盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望

張雪

摘 ?要：盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位，現(xiàn)今該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀包括掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制、位姿控制、管片的自動(dòng)拼裝，該文提出此技術(shù)存在的問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)，如建立密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)的控制模式、制定掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略、位姿與動(dòng)態(tài)軌跡的控制、控制系統(tǒng)的集成。希望該文的研究能為施工人員提供一些借鑒性建議，保障該技術(shù)呈現(xiàn)積極的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī) ?自動(dòng)控制技術(shù) ?發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TD421.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0073-02

當(dāng)前隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口數(shù)量增多，管理人員為減少地面交通工程的施工，會(huì)實(shí)施隧道等工程的建設(shè)，盾構(gòu)機(jī)是地下工程中的主要用具，它是保障工程順利進(jìn)行的重要條件，然而地下工程中存在各種潛在的危險(xiǎn)因素，如果處理不當(dāng)，將會(huì)出現(xiàn)一系列的危險(xiǎn)事件。因此，盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)需具備智能化的特點(diǎn)，該技術(shù)不僅應(yīng)開挖土體，而且還要會(huì)糾正誤差，這樣才能獲得施工人員的大力追捧。目前，此技術(shù)雖然呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展趨勢(shì)，但是依然存在許多的不足之處，人們應(yīng)該大力改良技術(shù)，保障工程具有安全、效率高的特點(diǎn)。

1 ?國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)的研究情況

盾構(gòu)機(jī)技術(shù)已經(jīng)具有多年的發(fā)展歷史，該項(xiàng)技術(shù)發(fā)源于英國(guó)，在日本、德國(guó)進(jìn)一步發(fā)展，隨后在各個(gè)國(guó)家獲得廣泛推廣，在日本的發(fā)展速度最為快速。傳統(tǒng)的盾構(gòu)設(shè)備具有手掘式、擠壓式等形式，現(xiàn)今機(jī)械化程度已經(jīng)十分高了，盾構(gòu)機(jī)挖掘技術(shù)發(fā)生了顯著的變化[1]。盾構(gòu)機(jī)的控制技術(shù)等都已經(jīng)發(fā)展到較高的水平，各種地下工程能夠規(guī)范化地施工，同時(shí)，為拓展盾構(gòu)機(jī)的性能，各國(guó)會(huì)加大研究力度，日本與德國(guó)處于領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。技術(shù)中融入了機(jī)械化與自動(dòng)化的元素，具備自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷等功能，并適應(yīng)多種地層，如砂土層、軟涂層中都可以應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，施工隧道也大直徑化，斷面形式多樣，具有多種尺寸。盾構(gòu)機(jī)的尺寸有微小與超大兩個(gè)型號(hào)，機(jī)械中囊括了眾多的技術(shù)因素，如普遍運(yùn)用的遙控技術(shù)，促進(jìn)此技術(shù)的深入發(fā)展。我國(guó)研究盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的周期較短，研制技術(shù)落后，制約其的進(jìn)一步發(fā)展，且研制才起步，發(fā)展速度慢，發(fā)展勢(shì)頭不足，還會(huì)被各種因素影響，雖然國(guó)家已經(jīng)研制出擠壓式盾構(gòu)等機(jī)械，人們的選擇具備了多樣性，但是生產(chǎn)出的盾構(gòu)機(jī)僅能被用于地勢(shì)環(huán)境不復(fù)雜的地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域不適合。

2 ?盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1 掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)具備智能化控制的手段，然而系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)法確保，隨后人們研制出運(yùn)用模糊免疫自調(diào)整PID控制器的方法，土壓的穩(wěn)定性會(huì)增長(zhǎng)。目前，科學(xué)技術(shù)獲得穩(wěn)步的發(fā)展，機(jī)械施工參數(shù)能運(yùn)用遺傳算法開展優(yōu)化，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)被控制，土壓平衡，同時(shí)，運(yùn)用自動(dòng)識(shí)別與驅(qū)動(dòng)公路效率的技術(shù)，盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行與土體掘進(jìn)時(shí)的壓力情況將趨于優(yōu)良，參照壓力控制的具體模型，控制策略會(huì)得到優(yōu)化。此外，其在排土控制中的應(yīng)用趨勢(shì)也廣闊，排土控制的流程會(huì)不斷完善，掘進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)控制中的基本條件，根據(jù)施工中的每項(xiàng)參數(shù)，控制流程會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成良好的控制技術(shù)，施工效率得到保障，地下工程順利完工，工期被提前。

2.2 位姿控制

推進(jìn)系統(tǒng)中的液壓缸能夠控制盾構(gòu)機(jī)的位姿，控制器的性能需被合理掌控，盾構(gòu)機(jī)才會(huì)進(jìn)行自動(dòng)化控制，同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具備通用性，在各種地質(zhì)條件中都能運(yùn)行，并借助動(dòng)態(tài)載荷的理論模型，盾構(gòu)姿態(tài)影響的每個(gè)參數(shù)中都會(huì)有敏感性，控制中的精確度得到保障。每種位姿系統(tǒng)的作用效果參差不齊，而在參照不同的質(zhì)量參數(shù)的基礎(chǔ)上，地下工程施工中的地質(zhì)不安全因素不會(huì)受到影響，各種地勢(shì)條件都可以開展工程施工。

