方法能及時響應(yīng)隧道開挖面土質(zhì)分布變化的實際工況。

5.3 盾構(gòu)糾偏力矩與推進油壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用效果

根據(jù)上海北橫通道東線412～420環(huán)糾偏力矩與推進油壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)記錄，平面糾偏以左側(cè)(2區(qū)在3區(qū)上方)和右側(cè)(6區(qū)在5區(qū)上方)為主。其基本特征：上部油壓小于下方油壓。有一側(cè)的油壓與力矩變化趨勢呈同方向變化，但另一側(cè)的變化趨勢與力矩變化趨勢呈反方向變化。上下2層之間變化的幅度與高程力矩變化幅度相關(guān)。高程糾偏以上部(1區(qū))和下部(4區(qū))為主，高程糾偏底部油壓大于上部油壓。

由于埋深與壓力梯度關(guān)系，盾構(gòu)底部分區(qū)的千斤頂個數(shù)大于其他分區(qū)的千斤頂個數(shù)。人工調(diào)節(jié)平面油壓會影響高程力矩。采用盾構(gòu)糾偏力矩與推進油壓自動轉(zhuǎn)換方法可避免人工操作可能產(chǎn)生耦合擾動，具有自動解耦應(yīng)用效果。

6 結(jié)語

盾構(gòu)糾偏輸出控制策略快速自學(xué)習(xí)方法在上海北橫通道中得到了應(yīng)用，其獲得以下成果。

1)突破了盾構(gòu)開挖面不確定土質(zhì)分布的共性技術(shù)難題 動態(tài)數(shù)據(jù)庫為式(1)～(3) 提供分段線性數(shù)據(jù)的應(yīng)用條件，可在2環(huán)范圍內(nèi)自動適應(yīng)土質(zhì)分布變化，具有快速自學(xué)習(xí)技術(shù)性能。

2)抑制了盾構(gòu)糾偏控制主要擾動因素 式(7)根據(jù)當前實際油壓計算的總推力作為糾偏新策略的自變量常數(shù)，使各分區(qū)油壓調(diào)整前后的總推力保持不變，具有不干涉土壓平衡控制系統(tǒng)的技術(shù)性能。

3)具有較高的技術(shù)創(chuàng)新質(zhì)量 北橫通道東線全程示范應(yīng)用數(shù)據(jù)反映：糾偏輸出控制策略技術(shù)創(chuàng)新點具有明顯的實用性和通用性。