TBM噴混自動控制技術研究及應用

蔡 杰

(中國鐵建重工集團股份有限公司,湖南 長沙 410100)

0 引言

隧道支護是隧道掘進機(tunnel boring machine,TBM)施工的重要環節[1]。混凝土噴射是巖石TBM隧道施工中初期支護的常用方法,常用于具有一定自穩性的硬巖地質隧道襯砌和加固[2-3]。為了提高施工的效率和質量,國內外很多專家、學者對噴混系統進行了深入研究。王鵬星等[4]分別對橋架式和滑靴式混噴結構進行分析,總結其適用范圍及優缺點,并提出一種新型混噴結構。該結構適用于直徑為5～7 m范圍的隧洞。李新成[5]通過對TBM噴混系統在吉林某工程應用情況的考察、分析,針對其在施工中出現的問題進行整改,提高了TBM在工程環境中的適應性。劉宏宇[6]通過總結噴混施工的技術和經驗,推動了施工效率的提升。陸帥等[7]研究了濕噴混凝土質量同混凝土泵、管路配置、混凝土配比和操作方法等環節的關系,并通過對各環節的控制,優化濕噴的質量、成本及施工進度。張曉楠[8]通過優化單線鐵路隧道中機械手濕噴混凝土施工的混凝土配合比和噴施工藝,增強了濕噴混凝土施工的工程質量。Samir Nabulsi等[9]研究了噴混自動控制方法來提升噴混施工質量。

綜合看來,對于TBM噴混系統,國內研究主要通過改進施工工藝與噴混設備結構以提高施工質量,有關TBM噴混系統施工自動化技術的研究較少。而國外多采用機器人控制技術實現TBM噴混系統的自動化施工,研究起步較早。但進口設備存在成本高、生產周期長等諸多弊端,嚴重制約了TBM設備的市場競爭力。故對TBM噴混自動控制技術進行研究能有效推進國內掘進設備的智能化進程,提升國產產品的市場競爭力。

本文通過分析TBM噴混系統的結構,建立運動學模型,獲取各關節值與末端噴炬在基坐標系下空間位姿信息之間的對應關系,并在此基礎上自動規劃噴混系統的作業軌跡,以控制設備按照作業軌跡自動完成混凝土噴射施工作業。TBM自動噴混系統實現了噴混作業的自動化施工,有效提高了施工效率和施工安全性,同時也推動了TBM支護施工的智能化發展。

1 TBM噴混系統現狀

TBM在對具有一定自穩性的硬巖工況進行施工時,隧道的襯砌和加固由專用的噴混系統完成。隧道支護質量的優劣直接影響隧道的受力和施工安全。TBM專用噴混系統是整機的關鍵部分。TBM專用噴混系統的工作原理是將配好的混凝土通過泵送系統輸送到噴射臂末端,與霧化的速凝劑混合,在高壓空氣的作用下形成噴射束;噴射束噴射到待噴涂區域,在隧道洞壁形成混凝土支護層。

目前,TBM混凝土噴射工作主要由人工操作完成。施工現場能見度低、干擾因素大,依靠人工觀測進行的噴混施工質量不穩定。待噴混隧道壁的圍巖存在坍塌、跌落風險,給進行噴混作業的人員帶來極大的安全威脅。噴混系統工作時,需多機構配合運動,人工操作的工作量大、施工耗時長、效率不高、噴混不及時,拖慢了施工進度。因此,TBM噴混自動控制技術的研究是實現TBM智能化作業的必要條件。

2 TBM噴混系統自動控制理論

針對第1節所述傳統噴混系統存在的問題,本文提出了1種TBM噴混自動控制系統。該系統包括混凝土輸送泵、速凝劑泵送系統、液壓驅動系統、噴混機械手、電氣控制系統和附件平臺等6個部分。TBM噴混系統結構如圖1所示。

