盾構機自動控制技術現狀與展望

摘要：盾構機實現整個施工過程的全自動化是可以讓盾構機更加安全和高效的進行施工，現今的盾構機在自動化的程度上已經有了很大的提高，特別是掘進系統和位姿控制上，對于盾構機的導向自動糾偏以及所以子系統的全面協調還需要更深的研究。

關鍵詞：盾構機；土壓平衡；掘進系統；協調控制

現代高新技術的應用使得盾構掘進時的地面沉降控制、推進速度控制、測控導向和自動襯砌等變得越來越容易，自動化程度大大提高，但多數施工控制仍需人工操作。所以，本文為使盾構機高精、高效，安全施工，實現整個盾構掘進裝備高度的自動化、智能化，最終實現完成了機器數據監控模塊的開發，以三維動畫的形式實現了盾構機位姿的實時顯示等。在該模塊的各個子模塊中，根據功能需求和數據特點，采用了多樣化的數據呈現方法，以期形象地展示信息。

一、盾構機自動控制技術的概念

盾構機主要由盾體、刀盤驅動系統、推進系統、注漿系統、排渣系統、尾部密封系統的組合而成。盾構機自動控制技術是指利用盾構機這種機械挖取地下隧道。盾構機自動控制技術的施工現狀是：盾構機自動控制技術幾乎不受地形、氣候等因素的影響，能夠在復雜的環境下工作，這是因為有盾構機的支護，這對于繁華的大城市而言是非常實用的，這樣就能夠盡量不用破壞原有設施。對于那些施工環境復雜，交通不便的陸地城市，中間不跨越大型水域，并且隧道較長的地方也適用。機械、電氣化快速發展，使得盾構機械在施工過程中自動化、智能化，使得施工時間縮減，降低了勞動強度。機械自動化、智能化使得盾構機自動控制技術在挖掘長距離、大直徑的的隧道時有非常明顯的優勢，還有就是地面的人文景觀能夠得到保護，對其周圍的環境影響很小。

二、盾構機自動控制技術前景

建立以密封艙中壓力動態的平衡為目標的控制模型，盾構機在掘進時可能會產生地面沉降，這主要使因為密封艙內壓力失去平衡，又與缺乏對密封艙壓力動態平衡的控制手段，所以還沒有形成這方面的實用性控制模型，未來要以密封艙壓力動態平衡為目標，建立控制模型，采用先進的控制技術，對密封艙壓力實現自動控制，避免出現地面沉降。掘進系統的協調控制，現有的土壓平衡盾構機主要是在施工的過程中，根據地面的沉降、密封艙壓力變化等對刀盤、排渣等進行單獨的調整，在這種情況下所有的子系統都是手工調節，獨立工作的。這種調整方式比較落后，為了能夠讓掘進系統中眾多的子系統進行協調統一的控制，就要研究各控制參數與密封艙壓力之間的關系和各個子系統之間的聯系。實現整個掘進控制系統的統一協調控制。運動軌跡的位姿變化和動態規劃，現有的盾構系統運動軌跡在沒有詳細施工記錄的情況下，在復雜的地質情況中很難預測控制盾構系統的位姿，盾構機在位姿控制上沒有完成的約束系統對位姿進行控制，所以未來要分析影響盾構機位姿的因素，建立完整的控制模型，實現位姿自動控制的可能。集成和優化控制系統，盾構機的控制系統要將刀盤、推進、排渣、管片拼裝等子系統進行集成控制，優化盾構機的掘進性能，提高其節能性。

三、盾構機自動控制技術的現狀

（一）掘進系統的自動控制

盾構機的整個掘進系統由推進、刀盤、排渣等子系統構成。科學家集合盾構機掘進的參數和施工要素分析了盾構機壓力倉內的壓力分布狀況。盾構機在掘進系統中的自動控制提高了土壓的穩定性能，控制了整個螺旋輸送機的轉速，使盾構機在土壓內達到平衡，根據建立的壓力模型，實現了盾構機壓力和液壓缸的自動控制平衡，實現了盾構機壓力和液壓缸的自動控制，推進了系統自動控制方式的產生。并且學者們研究了排空控制，提出了PID在排空中的使用。在螺旋輸送機的排土上實現了自動控制。

（二）位姿控制

位姿控制是指控制液壓缸在推進系統中的應用。專家提出了分而后和的方法針對盾構機在模糊控制器上的設計特點進行控制，使人們可以更方便的調節控制器的性能。將盾構機位姿控制技術應用在盾構機的實際運行中。千斤頂的糾偏控制量通過模糊控制器得出，使整個系統能夠在不同的地質中都能夠更加平穩的運行。通過建立盾構機在具有荷載的推進過程中模型，對于位姿控制中的各種參數進行了分析，使自動控制技術精確的在位姿控制中發揮。

（三）盾構機管片的自動安裝

如果盾構機的管片使用手工安裝的話，會存在很多的問題，所以在上個世紀八十年代，日本首先就盾構機管片的自動安裝進行了研究，國際上在針對盾構機在隧道中管片的自動安裝也設計了一套切實可行的準則。我國對于盾構機管片自動安裝的研究配合了盾構機在軸向設計上的特點，選取了每個點位上管片安裝的參數，研究出了虛擬的管片自動安裝模型，并且糾正了切向路線上的偏離。在國外的某些國家，已經實現了管片的自動安裝的控制，利用機器動態模型，全自動的控制了管片的拼裝和支護。國外某學者針對盾構機掘進系統中的管片拼裝，提出了目標導向控制系統，就是預先設定出管片拼裝的目標坐標，然后根據液壓執行系統結合機器人的混合動力控制進行計算，得出的最終結果是具有可行性的。

四、結束語

目前，國際先進盾構采用了類似機器人的技術、計算機控制技術、網絡遠程通信遙控技術、現代傳感檢測技術、激光導向技術、超前地質探測技術、通信技術等，盾構自動化程度越來越高，保證了城市地下隧道施工的效率和安全性。中國作為世界最大的隧道及地下工程施工市場，市場潛力正在迅速釋放。盾構的施工質量與盾構機的姿態控制情況和周圍環境有著密切的關系。倘若盾構姿態控制得好，地下沉降和隆起就會小；倘若控制得不好，地表變形就會較大。如何采用高速、先進的隧道施工技術，是擺在工程技術人員面前的一道重要課題。

參考文獻：

[1]張云飛.盾構隧道施工中的典型事故分析及控制研究[J].企業文化，2015.

[2]霍元盛.地鐵隧道礦山法段的回填掘進施工技術[J].鐵道標準設計，2016.