盾構糾偏輸出控制策略快速自學習方法*

楊宏燕

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

0 引言

盾構糾偏控制是以隧道設計軸線(DTA)為目標，結合盾構糾偏設定值和盾構姿態測量反饋值，通過調整盾構掘進分區油壓輸出值，使盾構姿態朝設定值方向變化，從而達到實際隧道軸線盡可能接近DTA的目的。

結合“超大直徑泥水平衡盾構施工軸線智能糾偏控制參數整定裝置研制與應用”的技術攻關實踐，以軟土隧道工況、施工工藝和盾構機為背景，以盾構糾偏控制輸出環節為重點，具體分析建立的盾構糾偏輸出控制策略快速自學習方法和示范工程應用效果。

1 技術現狀綜述

1.1 人工控制盾構糾偏

目前盾構施工基本采用人工控制糾偏。在新一環掘進開始前，人工根據上一環盾構糾偏實際油壓值、盾構姿態變化值和當前盾構姿態值，預估本環結束時盾構姿態目標值。在此基礎上根據經驗設置新一環的盾構掘進分區油壓值。在推進過程中，根據盾構實際姿態和各分區實際油壓適當調整個別分區的油壓值。

由于盾構糾偏控制輸出環節的控制因素復雜，人工憑經驗決定當前環糾偏控制輸出的策略中往往隱含了新的糾偏擾動因素。實際施工中，人工操作盾構糾偏輸出的控制質量具有一定的離散性，掘進過程中的盾構實際姿態相對DTA的震蕩周期和幅度取決于施工團隊的技術管理水平和盾構司機的經驗。

1.2 國內外研究現狀

如今，盾構糾偏控制技術正逐步由人工經驗朝智能控制技術方向發展。文獻[1]結合華北某區間盾構施工實例，總結了人工糾偏經驗。文獻[2]運用模糊控制理論，結合盾構糾偏控制需求進行具體探索，并用仿真數據驗證所述方法的可行性。但盾構糾偏控制因素復雜、純模糊控制方法產生大量二維關系表，未必能反映盾構糾偏的實際規則。文獻[3]在模糊控制理論基礎上，根據歷史數據推理土質與油壓關系，但仿真數據驗證方法難以證明其“推理“具有一般的規律性。文獻[4]建立按盾構工藝劃分的數據庫，建立基于大數據分析的自學習功能模塊，根據盾構姿態得出當前環糾偏策略，并結合液壓執行機構特性和土體穩定綜合因素實施盾構糾偏控制。文獻[4]是目前盾構智能糾偏控制技術最新進展之一，但未見有關大數據方法適應土質工況特點的應用條件。

1.3 盾構糾偏輸出的控制技術瓶頸

在上海北橫通道東線盾構施工過程中，第413，414，419，420環的力矩方向變化與盾構方向變化互為相反的糾偏案例表明：盾構糾偏控制輸出策略的實際糾偏效果與開挖面土質流動性密切相關。用同類盾構歷史數據預估當前糾偏策略應該是有條件的(土質及分布相近)、相對的(條件成立時可能有效)。

隧道勘探測點一般相距十幾米，開挖面土質及其分布信息是不連續的。大數據類比法缺少開挖面土質及分布的實際連續數據基礎，很難建立糾偏方向與糾偏力矩定量關系。因此，盾構糾偏輸出控制的技術瓶頸是開挖面土質及其分布的不確定性。

2 盾構智能糾偏技術

2.1 糾偏控制技術的特點與難點

盾構糾偏控制是多輸入多輸出控制系統，輸入接口包含4個姿態、6個千斤頂行程信息；輸出接口包含6個油壓信息。糾偏控制是長周期大過程控制系統，調整策略一般0.3環反饋趨勢、幾環后反饋效果。糾偏控制系統面臨開挖面不確定土質分布技術瓶頸。因此，傳統控制理論無法建立適用的糾偏控制模型。

2.2 智能糾偏控制系統構架

針對盾構糾偏難點、特點及技術瓶頸，研制的智能糾偏控制系統結構如圖1所示。

圖1 智能糾偏控制系統功能結構

建立穩態目標、本環糾偏位置預測、本環糾偏方向預測是求解控制系統目標設定值環節。“建立穩態目標”模塊以適應各類交通隧道設計軸線。“本環糾偏位置預測”模塊是本環期望糾偏目標，“本環糾偏方向預測”模塊不僅自動實現糾偏參考坐標系轉換，而且便于輸出控制環節的分步實施目標。糾偏控制輸出環節由“糾偏力矩控制”和“千斤頂油壓控制”模塊組成。