圖1 TBM噴混系統結構

噴混系統由平移大車、旋轉小車、噴射伸縮臂、噴頭組成。平移大車與噴射伸縮臂進行噴混的隧道軸向運動。旋轉小車進行隧道圓周方向運動。噴頭可進行左右擺動、上下俯仰及圓錐掃動運動。為實現噴混自動控制,需根據噴混系統結構建立其運動學模型,并構建噴混系統各關節運動量與末端位置間的映射關系。

噴混系統各關節傳感器位置分布如圖2所示。

圖2 噴混系統各關節傳感器位置分布

基于運動學模型,可根據噴混系統各關節傳感器測量的運動量數據實時求出末端噴炬的空間位置信息。結合關節的運動學空間軌跡規劃,可使TBM噴混設備按照設定的工作軌跡限定條件,自動完成運動軌跡規劃,并控制噴混系統各關節動作自動完成混凝土噴射施工。

2.1 運動學模型的建立

本文對TBM噴混系統的結構進行研究。由于存在較多平行關節,本文根據修正的Denavit-Hartenberg(modified Denavit-Hartenberg,MDH)參數法,建立了如圖3所示的噴混系統各關節坐標系。

圖3 噴混系統各關節坐標系示意圖

噴混系統運動學模型共有5個關節,包含2個平移關節與3個旋轉關節。各關節的坐標系之間,1個坐標系相對于另外1個坐標系的定位參數定義如下[10]。

①ai是沿著xi軸從zi軸移動到zi+1軸的距離。

②αi是繞著xi軸從zi軸旋轉到zi+1軸的角度。

③di是沿著zi軸從xi-1軸移動到xi軸的距離。

④θi是繞著zi軸從xi-1軸旋轉到xi軸的角度。

為避免相鄰2個關節公稱平行時關節軸姿態的微小變化而引起Denavit-Hartenbrg參數的巨大變化,需增大βi參數(繞yi軸從zi-1軸旋轉到zi軸的角度),并根據噴混系統運動學模型建立MDH參數。MDH參數如表1所示。

表1 MDH參數

(1)

末端噴炬坐標系相對于5關節坐標系的變換矩陣為:

(2)

由式(2)可得到噴混系統末端噴炬坐標系相對于基坐標系的變換矩陣:

(3)

由式(3)可建立噴混系統的正運動學模型。

2.2 逆運動學求解

已知噴混系統末端噴炬的目標位姿,需要求出達到該位姿時各關節的動作量。本文采用數值方法中的牛頓拉夫遜迭代法進行逆運動學求解[12]。

首先,根據目標位姿DT與實際位姿D,求取微分運動矢量,計算微分運動矩陣:

Δ=D-1·DT-I

(4)

然后,根據Δ中對應元素可求得微分運動向量Df。Df連同構建的雅克比矩陣的偽逆J+,求取各關節的微分變化量qd。

qd=J+·Df

(5)

最后,通過循環迭代的方式求出逆運動學的解。

2.3 噴混作業路徑規劃

噴混系統運動軌跡如圖4所示。

圖4 噴混系統運動軌跡

TBM噴混自動控制系統的運動軌跡規劃包括連續路徑運動軌跡規劃和點到點運動軌跡規劃。連續路徑運動軌跡規劃時,需要考慮整個運動軌跡。而點對點運動規劃則需要考慮特定位置的點,如起始點、目標點以及必須經過的中間路徑點等。

連續路徑規劃以坐標系O-XYZ為基礎坐標系,規劃的軌跡為A→B→C→D→E→F。A、B、C、D、E、F的各點坐標通過計算關節初始值、目標值以及軌跡步長得出。

點對點運動規劃要求噴混系統運動速度為定值,因此在進行軌跡規劃時需要采用線性插值方法。在水平軌跡的啟動點和停止點的領域內增加一段高階多項式,使得噴混系統在整個軌跡上的位置、速度和加速度均連續,運動更加平穩。