2.3 管片的自動(dòng)拼裝

手工拼裝中具有漏洞，而自動(dòng)拼裝會(huì)出現(xiàn)較少的誤差，自動(dòng)拼裝具備優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，依據(jù)盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸向的特征，運(yùn)用多環(huán)組合的手段來(lái)選擇管片的拼裝點(diǎn)，制定切向糾偏路線，研制出虛擬的管片拼裝系統(tǒng)。對(duì)于西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家，其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)拼裝的形式，運(yùn)用機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型的方法，拼裝流程會(huì)無(wú)縫銜接，盾構(gòu)機(jī)管片自動(dòng)拼裝為一個(gè)系統(tǒng)的流程，其中囊括著科學(xué)技術(shù)因素，參照具體的拼裝手段，控制流程也會(huì)具體。

3 ?盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

3.1 建立密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)的控制模式

如果密封艙的壓力失衡，隧洞開挖中會(huì)出現(xiàn)地面沉降的情況，所以它是盾構(gòu)機(jī)控制中的重點(diǎn)所在，研究人員需加大對(duì)密封艙壓力平衡的研究與資金投入力度。但是研究過(guò)程不夠細(xì)致，重復(fù)性的試驗(yàn)不是優(yōu)良的方法，合理的控制模型并未被建立，控制技術(shù)還應(yīng)被繼續(xù)改善，人們需研究控制模型中的動(dòng)態(tài)平衡目標(biāo)，控制密封艙中的壓力，使地面沉降現(xiàn)象被控制。產(chǎn)生地面沉降的最主要因素是密封艙壓力失衡，壓力動(dòng)態(tài)平衡模型不能具備精確化的特點(diǎn)，缺乏科學(xué)性[2]。良好的壓力動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)是控制中的關(guān)鍵步驟，人們可以學(xué)習(xí)西方國(guó)家的一些經(jīng)驗(yàn)，改良自身技術(shù)中的不足之處。

3.2 制定掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

艙內(nèi)土壓力值預(yù)先設(shè)定的手段為土壓控制中的主要手段，管理人員充分了解當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，調(diào)整壓力變化情況的數(shù)值，每個(gè)系統(tǒng)的工作模式各自獨(dú)立，人們自行地開展施工。為確保壓力被積極地控制，子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制策略至關(guān)重要，人們應(yīng)了解系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，合理地制定策略。盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)會(huì)獲得極大的發(fā)展，但是不具有廣泛的適用性，因此人們需要加大研究力度，進(jìn)行認(rèn)真的研究。掘進(jìn)系統(tǒng)是控制中的重點(diǎn)方面，人們應(yīng)運(yùn)用多子系統(tǒng)的控制策略，使控制變量能被調(diào)整，呈現(xiàn)非線性的模式，技術(shù)難題被控制。

3.3 位姿與動(dòng)態(tài)軌跡的控制

人工控制、模糊控制策略是位姿與動(dòng)態(tài)軌跡控制的主要方法，然而人們僅會(huì)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)開展控制工作，倘若地質(zhì)情況十分復(fù)雜，控制結(jié)果中會(huì)產(chǎn)生誤差，從而人們應(yīng)知曉盾構(gòu)機(jī)的各種參數(shù)，形成全面的控制模型系統(tǒng)，控制盾構(gòu)機(jī)所存在的運(yùn)行軌跡，控制過(guò)程會(huì)較為完善，產(chǎn)生誤差的概率小。目前，位姿控制中存在模仿性的成分，人們不會(huì)產(chǎn)生創(chuàng)新性的思維能力，專家在依靠程序化的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模型控制策略來(lái)進(jìn)行智能化控制時(shí)，如果缺乏施工記錄與施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況不能被預(yù)測(cè)與控制，不會(huì)形成優(yōu)良的實(shí)用成果。實(shí)質(zhì)上，運(yùn)用位姿控制為一個(gè)缺乏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制步驟，人們需要了解位姿的影響因素，建立控制模型，自動(dòng)控制中的優(yōu)良性會(huì)被把握，運(yùn)動(dòng)軌跡也能被考量，自動(dòng)控制的基礎(chǔ)被保障，控制流程具備科學(xué)化、規(guī)范化的特點(diǎn)，控制流程被積極地優(yōu)化。

3.4 控制系統(tǒng)的集成

子系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)中的重要組成部分，人們會(huì)實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的信息監(jiān)測(cè)與控制情況，研究該機(jī)器的性能、成本等各種因素，設(shè)計(jì)中會(huì)具備損耗程度低、地質(zhì)適應(yīng)性優(yōu)良的特點(diǎn)，保證控制系統(tǒng)的優(yōu)良性，盾構(gòu)機(jī)發(fā)展的情況符合社會(huì)的最新發(fā)展趨勢(shì)。在施工建設(shè)過(guò)程中，工程承包方需要聘用一些知曉管理技術(shù)的人員進(jìn)行工程的指揮，只有懂得管理技術(shù)的人親臨現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，提出一些建設(shè)性建議，才能促使建設(shè)工程早日完工。但是在具體的實(shí)施過(guò)程中，施工方還需要把成本等因素考慮在內(nèi)，這樣才能使工程建設(shè)向著預(yù)期的方向發(fā)展。

4 ?結(jié)語(yǔ)

為確保盾構(gòu)機(jī)的施工流程安全，自動(dòng)化地控制流程十分重要，隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，自動(dòng)化控制技術(shù)也在更改，然而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是一個(gè)長(zhǎng)期的活動(dòng)，會(huì)面臨眾多的阻力，研究人員應(yīng)針對(duì)各種技術(shù)性難題加大研究力度，盾構(gòu)機(jī)在地下工程中的作用更加優(yōu)良。

參考文獻(xiàn)

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