盾構機自動控制技術的初步探討

李子剛

（北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司，北京 100070）

為了滿足日益增長的生活需求和經濟發展需要，我國逐漸增加了地下隧道等工程的建設數量。在實施地下工程建設時，盾構機的應用頻率較高。其可以重點在挖掘隧洞環節發揮優勢功能。為提升地下作業的安全性，該設備日益向自動化和信息化方向發展。當前，盾構機是集合信息、自控和液壓等多種技術的新型設備，不但能夠完成土體的挖掘、傳送，還可以對工程的實施方向和錯誤進行糾正。

1 盾構機自動控制技術現狀分析

1.1 盾構機掘進系統的自動控制

設備的掘進系統能夠實現智能化的控制。早在20 世紀90 年代，實施土壓平衡還需借助模糊控制的理論作為實施保障，且系統的穩定性也較差。通過后期的創新實踐研究，技術人員采用遺傳算法的形式對設備的參數進行了優化，此外，還提升了螺旋輸送機的控制功能，全面提高了盾構機設備的土壓平衡性。在智能化技術的推進下，將自動識別和驅動公路效率等相關技術在自控盾構機系統中進行了全面應用，不但能自主分析挖掘的實施情況，以及外挖掘對土壤壓力的分布，還能自主控制并確定使用的推進系統類型。通過構建壓力模型和引入具有修正偏差的技術，促進設備液壓缸及控制系統能夠實現自動化的管理效果。

1.2 位姿控制

技術人員可以從對液壓缸的平衡性的控制入手，實現對盾構機位姿的同步管理。在20 世紀80 年代，對盾構機位姿的控制不但形成了控制模型，還將卡爾曼濾波理論引入應用中。此后，相關研究人員便對設備的位姿控制開展了更深入的研究。相關專家以傳統設備控制系統為基礎，應用先分后合的思想對模糊控制器進行方案設計，有效提升控制器的調節功能。此后，盾構機的位姿控制系統還使用LabV IEW 技術，基于模糊控制器的研究計算出千斤頂的糾偏控制量，以此大力推動盾構機步入自動化的行列。

1.3 管片的自動拼裝

使用傳統方式完成管片的拼裝，確實存在較多的問題。因此，推進自動管片拼裝技術的應用，不但能夠簡化工序流程，還能提升工程實施的精準度。在20 世紀80 年代，最先使用該項技術的國家是日本，此后，其他國家也逐漸更多關注到此類技術的研發與應用領域。國際相關協會組織還專門針對隧道管片形成相應的機制。當前，發達國家已經處于管片自動拼裝使用的成熟階段，可以借助動態模型實現對管片的自動安裝。

2 盾構機自動化控制存在的問題分析

盾構掘進設備在目前來講是較為前沿的設備類型，其綜合了土木、信息等多領域的技術，在全自動的工程實施過程中，已經表現出較為明顯的優勢。但與國際先進水平相比，還有一些難題需要解決。

2.1 密封艙壓力控制技術不成熟

地面出現沉降和密封艙的壓力失衡有關。對此，多數研究人員已經就密封艙動態平衡控制進行了多元化的探索，均未能總結出精準度和應用范圍更廣的模型。因此，密封艙技術發展至今，也難以上升到成熟水平。如何對掘進系統分支的控制機理進行耦合關系分析，基于密封艙壓力動態平衡進行控制模型，提升地面沉降的自動控制效果具有更深遠的影響。

當前，盾構機的土壓控制需設置具體的壓力值，且需隨時監測地表的沉降和密封艙壓力變化，依據具體的參數進行實施推進。通常通過手動方式完成調節。但這與高精度和控制效果的目標還有一定的距離。當前，重要研究目標為盾構機所有子系統之間的控制參數、密封艙壓力變化等的優化，在冗余輸入和多維度的約束條件下，如何實現對強耦合控制系統的控制，達到理想的智能化效果。

2.2 高精度、高效控制不完善

對于盾構機的位姿控制已經在上文做出了詳細分析，通過機器人模仿的推理和決策對操作進行程序化的模仿實施，從而以智能化的技術代替人工，在當前的施工中應用率較高的方式。但如果施工區域的地理環境較為復雜，智能化的自動程序便會在預測和控制位姿等方面出現偏差。同時，從當前的應用效果分析，約束欠驅動系統對位姿的控制還未實現更大范圍的應用，因此，應動態設計盾構機掘進的線路，從而實現對軌跡等進行自動化的控制。

