盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)自動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用

簡(jiǎn) 鵬, 楊 晨, 游宇嵩, 荊留杰, 臧家琪, 徐受天

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450000)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工過程中,對(duì)于盾構(gòu)的姿態(tài)控制有極高的要求,然而由于地質(zhì)條件復(fù)雜、測(cè)量環(huán)境惡劣等因素,使得盾構(gòu)的掘進(jìn)方向很難與隧道設(shè)計(jì)軸線保持一致,常常會(huì)出現(xiàn)水平或者垂直偏差過大,從而對(duì)項(xiàng)目的工期、成本和安全造成重大影響[1]。當(dāng)前,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中依然是依靠人工進(jìn)行推進(jìn)控制,由主司機(jī)根據(jù)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)的反饋值來調(diào)節(jié)油缸壓力,這種依賴人工經(jīng)驗(yàn)的操作方法具有較大的局限性,很難保證隧道的成型質(zhì)量。

為保證盾構(gòu)隧道成型質(zhì)量及施工過程的安全性,提高盾構(gòu)施工智能化水平[2],國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制進(jìn)行了深入研究。國(guó)外關(guān)于盾構(gòu)姿態(tài)智能控制的研究主要分為2個(gè)階段: 第1階段以理論研究為主,代表學(xué)者有酒井邦登、桑原洋、倉(cāng)岡豊、清水賀之、Grima等[3],分別采用卡爾曼濾波理論、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制進(jìn)行了有意義的探索。第2階段以生產(chǎn)應(yīng)用為主,日本清水建設(shè)開發(fā)了智能盾構(gòu)操作系統(tǒng),通過人工智能算法建立了AI模型,可實(shí)現(xiàn)管片自動(dòng)選型和盾構(gòu)自主掘進(jìn)[4];馬來西亞MMC公司基于大量歷史掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)建模,結(jié)合盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)控制方法及規(guī)則,開發(fā)了盾構(gòu)自主掘進(jìn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)和推進(jìn)過程的自動(dòng)控制,但是這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制模型需要大量的訓(xùn)練樣本,而且無法解決掘進(jìn)姿態(tài)突發(fā)事故。

雖然國(guó)內(nèi)開展盾構(gòu)相關(guān)研究時(shí)間較晚,但是亦取得了豐碩的成果。劉成等[5]從水平和垂直2個(gè)方向考慮盾構(gòu)的姿態(tài)控制問題,分析了最小糾偏半徑、糾偏力矩的相應(yīng)公式,建立了盾構(gòu)水平方向的糾偏曲線模型,并對(duì)其進(jìn)行了模擬。龔國(guó)芳等[6]基于模糊PID方法,提出一種盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的控制策略,可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡、掘進(jìn)速度的準(zhǔn)確控制,并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了其控制效果。張愛軍[7]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤轉(zhuǎn)矩、油缸壓力差等參數(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道軸線偏移量的影響進(jìn)行了深入研究,得到了盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)姿態(tài)控制的影響及其規(guī)律。邵誠(chéng)俊等[8]研究了盾構(gòu)的多個(gè)子系統(tǒng),得到了關(guān)于水平方向的姿態(tài)糾偏系統(tǒng)模型,并且分析設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制研究。李洋[9]以最短糾偏軌跡為目標(biāo),利用改進(jìn)的人工蜂群算法優(yōu)化盾構(gòu)糾偏模型,開展了地鐵隧道盾構(gòu)姿態(tài)智能控制的研究,為盾構(gòu)糾偏提供輔助決策。劉肖楠[10]提出一種基于粒子群算法優(yōu)化的PID控制器參數(shù)的糾偏控制策略,設(shè)計(jì)了以液壓推進(jìn)系統(tǒng)的糾偏控制器,可以實(shí)現(xiàn)糾偏控制的快速響應(yīng)。

雖然已有眾多學(xué)者做了相關(guān)研究,但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制方面的研究依然處于理論階段,所提出的控制策略和方法基本沒有在現(xiàn)場(chǎng)得到規(guī)模化應(yīng)用。本文基于模糊控制及最佳糾偏曲線模型,研究盾構(gòu)的姿態(tài)自動(dòng)控制技術(shù),并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用,以期為姿態(tài)控制提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 最佳糾偏曲線模型建立

盾構(gòu)糾偏是通過調(diào)整分區(qū)液壓油缸壓力或其他手段控制盾構(gòu)的掘進(jìn)方向,使盾構(gòu)的掘進(jìn)軌跡逐漸靠近隧道設(shè)計(jì)軸線(designed tunnel axis, DTA),最終與設(shè)計(jì)軸線重合,同時(shí)確保糾偏后盾構(gòu)切口方向與DTA重合。盾構(gòu)糾偏軌跡如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)糾偏軌跡圖

