盾構機自動控制技術現狀分析及展望

姜 濤

(中鐵十六局集團建工機械有限公司，北京 101500)

盾構機自動控制技術現狀分析及展望

姜 濤

(中鐵十六局集團建工機械有限公司，北京 101500)

針對盾構機自動控制技術，首先對國內外盾構技術研究現狀進行簡要概括，在此基礎上著重盾構機的自動控制技術現狀，以當前存在的實際問題為依據，提出盾構機自動控制技術未來發展趨勢，旨在為我國盾構技術及其裝備的持續發展提供理論依據。

盾構機；自動控制技術；現狀；展望

1 盾構機研究現狀

自盾構技術出現以來已有近200年的歷史，該技術始于英國，在德國和日本得到飛速發展。二十世紀早期，該技術在歐美和日本推廣。近幾十年，該技術得到進一步發展，成效明顯，特別是在日本，盾構機工作面。盾構技術的相關設備先后歷經了手掘、擠壓、半機械與全機械，設備機械化水平不斷提高，對于復雜地層有著很高的適應能力。

從盾構機自身性能角度講，德國與日本處在國際領先行列，其優勢主要體現在以下幾個方面：

(1)實現所有工藝的自動化控制及機械化，在此基礎上還能提供檢測、糾偏與故障診斷自動化等功能。

(2)面對復雜地層有著良好的適應能力，可在硬巖、軟土等條件下施工，而且還支持長距離和大直徑隧道，斷面種類及形狀實現了多樣化，尺寸也在進一步增大。

(3)盾構機朝微小和超大兩個方向發展，徑向尺寸從 0.2～18.0m，目前己生產出圓形、矩形、雙圓、三圓、球型、子母型盾構和復合盾構等。

(4)科技水平日益提升，大多使用液壓驅動及電液比例控制等現代化技術，具備低能耗與大功率等優勢；除此之外，GPS測量與激光雷達導向等也得到了廣泛的應用。

國內的盾構技術研究起步相對較晚，在上世紀九十年代才取得一定的提升。我國自主研發一些盾構，如擠壓和氣壓等，著重進行了土壓平衡與泥水加壓等方面的研究。就目前來看，我國很多企業都認識到盾構研究的重要意義，并付諸于實踐，研制多種類型的新型盾構機。然而，國產盾構機只可以在環境要求較低的地區中使用，不能滿足復雜地質條件提出的實際需求，并且在控制系統方面還相對落后，控制技術水平較低是影響國內盾構技術長遠發展的重要因素。因此，我國盾構技術研究還處在起步階段，未形成可以針對多種條件及要求的設計與研制盾構的實力。

2 盾構機自動控制技術現狀

2.1 掘進系統

(1)模型創建。

盾構機掘進系統由多個子系統組成，如刀盤、推進和排渣等，針對掘進控制，其研究工作早期是將試驗與模型創建為核心的。掘進系統的模型創建方法有很多種，如運用BP網絡創建開挖面的土壓平衡控制模型，但在具體的建模過程中并未充分考慮地質條件。因此，在充分考慮地質條件和工程地點等因素的基礎上，運用人工神經網絡創建了盾構機推進速度自動控制模型。通過對自適應神經模糊理論的應力，可創建將排土控制作為基礎的控制模型，如式(1)所示

Pe=f(F,v,ns)

(1)

式中：Pe代表盾構土倉的壓力；F代表盾構機所能提供的推力；v代表盾構機速度；ns代表螺旋輸送機的轉速大小。

(2)系統控制對策。

對于盾構掘進系統控制，大多運用智能控制的方式。LI等充分運用模糊免疫控制對策，設計出一種全新的可自動調節控制器，在非線性系統中進行應用，通過試驗得知，系統穩定性與動態特性均良好。針對模糊控制，運用專家經驗難以從相對復雜的過程當中使用全部數據對規則與隸屬度函數進行調整。為此，YEH等使用了BP神經網路創建一個開挖面的平衡控制策略，策略中的尋優函數可以給出最佳的速度建議，在很大程度上完成了推力及轉速的自動化控制，確保開挖面實現平衡的目標。

2.2 位姿控制

盾構機位姿能使用它的設計軸線來進行描述，通過液壓缸的有效控制完成自動化位姿控制。針對盾構位姿控制，日本處在國際前列，提出很多研究成果。SAKAI等在上世紀80年代首次在位姿控制中沿用卡爾曼濾波原理，并基于統計學理論，創建了預測控制的相關模型，但這一理論十分繁瑣，需要完成很多回歸分析工作，因此其應用范圍有限。在此之后，IMAI等提出一種更為完善的位姿控制系統，通過對盾構位姿數據的測量，系統自動化選取液壓缸開啟和關閉模式，從而精確操控盾構角度與位置。

