盾構機自動控制技術現狀分析及展望

楊雄

【摘要】為了滿足大眾出行的基本需求，緩解地面交通擁擠狀況，我國正在大力開發和興建地下隧道、巷道工程。盾構機是地下工程中最常使用的一種機械設備，其主要使用在隧洞的開挖掘進環節，并且發揮著不可替代的作用。為了有效地避免地下施工作業的危機，盾構機目前趨向于自動化、智能化控制，可以說目前的盾構機是集信息、機電、自動控制與液壓等技術為一體的新型智能化機械設備，不僅可以對土體進行挖掘、輸送，還可以對施工進行導向指引和糾正偏差。近幾年，我國正在大力推動盾構機自動控制技術的發展，但是實際施工中自動控制的盾構機還是離不開人員的操作，因此，需要進一步加強完善和優化。本文主要通過淺述盾構機自動控制技術的現狀，從而根據現狀分析情況來展望盾構機自動技術的未來發展。

【關鍵詞】盾構機；自動控制技術；現狀；展望

盾構機是用于隧道地下工程的重要機械設備，其對隧道地下挖掘工作有著極大的促進作用，因此，應該充分發揮盾構機的最大效益。由于地下施工環境相對惡劣，地下工程施工不僅難度大，并且危險系數高。為了保障地下工程施工人員的安全，應該大力投入自動控制技術盾構機的使用，通過先進技術和先進設備來有效地避免安全隱患，最大限度地提升挖掘作業的效率。

1、盾構機自動控制技術現狀分析

1.1位姿控制

通過控制液壓缸的平衡來實現對盾構機的位姿控制，20世紀80年代，盾構機的位姿控制不僅建立了特定的控制模型，還積極引入了卡爾曼濾波理論的應用，此后，中外專家和研究學者投入到對盾構機位姿控制的深入研究當中。李慧平等專家在傳統盾構機控制系統的基礎之上，對模糊控制器的設計方案導入了“先分后合”的理念，這樣可以有效地提高控制器的調節性能。然后，盾構機位姿控制系統還引入了LabVIEW技術的應用，并且在模糊控制器的基礎上研究出千斤頂糾偏控制量，從而有效地推動盾構機進入自動化的發展潮流中。

1.2管片的自動拼裝

傳統的手動管片拼裝存在著許多缺陷，因此，應該大力推動自動管片拼裝的發展，不僅可以減少施工工序，還可以提高施工的精確性和效率度。20世紀80年達，日本是最開始研究自動管片拼裝的國家，此后，各國紛紛進入自動管片拼裝技術研究。國際隧道協會專門為隧道管片的拼裝建立了相關設計機制，目前，發達國家已經全面進入了管片自動拼裝的時代，通過機器人動態模型來協助管片全自動拼裝的過程。

1.3盾構機掘進系統的自動控制

盾構機掘進系統是一種智能化的控制模式，20世紀90年代，盾構機的土壓平衡還需要通過建立模糊控制理論來保障，但是總體系統還是處于不穩定的狀態。通過不斷地創新和改良后，專家們通過遺傳算法改良了盾構機的施工參數，同時還加強了螺旋輸送機的控制能力，從而有效地提升盾構機的土壓平衡性。另外，隨著智能技術的不斷升級，自動識別技術和驅動公路效率技術快速地投入到自動化控制盾構機系統中，不僅可以自動分析土體挖掘情況和挖掘時土體的壓力分布情況，還可以自動控制和選擇使用何種推進系統。

2、盾構機自動控制技術展望

2.1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。

2.2位姿控制和運動軌跡動態規劃

目前，盾構機位姿系統的控制理論和控制方式都是以人的邏輯思維和行為模式為基礎，通過將操作者的操作過程和控制經驗進行參數化和程序化后，就可以利用模糊控制策略來實現自動化、智能化操控。這一切都是建立在具備施工記錄和施工經驗的前提下，若不具備這一有利條件，一旦遇到較為復雜的地形環境和施工工序，盾構機的位姿控制就難以得到有效保障，這也是至今盾構機無法全面實現自動化控制的主要原因。若要實現自動化位姿控制，則要先分析相關影響因素，再建立專業的控制模型，在非完整欠驅動的前提下完成局部可控，最后再求取最優良的位姿控制規律。另外，在研究掘進運動的運動軌跡時，應該使用多目標優化算法，這樣不僅可以體現運動軌跡的動態規律，還可以建立軌跡自動跟蹤系統。

2.3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。

2.4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。

結語：

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。

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