目前,盾構(gòu)姿態(tài)糾偏曲線模型主要有3種: 1)以3次拋物線為基礎(chǔ)的糾偏曲線模型; 2)以連續(xù)反向圓曲線為基礎(chǔ)的糾偏曲線模型; 3)以對(duì)稱螺旋曲線為基礎(chǔ)的糾偏曲線模型[10]。糾偏曲線的本質(zhì)是一種最優(yōu)路徑規(guī)劃,設(shè)計(jì)一條滿足各種約束條件的盾構(gòu)始末狀態(tài)相連的運(yùn)動(dòng)軌跡,需滿足的約束條件實(shí)際上就是對(duì)最小糾偏半徑的約束。本文采取連續(xù)反向曲線的糾偏模型,糾偏原理如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)糾偏原理圖

1.1 最小糾偏半徑確定

盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)控制過程中,使糾偏軌跡最短所采用的糾偏半徑稱為最小糾偏半徑,盾構(gòu)在曲線糾偏時(shí)半徑不能小于最小糾偏半徑,否則易引起盾尾間隙減小,甚至造成管片破損。因此,為保證盾構(gòu)正常掘進(jìn),需要保證糾偏時(shí)的曲線半徑大于最小糾偏半徑。最小糾偏半徑由盾尾間隙、推進(jìn)油缸行程差等因素共同決定,需要同時(shí)考慮多參數(shù)的影響。

1.1.1 盾尾間隙決定的糾偏半徑R1

盾尾間隙是指盾尾與管片之間的距離,糾偏過程中若糾偏半徑過小,超過盾尾間隙范圍,會(huì)使管片與盾尾接觸而產(chǎn)生干涉,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起盾尾擠壓管片,甚至導(dǎo)致管片破損。對(duì)于盾尾間隙決定的糾偏半徑計(jì)算,已有學(xué)者進(jìn)行研究,參考其研究成果[11-12],得到糾偏半徑

(1)

式中:R為管片半徑,m;δ為靠近轉(zhuǎn)彎中心一側(cè)的盾尾間隙,m;l為管片寬度,m。

1.1.2 油缸行程差決定的糾偏半徑R2

盾構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí),曲線外側(cè)油缸行程比內(nèi)側(cè)的大,使得推進(jìn)油缸產(chǎn)生行程差。在實(shí)際盾構(gòu)施工中,一般要求油缸行程差不超過50 mm,對(duì)應(yīng)的最小糾偏半徑

(2)

式中:RF為推進(jìn)油缸半徑,m;ls為盾構(gòu)刀盤切口至盾尾的距離,m。

最小糾偏半徑除受到上述因素的影響外,還受到盾構(gòu)幾何尺寸所允許的最小轉(zhuǎn)彎半徑R3、隧道設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑?jīng)Q定的最小轉(zhuǎn)彎半徑R4的限制,因此可得最小糾偏曲線半徑

Rmin=max (R1,R2,R3,R4)。

(3)

1.2 糾偏曲線模型

由圖2可知,線段OD是隧道設(shè)計(jì)軸線(DTA),直線AB是盾構(gòu)當(dāng)前位置,弧BCD是糾偏曲線,糾偏起點(diǎn)B所在的糾偏曲線方向和當(dāng)前盾構(gòu)前進(jìn)方向相切,糾偏終點(diǎn)D所在的糾偏曲線切線方向和設(shè)計(jì)路線相切,弧BC和CD是半徑相同的圓曲線。糾偏曲線模型的半徑是上述所得最小糾偏半徑Rmin,可保證盾構(gòu)在最短路程內(nèi)靠近隧道設(shè)計(jì)軸線。

假設(shè)此時(shí)盾構(gòu)AB與設(shè)計(jì)路線OD的夾角為θ,切口水平偏差為h,即點(diǎn)B到直線OD的垂直距離為h,令第1段糾偏圓曲線l1的圓心角為α,第2段糾偏圓曲線l2的圓心角為β,糾偏曲線要使盾構(gòu)在最短時(shí)間內(nèi)安全地從當(dāng)前位置向隧道設(shè)計(jì)軸線靠近,根據(jù)上述要求可得出盾構(gòu)最佳糾偏曲線模型見式(4)。

(4)

式中:x、y為盾構(gòu)糾偏路徑各點(diǎn)相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的坐標(biāo)值;α、β為未知量,可由式(5)計(jì)算得到。

(5)

由式(4)—(5)可計(jì)算得出盾構(gòu)最佳糾偏曲線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的水平偏差值ΔH、垂直偏差值ΔV及水平趨勢(shì)值ΔT1、垂直趨勢(shì)值ΔT2。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的輸入、輸出變量