由于AB段、BC段、CD段、DE段和EF段的軌跡規劃方法相同,本文在對點對點運動規劃研究時以AB段的軌跡為例進行分析。高階多項式過渡的線性插值法在軌跡AB段兩端利用高階多項式過渡,中間利用直線插值。其中,高階多項式過渡段的位置對稱。高階多項式過渡線性插值如圖5所示。

圖5 高階多項式過渡線性插值示意圖

圖5中:tA和qA分別為高階多項式到直線過渡的時間點和關節位置。噴混系統要求按照規劃軌跡AB作勻速運動,因此在進行軌跡規劃時應使過渡時間盡量短、過渡位置盡量接近初始位置。

在高階多項式過渡線性插值方法中,本文定義噴混系統的位置q(t)為:

q(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

(6)

式中:a0、a1、a2、a3、a4、a5均為多項式系數;t為運動時間。

噴混系統的速度和加速度可表示為:

(7)

(8)

式中:t0為起始時刻;tf為終止時刻。

本文求解式(8)可得:

(9)

根據求得的高階多項式系數a0、a1、a2、a3、a4、a5,即可得到噴混系統的插值軌跡和過渡點位置。

本文基于運動學模型規劃合適的運動軌跡。噴混系統在依照該軌跡時,噴射的混凝土能高效、完整且厚度均勻地覆蓋待噴面。

根據噴混系統正運動學建模、逆運動學求解、噴混作業路徑規劃等關鍵技術,可實現TBM混凝土噴射工作自動化作業由人工操作的機械化向自動化轉型,以提高TBM整體施工的安全性和效率。

3 TBM噴混自動控制系統的應用

TBM噴混自動控制系統已在新疆某巖石TBM施工項目上進行了現場測試。隧道施工采用濕噴法進行噴射混凝土作業。在噴混作業前必須首先對待噴面進行預處理,利用高壓水或高壓風對巖面進行洗吹;然后,對超長的桿體進行切除處理,確保受噴面潔凈平整;最后,當待噴面驗收合格后,在待噴面表面埋設厚度標識。若巖面地下水較多,一般采用出水點封堵、接排水管或在巖面鑿溝引水等方式進行處理,再用高壓水自上而下沖洗待噴面,使待噴面接近飽和狀態。若有剝落部分,則噴射混凝土以填平該部分。對于軟弱破碎圍巖,則需在護盾后利用小型干噴機初噴混凝土封閉圍巖,待該段進入噴混橋后,采用噴混系統復噴至設計厚度。噴射混凝土支護作業由TBM噴混系統完成,按照施工工藝分段、分片、分層自下而上依次進行。分層噴射混凝土時,后一層噴射需在前一層混凝土終凝后進行。TBM噴混自動控制系統可根據輸入的規劃參數自動規劃出噴混作業軌跡,并計算輸出各關節的目標運動量,通過安裝的各關節傳感器實時測量關節運動量作為控制反饋,以控制各關節運動,從而自動完成混凝土噴射施工作業。在執行自動噴混作業時,上位機界面實時監控當前噴混作業狀態,以保證噴混施工效果。現場作業完成后的混凝土層厚薄均勻、噴射面平整,符合預期要求。

4 結論

本文針對傳統人工操作噴混系統存在的效率低、質量差、風險高、智能化程度低等問題,提出了一種TBM噴混自動控制系統。首先,本文對TBM噴混系統結構進行分析,在此基礎上建立正、逆運動學模型,得到各關節值與末端噴炬在基坐標系下的空間位姿信息之間的對應關系。然后,根據運動學模型及設定的作業軌跡規劃參數,自動規劃出噴混系統的合適工作軌跡,使設備的自動工作范圍能高效、完整地覆蓋待噴面。

實踐表明,本文提出的TBM噴混自動控制系統不但滿足施工質量要求,而且能有效提高施工效率和施工安全性、降低材料的浪費,為促進TBM施工的智能化提供助力。