2.3 管片拼裝

盾構管片拼裝最早是由專業技工完成手工操作，這種拼裝模式存在很多弊端，會對施工質量造成嚴重的影響。對此，很多國家都在積極探究管片拼裝的自動化技術。日本是最早應用自動化管片拼裝技術的，伴隨機器人等產品的不斷引入，管片拼裝的自動化技術得到飛速發展。TANAKA等實現了對自動機器人的實際應用，為達到較高的精度，又提出數字伺服等先進的控制技術。

3 盾構機自動控制技術展望

3.1 控制模型創建

產生地面沉降現象的主要原因為盾構機的密封艙壓力失去平衡，所以，對于這個可以反映出盾構實際技術水平的重要技術，很多學者都開展了相應的研究。由于確實深入理解，當前還沒有給出可靠的控制模型，實用性結果較少，技術不夠成熟。在此情況下，后期需要深入探究控制機理對應的耦合關系，創建一個將密封艙壓力動態平衡為根本目標的模型，合理運用各種控制方法，實現對密封艙壓力的自動化控制，進而確保地面沉降保持在精度要求內。

3.2 掘進系統協調控制

當前的土壓控制通常是預先設定一個壓力值，在具體施工中依據沉降、密封艙壓力等設施調節。與此同時，子系統的工作是完全獨立的，大多由手工進行調節，而且此類調整方法屬于滯后式。由于盾構密封艙實際壓力主要由各個子系統通過耦合進行決定的，所以，為實現高精度控制，該系統需要運用多個子系統協調的方式進行控制，以最佳方法對子系統運動進行控制，確保控制變量得以實時調整及優化。

以某地鐵工程盾構區間為例，該工程盾構掘進主要由操作司機在中央控制中完成，由技術人員經計算初設正面土壓力值。施工過程中，在盾構機正面與上、下方分別設置土、水壓傳感器監控平衡系統，并在盾構機前方安設巖土勘探系統。開啟出土閘門，分別起動皮帶輸送機，螺旋輸送機和刀盤，推進千斤頂，對各千斤頂油壓進行正確調整。此時，刀盤不斷切削土體，盾構保持前進。根據之前設定的正面土壓力對出土速度及掘進速度進行自動控制。整套系統實現了協調控制，確保盾構始終按照設計軸線推進。

3.3 位姿控制和運動軌跡動態規劃

當前的盾構位姿控制是將人的邏輯推理過程作為依據的，對專家操作經驗進行程序化，在利用相關的模糊控制方法完成智能控制，或直接由人工完成操作。然而，在缺少記錄的條件下，一旦遇到較為復雜的地質條件將難以給出準確預測，因此至此還未獲取實用成果。對此，需要對位姿具體影響因素進行分析，創建控制模型，在其前提下找尋最佳的姿態控制規律，與此同時，對多目標的優化算法進行分析，實現動態規劃目標，這也是使盾構位姿與軌跡追蹤實現自動控制目標的關鍵環節。

3.4 系統集成和優化

為實現多個子系統的信息檢測、控制、共享和通信，并充分考慮盾構自身特點，在創建控制系統的過程中，需要將高性能、低成本和低能耗作為根本目標。基于這種思想，需要對多源驅動系統等進行深入的研究，設計將掘進性能和節能作為約束條件，支持多種地質條件的優化控制系統，同時這也是盾構技術后續發展的主要方向之一。

4 結束語

為確保盾構機施工安全、高效，自動化控制為盾構技術未來發展的必然走向。伴隨科技進步，盾構技術及其裝備具有很高的自動化水平，特別是在位姿控制等方面，在理論和實踐中都得到了很大的進展。然而，對于那些具有較高復雜性的盾構裝備，在實現自動化控制目標的過程中會遇到很多難題。因此，將高安全性、高效性與節能性作為目的的盾構技術及其裝備自動化控制系統集成與優化是當前亟需解決的技術難題。

[1] 劉宣宇,邵誠. 盾構機自動控制技術現狀與展望[J]. 機械工程學報,2014,10(20):152-160.

[2] 郇利民,侯德超,張兵,等. 盾構機自動控制技術現狀與展望[J].科技與企業,2014,11(1):281-282.

[3] 張麗華. 淺析盾構機自動控制技術現狀與展望[J].科技展望,2015,12(21):132-133.

2016-10-21

姜濤(1982- )，男，河北高碑店人，工程師，研究方向：工程機械。

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1008-3383(2017)02-0148-02