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,主司機(jī)根據(jù)盾構(gòu)的位姿參數(shù)來確定各分區(qū)液壓缸的設(shè)定壓力和行程,一般將水平方向和豎直方向分開來進(jìn)行考慮。基于此,本文將水平方向和豎直方向的切口偏差值和趨勢(shì)值作為模糊控制器的輸入變量,將分區(qū)油缸壓力差(水平或豎直方向)作為輸出變量。模糊控制器的輸入、輸出變量如圖3所示。

H為切口水平偏差,mm; T1為水平趨勢(shì)值,mm/m; ΔFh為左右分區(qū)油缸壓力差,mm; V為切口垂直偏差,mm; T2為垂直趨勢(shì)值,mm/m; ΔFv為上下分區(qū)油缸壓力差,mm。

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則是對(duì)人工操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)的總結(jié),并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和掘進(jìn)數(shù)據(jù)對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行修正和完善。一般情況下,當(dāng)盾構(gòu)距離DTA偏差值較大且趨勢(shì)值較大時(shí),分區(qū)油缸壓力差也應(yīng)該增大;當(dāng)偏差值較小時(shí),應(yīng)該防止超調(diào),以保持穩(wěn)定性為主。

盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)軸線一般可分為直線段、緩和曲線段、曲線段3種類型,原則上每種曲線類型所對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則不相同,因此水平、垂直方向需要各構(gòu)建3個(gè)模糊控制器,用以應(yīng)對(duì)不同掘進(jìn)曲線狀態(tài)。

本文采用具有2個(gè)輸入?yún)?shù)的規(guī)則對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制,輸入變量為切口偏差和趨勢(shì)值,以直線段水平方向姿態(tài)控制規(guī)則為例,如表1所示。

表1 直線段水平模糊控制規(guī)則

2.3 模糊推理及去模糊化

模糊推理輸出的結(jié)果是一個(gè)模糊集合,但是盾構(gòu)的姿態(tài)只能以精確量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,因此必須從模糊集合中判決出一個(gè)精確量。本文采用加權(quán)平均法法進(jìn)行模糊判決,可以充分利用輸出模糊集合所包含的所有信息。

反模糊解可通過Matlab編程快速實(shí)現(xiàn),得到輸入與輸出變量之間的關(guān)系表,即模糊控制表。盾構(gòu)姿態(tài)模糊控制流程如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)姿態(tài)模糊控制流程圖

3 盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)施工時(shí),可通過改變推進(jìn)油缸或鉸接油缸壓力進(jìn)行姿態(tài)的控制。但是實(shí)際掘進(jìn)過程中,操作人員為了保證鉸接油缸狀態(tài)的穩(wěn)定,往往會(huì)保持鉸接油缸壓力、位移不變。因此,該系統(tǒng)考慮采用調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸壓力來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)控制。

3.1 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)可直接從PLC讀取盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)、分組油缸壓力等數(shù)據(jù),具體涉及的參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集表

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 輸入?yún)?shù)分析

對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析,當(dāng)偏差值和趨勢(shì)值在允許范圍(一般規(guī)定偏差允許值為±50 mm,趨勢(shì)值為±10 mm/m)時(shí),輸入?yún)?shù)為姿態(tài)偏差值H、V和趨勢(shì)值T1、T2;當(dāng)盾構(gòu)偏差值和趨勢(shì)值超出允許范圍時(shí),構(gòu)建最佳糾偏曲線,獲取盾構(gòu)最佳糾偏曲線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的水平偏差值ΔH、垂直偏差值ΔV及水平趨勢(shì)值ΔT1、垂直趨勢(shì)值ΔT2,最終輸入?yún)?shù)為盾構(gòu)位姿相對(duì)于最佳糾偏曲線的相對(duì)偏差值H′、V′和相對(duì)趨勢(shì)值T1′、T2′,相對(duì)偏差值和相對(duì)趨勢(shì)值由式(6)計(jì)算所得。

(6)

3.2.2 輸出參數(shù)分析

模糊控制器輸出參數(shù)為分組油缸壓力差,需要對(duì)該壓力差進(jìn)行分配以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。為保證總推力不變或者變化極小,從而減小對(duì)推進(jìn)速度、土艙壓力的影響,油缸壓力差的改變按照A/C、B/D 2組油缸一增一減的方式調(diào)整,若當(dāng)前的油缸壓力差值與輸出值一樣,則保持當(dāng)前參數(shù)掘進(jìn);若不一樣,則按式(7)進(jìn)行分配。

(7)

式中: ΔFA、ΔFB、ΔFC、ΔFD分別為A、B、C、D 4組油缸壓力調(diào)整值;ΔFh為模糊控制器輸出水平方向油缸壓力差;ΔFh′為當(dāng)前水平方向油缸壓力差;ΔFv為模糊控制器輸出垂直方向油缸壓力差;ΔFv′為當(dāng)前垂直方向油缸壓力差。