3 糾偏方向與糾偏力矩關系的自學習方法

針對軟土隧道盾構開挖面不確定土質及土質分布工況實際，建立糾偏方向與糾偏力矩關系快速自學習方法。

3.1 構建近似動態線性數據文件

以分段函數方法將糾偏方向與糾偏力矩的非線性關系轉換為局部區域內近似線性關系。在一環推進過程中，設步數(n)=凈行程/步長。步數(n)取整，當n=n+1上升為觸發記錄條件。設x是盾構方向變化實測值，xn= dζn- dζn-1表示單位控制周期盾構方向角的變化值,其中dζ為盾構方向角。y是控制步的糾偏力矩實測均值。

設計動態線性實測數據存儲器，以實現自動跟蹤最新糾偏方向與力矩實測數據。采用先進先出數據結構，用于采集和保存最近2環的盾構方向變化(xi)和糾偏力矩(yi)數據。設管片環寬2 000mm，控制步長190mm，則步數為n=1～10，2環數據共20組。一般鄰近2環土質分布變化突變概率較小，可視小區域為線性區間，以文件形式讀寫保存數據。

3.2 建立糾偏方向與力矩快速自學習方法

以最近2環盾構實測數據為數據源:盾構方向變化量xi= dζi- dζi-1、糾偏力矩為yi=fm(fm為實測盾構掘進千斤頂合力距)。小區域動態自學習回歸如圖2所示。

以最小二乘法原理推導求解糾偏向量的一次系數a0和常數a1：

a1= [n∑(xiyi) -(∑xi∑yi)]/

(1)

a0=(∑yi)/n-a1(∑xi)/n

(2)

y=a0+a1x

(3)

式中：xi，yi是最近20個控制周期采集的盾構方向變化和糾偏力矩實測值(i=1～20，n=20)。式(1)，(2)的解代入式(3)，由下一控制周期糾偏方向變化值求得糾偏力矩輸出值。

4 糾偏力矩與糾偏分區油壓關系的自學習方法

4.1 盾構油壓分區狀況

以示范應用工程上海北橫通道盾構為例，推進19組千斤頂設置6個分區油壓，6個分區油壓范圍內各配置1套千斤頂行程儀。其中，盾構底部的D區有4組千斤頂、其他各區3組千斤頂，符合盾構推進高程動態土壓梯度工況需求。但是調整B，C，E，F分區油壓會影響高程力矩，當人工調整平面力矩時產生的高程力矩耦合會形成新的操作制性擾動。

4.2 盾構實測推力矢量化分解

推進分區油壓傳感器反饋信息處理：

1) 總推力計算

F=∑nipiS

(4)

式中：ni為第i組千斤頂數量；pi為第i組千斤頂油壓；S為千斤頂活塞面積。

2) 力矩計算

My=∑nipiSRcosφi

(5)

Mz=∑nipiSRsinφi

(6)

式中：R為千斤頂分布圓半徑；φi為第i組千斤頂對應的圓心角(順時針方向為正)。

4.3 盾構糾偏力矩與推進油壓轉換

盾構機第19組千斤頂中部位置為0°，順時針旋轉18.95°是第1組(A區)千斤頂位移傳感器中心位置。盾構中心到千斤頂中心距離(半徑)7 118mm，千斤頂活塞外徑為360mm。

如圖3所示，千斤頂分區縱軸位置的對稱性，聯立千斤頂推力合力和豎向合力矩方程(見圖4)：

圖3 北橫盾構機千斤頂位置

圖4 合力及合力矩

合力：

(7)

合力矩：

2×(PBFsinθ1-PCEsinθ2)]RS×3

(8)

式中：PA～PF分別對應A區～F區千斤頂油壓(kPa)；PBF=(PB+PF)/2；PCE=(PC+PE)/2；S為每組千斤頂(3個)的面積(m2)；R為盾構中心到千斤頂中心的距離(m)；θ1，θ2分別為B區、C區中心與水平線的夾角(°)。由分區油壓成等比關系得：