2.3 集成控制系統需要優化

在實施盾構機各個子系統的檢測時，需同時考慮執行元件等方面的特征，使用性能較高且能量消耗較小的方式，深入研究多源驅動和控制系統之間的聯系，包括能耗映射規律等方面。此外，還需反復對掘進性能等裝備的控制系統進行不斷優化和創新，從而使其適應各類性質的檢測和信息整合，達到對施工過程的協調控制。

3 盾構機自動控制技術展望

3.1 控制模型創建

地面出現沉降，主要由于盾構機密封艙的壓力失衡，因此對實施盾構實際技術開展相關研究也成為當前研究人員的主要方向。當前，我國還未形成可靠性更強的控制模型，難以實現大范圍的應用，技術也不夠完善。對此，研究人員需在今后的研究中進一步深化對機理對應的耦合關系的研究，形成以密封艙壓力平衡為總體目標的模型，綜合使用各類控制時藕斷實現對密封艙的控制，從而實現地面沉降的精度標準。

3.2 位姿控制和運動軌跡動態規劃

當前，對位姿系統的控制理論及方式均以人類的思維為基礎實施的模仿，對操作者的具體實施流程和控制方面的相關經驗進行參數化整理，便可以在模糊控制理念的指導下完成自動化操作，并以形成的完善的記錄和經驗素材為基礎實施。如果不具有上述條件，盾構機的位姿控制一旦在復雜程度較高的環境下實施，便會導致控制效果不佳，這也是自動化難以大范圍應用的根本原因。如果想得到理想的位姿控制效果，便需先分析能夠對控制效果產生影響的因素，此后，形成相應的控制模型，在非完整的調價下實現對局部的有效控制，再計算出最優化的位姿控制方法。此外，在實際研究掘進運動軌跡時，通常可以使用多目標的運算方式進行，這種方式不但能夠明確反映出運動軌跡的規律，還可以對軌跡進行自動的跟蹤，從而實現理想的控制效果。

3.3 系統集成和優化

多個子系統若想實現信息的控制和共享等功能，便需基于盾構自身的特點出發，在實施控制系統的創設時，將性能、成本和能耗方面的指標作為總體的追求目標。以這種指導思想實施系統建設，需進一步加強對多元驅動系統的研究，將掘進性能及節能等方面的因素作為限制性條件，支持各類地質優化控制系統，這也可以作為盾構技術在未來的核心發展目標。

3.4 掘進系統協調控制

目前，實施土壓控制需提前設置壓力參數，在實施的過程中參照沉降等設施進行優化調節。此外，每個子系統的運行均是獨立的，大部分系統需通過手工方式完成調節，可見這種調節方法難以適應當前的技術發展要求，表現出明顯的落后特征。盾構密封艙的壓力其實是由各個子系統通過耦合最終確定，因此，為了切實其設施能夠控制的精確性，該系統則需對多個子系統進行綜合的協調和控制，從而應用更適用的方式對子系統的運行進行有效的監控，最終保證變量獲得及時的改進和優化。以某地區的地鐵項目的盾構區間來說，該項目中的盾構掘進是通過人工方式對中央的控制實現的，技術人員對正面土壓力進行計算得出最終的結果。在整個工程的實施過程中，需在盾構機的上下和正面位置設置土壓和水壓傳感平衡系統，同時，在盾構機前設置巖土勘探系統。當出土的閘門啟動后，便可以同步啟動傳送機、輸送等，推動千斤頂，并對其機芯能夠油壓調控。到此環節，刀盤會完成土體的切削，從而保證盾構處于前行的運行狀態。此前設定的正面土壓力會決定此時的出土和掘進速度，對其進行人為的控制。整個系統表現出較高的協調性，最終輔助盾構按照設計的軸線完成推進。

4 結語

科技的發展帶動了計算機技術在多領域發揮優勢功能，隨著研究深度的不斷加強，盾構機在未來的應用中必然會實現全自動的施工，達到更高的安全性和有效性。此外，還可以大幅節省人力和物力成本，在施工期限方面也做到了合理壓縮，為施工方創造更高的經濟收益。但受到各類因素的影響，盾構機技術在實際應用過程中也會凸顯一定的問題，需要研究人員加大研究力度，不斷探索出更科學的解決措施，從而促進該項技術能夠大范圍應用到具體的項目施工中，有效代替人工完成高難度的施工項目。