3.3 控制流程

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,導(dǎo)向系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示盾構(gòu)當(dāng)前位姿與隧道設(shè)計(jì)軸線之間的偏差,當(dāng)偏差量較小時(shí),一般通過調(diào)節(jié)油缸壓力差進(jìn)行姿態(tài)控制,此種情況下可根據(jù)模糊控制器輸出的壓力差值進(jìn)行油缸壓力調(diào)整;當(dāng)偏差較大超出允許范圍時(shí),為了使盾構(gòu)掘進(jìn)快速、安全地恢復(fù)到正常姿態(tài),則需要根據(jù)糾偏曲線進(jìn)行姿態(tài)控制,模糊控制器的輸入?yún)?shù)為盾構(gòu)位姿相對(duì)于糾偏曲線的偏差值、趨勢(shì)值。

將上述所述盾構(gòu)偏差值及趨勢(shì)值輸入盾構(gòu)姿態(tài)模糊控制器,并得到相應(yīng)的水平、垂直油缸壓力差,若當(dāng)前的油缸壓力差值與輸出值一樣,則保持當(dāng)前參數(shù)掘進(jìn);若不一樣,則重新進(jìn)行壓力分配,并將最終油缸壓力值下發(fā)至PLC,由PLC執(zhí)行姿態(tài)控制動(dòng)作。盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制流程如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制流程

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

該盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)在成都地鐵10號(hào)線某區(qū)間進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試期間隧道埋深約7.5 m,測(cè)試環(huán)號(hào)為501—533環(huán),其中514—525環(huán)由自動(dòng)控制系統(tǒng)掘進(jìn),剩余由人工掘進(jìn)。盾構(gòu)穿越地層為上部松散砂卵石土、下部稍密砂卵石土,地下水較豐富。

設(shè)備直徑為6.41 m,推進(jìn)油缸共20根,分為A、B、C、D 4組,由于測(cè)試期間盾構(gòu)處于右轉(zhuǎn)彎區(qū)間段且位于復(fù)合地層,根據(jù)項(xiàng)目要求需要保證切口水平偏差在(5 mm,10 mm)區(qū)間,水平趨勢(shì)值大于0 mm/m,切口垂直偏差在(-10 mm,-5 mm)區(qū)間,垂直趨勢(shì)值大于7 mm/m,對(duì)比人工掘進(jìn)與自動(dòng)掘進(jìn),姿態(tài)控制結(jié)果如圖6所示。

(b) 垂直方向掘進(jìn)姿態(tài)偏差值

由圖6可以看出,在514—525環(huán)自動(dòng)掘進(jìn)段內(nèi),盾構(gòu)姿態(tài)控制效果較好,盾構(gòu)姿態(tài)偏差值都控制在允許的范圍內(nèi),當(dāng)姿態(tài)偏差值接近允許值時(shí),基于模糊理論的控制系統(tǒng)迅速做出反應(yīng)并調(diào)整分組油缸壓力差,使得掘進(jìn)姿態(tài)恢復(fù)至合理值。同時(shí),相比于手動(dòng)掘進(jìn),自動(dòng)掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)偏差的波動(dòng)更小,這是因?yàn)樽詣?dòng)掘進(jìn)時(shí)對(duì)于掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整頻率比手動(dòng)掘進(jìn)時(shí)高,且手動(dòng)掘進(jìn)時(shí)主司機(jī)自主性比較大,只需保證偏差值在合理范圍即可?？傮w來講,該系統(tǒng)基本可以滿足盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制的需求。

由于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中,并沒有出現(xiàn)姿態(tài)偏差超出允許范圍的情況,故沒有對(duì)糾偏曲線模型的合理性及準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,因此下一步需要進(jìn)行多工況下的系統(tǒng)可靠性測(cè)試。

5 結(jié)論與建議

盾構(gòu)姿態(tài)的自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)智能化的必由之路,也是整個(gè)盾構(gòu)行業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,開發(fā)以模糊理論和糾偏曲線為核心的姿態(tài)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)的自動(dòng)控制目標(biāo)。

1)設(shè)計(jì)了盾構(gòu)最佳糾偏曲線模型,該模型可以在盾構(gòu)姿態(tài)偏差過大時(shí)進(jìn)行糾偏,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡快速、安全地靠近DTA附近。

2)利用模糊控制理論,設(shè)計(jì)了姿態(tài)模糊控制規(guī)則,構(gòu)建了盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)模糊控制器。

3)設(shè)計(jì)了盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試,結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的可靠性和實(shí)用性。

盾構(gòu)掘進(jìn)工況復(fù)雜多變,本文僅驗(yàn)證了右轉(zhuǎn)彎時(shí)的控制準(zhǔn)確性,但對(duì)于姿態(tài)偏差過大時(shí)的情況未進(jìn)行測(cè)試,后續(xù)需要在多種工況下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試并完善。