(9)

(10)

解聯立方程(7)～(10)，代入θ1=33.16°，θ2=23.68°，R=7.118m，S=0.305m2，即可求得千斤頂油壓PA，PBF，PCE和PD的值。再由水平向合力矩列方程解得千斤頂油壓PB，PF，PC和PE的值。代入方程可求得下一控制周期的PA～PF分區油壓值。

5 工程應用

所建立的盾構糾偏輸出控制策略自學習方法是盾構糾偏控制裝置的關鍵技術之一，已在上海北橫通道工程東線隧道施工中全程示范應用。

5.1 應用工況

上海北橫通道東線全長3 665m，采用直徑15 560mm泥水氣壓平衡盾構施工。隧道沿線為典型沖積層軟土地質。381～480環開挖面主要是④層淤泥質黏土、⑤層黏土夾粉砂、⑥層粉質黏土、⑦層粉細砂層、⑧層灰色黏土，土質結構復雜多變。選取東線381～480環平面急轉彎特征線形的實測數據分析盾構糾偏輸出控制策略自學習方法的應用效果。

5.2 糾偏方向與糾偏力矩轉換應用效果

381～407環是R=500mm左曲線形，408～430是左緩和曲線線形，431～456環是右緩和曲線線形，457～480環是R=500mm右曲線形。

根據緩和曲線中的10環(411～420環)實測數據，可以具體反映糾偏方向與糾偏力矩的實際值、設定值的具體應用效果。根據實測數據，盾構方向變量的顯示增益為8 000，力矩顯示增益為0.008。

定義盾構向右方向的角度增量為正，定義左臂長×推力的力矩為正。每環結束的盾構方向變化實測值(鋸齒波)、每環開始時期望的盾構方向變化設定值(方波)，總體上呈收斂狀態，反映了DTA左緩和曲線的特征。第415環的設定值小于該環結束時的實測值，反映了第415環動態土壓的實際工況。第411～412環、第416～420環力矩遞增速率大于盾構方向變化遞增速率的特點。尤其是第413，414，419，420環的力矩方向變化與盾構方向變化變化互為相反的。上述動態土壓突變反饋信息狀態，由系統自學習功能自動調節為繼承優先、增益為輔的加速算法：yi=ai-1×(xi-1-xi-2)+yi-1。yi-1是上一控制周期的糾偏力矩、(xi-1-xi-2)是上一控制周期盾構方向增量，ai-1是上一控制周期的轉換系數，yi是新控制周期的糾偏力矩。

示范應用效果反映所建立的糾偏方向與力矩轉換自學習方法能及時響應隧道開挖面土質分布變化的實際工況。

5.3 盾構糾偏力矩與推進油壓轉換應用效果

根據上海北橫通道東線412～420環糾偏力矩與推進油壓轉換數據記錄，平面糾偏以左側(2區在3區上方)和右側(6區在5區上方)為主。其基本特征：上部油壓小于下方油壓。有一側的油壓與力矩變化趨勢呈同方向變化，但另一側的變化趨勢與力矩變化趨勢呈反方向變化。上下2層之間變化的幅度與高程力矩變化幅度相關。高程糾偏以上部(1區)和下部(4區)為主，高程糾偏底部油壓大于上部油壓。

由于埋深與壓力梯度關系，盾構底部分區的千斤頂個數大于其他分區的千斤頂個數。人工調節平面油壓會影響高程力矩。采用盾構糾偏力矩與推進油壓自動轉換方法可避免人工操作可能產生耦合擾動，具有自動解耦應用效果。

6 結語

盾構糾偏輸出控制策略快速自學習方法在上海北橫通道中得到了應用，其獲得以下成果。

1)突破了盾構開挖面不確定土質分布的共性技術難題 動態數據庫為式(1)～(3) 提供分段線性數據的應用條件，可在2環范圍內自動適應土質分布變化，具有快速自學習技術性能。

2)抑制了盾構糾偏控制主要擾動因素 式(7)根據當前實際油壓計算的總推力作為糾偏新策略的自變量常數，使各分區油壓調整前后的總推力保持不變，具有不干涉土壓平衡控制系統的技術性能。

3)具有較高的技術創新質量 北橫通道東線全程示范應用數據反映：糾偏輸出控制策略技術創新點具有明顯的實用性和通用性。