李志揚

[摘 要]在隧道等地下施工中專用的工程機械之一的盾構(gòu)機正在向著高效、自動化、智能化的技術(shù)方向發(fā)展。本文對盾構(gòu)機的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行簡要闡述，主要圍繞盾構(gòu)機掘進(jìn)系統(tǒng)、自動控制技術(shù)、控制系統(tǒng)的控制策略等展開論述。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)機；掘進(jìn)系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）02-0131-01

盾構(gòu)機的主要組成部分包括推進(jìn)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)等。在隧道、礦山、巷道等工程中的開挖工序中起到很大的作用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，盾構(gòu)機已經(jīng)發(fā)展成為集機電、自動化、智能化為一體的工程機械設(shè)備。我國對盾構(gòu)機的使用和研究，主要圍繞著地面沉降、掘進(jìn)進(jìn)程、位姿自動控制、襯砌進(jìn)行，目前這幾個方面的技術(shù)水準(zhǔn)已經(jīng)完全能夠適應(yīng)工程需要并大量在工程中使用。

1、盾構(gòu)機自動控制系統(tǒng)的研究概述

我國對于盾構(gòu)機技術(shù)的研究從上世紀(jì)五十年代開始，經(jīng)過試驗與實踐已經(jīng)逐步取得了卓有成效的成果。從擠壓式盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)到如今的自動化智能化控制的大型盾構(gòu)設(shè)備，在硬件和軟件的改進(jìn)與優(yōu)化上進(jìn)行了多種形式的探索和實踐，如今依然在盾構(gòu)機控制技術(shù)上進(jìn)行著深入的研究，可以說，我國盾構(gòu)機設(shè)備和技術(shù)雖然與國際發(fā)達(dá)國家的水平還有一定的距離，但是關(guān)于盾構(gòu)機適應(yīng)地質(zhì)條件和環(huán)境要求的設(shè)計制造活動從未停止過。

盾構(gòu)機的工作原理運用到的控制理論，是與自動化技術(shù)密不可分的。包括盾構(gòu)掘進(jìn)、位姿控制、沉降控制、測控導(dǎo)向等在內(nèi)的技術(shù)已經(jīng)完全達(dá)到了較高的自動化程度。

1.1 掘金系統(tǒng)的自動控制

掘進(jìn)系統(tǒng)的自動控制由刀盤、推進(jìn)、排渣等子系統(tǒng)的自動化控制完成操作。采用構(gòu)建模型的方法對這種自動化控制進(jìn)行研究，可以分析出其密封狀態(tài)下壓力梯度的分布情況：

pe為盾構(gòu)土倉壓力，F(xiàn)為盾構(gòu)機的總推力，v為盾構(gòu)推進(jìn)速度，ns為螺旋輸送機轉(zhuǎn)速。

上述模型主要描述的是掘進(jìn)參數(shù)施工要素間的控制值函數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平衡控制模型演示盾構(gòu)機掘進(jìn)進(jìn)程，對盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析，得到了開挖面土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)總的力學(xué)原理，建立了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)學(xué)物理模型。闡述了幾個施工參數(shù)之間的本質(zhì)關(guān)系，推導(dǎo)出出土率、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系，得到了盾構(gòu)總推力、推進(jìn)速度、輸送機轉(zhuǎn)速和土倉壓力等掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

n0為咯算輸送機轉(zhuǎn)速，F(xiàn)f為推進(jìn)時的總阻力。

1.2 掘進(jìn)系統(tǒng)的控制策略，采用的是智能控制方法。對于掘進(jìn)系統(tǒng)的智能控制策略，通過調(diào)整規(guī)則和隸屬度函數(shù)，已經(jīng)建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)開挖面土壓平衡控制系統(tǒng)的最優(yōu)函數(shù)。可以推算出盾構(gòu)機掘進(jìn)系統(tǒng)中的最優(yōu)的推進(jìn)速度和螺旋輸送機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了對千斤頂推理和螺旋輸送機轉(zhuǎn)速的智能化控制。在這一智能化推進(jìn)系統(tǒng)中，盾構(gòu)推進(jìn)的過程可以分為若干個階段，每個階段都使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模擬[1]。得到了盾構(gòu)機在隧道施工中的出現(xiàn)地面沉降時各個階段發(fā)生的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型中的數(shù)字參數(shù)得到了相應(yīng)的控制方法。有學(xué)者認(rèn)為采用自整定PID控制技術(shù)，對螺旋輸送機的排土進(jìn)行自動智能控制效果較好。

1.3 位姿控制可以通過控制推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸實現(xiàn)。其工作原理是建立卡爾曼濾波理論基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計學(xué)理論建立的自回顧預(yù)測控制模型。通過檢測系統(tǒng)測量到的位姿數(shù)據(jù)，對液壓缸的開關(guān)模式進(jìn)行自動選擇，達(dá)到控制盾構(gòu)機的位置和角度的目的。這種自動化控制系統(tǒng)綜合了人工智能和模糊理論，對施工中的實時偏差可以進(jìn)行自動測量，得到千斤頂?shù)募m偏控制量，實現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)的自動控制。

1.4 管片的自動拼裝引入了機器人拼裝技術(shù)。包括管片的輸送、拼裝機鉗住管片、管片就位、接頭螺栓的自動穿孔等工序的自動化，均可由機器人來進(jìn)行操縱，而且機器人操控已經(jīng)實現(xiàn)了對管片拼裝的高精度和全自動控制。

2、盾構(gòu)機自動化控制存在的問題分析

作為機械、土木、電氣、信息等多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)之集大成的盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備，在全自動、信息化施工中，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但與國際先進(jìn)技術(shù)水準(zhǔn)相比，還存在很多亟待解決的難題要攻克。

2.1 地面沉降與密封艙壓力失衡有關(guān)系。針對這一關(guān)鍵技術(shù)，很多學(xué)者進(jìn)行了多種針對密封艙壓力動態(tài)平衡控制機理的試驗，都未能獲得精準(zhǔn)和普適性較強的模型。因此，密封艙壓力控制技術(shù)到目前為止依然處在不成熟的階段。如何針對掘進(jìn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)的控制機理進(jìn)行耦合關(guān)系的分析，得到建立在密封艙壓力動態(tài)平衡基礎(chǔ)上的控制模型，對于使地面沉降達(dá)到自動控制精度要求具有非常重要的意義。

2.2 現(xiàn)行的土壓平衡盾構(gòu)機的土壓控制是需要設(shè)定密封艙內(nèi)的土壓力值的，而且要不斷觀測地表沉降、密封艙壓力變化等的參數(shù)變化才能推進(jìn)。調(diào)節(jié)方式一般是通過手工完成。者與密封艙壓力的高精度、高效控制的要求還相差甚遠(yuǎn)。目前要解決的重大技術(shù)客體就是對盾構(gòu)機子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系、控制參數(shù)、密封艙壓力變化的映射關(guān)系進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，研究冗余輸入和多維約束條件下的非線形強耦合掘進(jìn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制如何實現(xiàn)自動和智能化。

2.3 盾構(gòu)機的位姿控制理論和方法前文已經(jīng)詳細(xì)進(jìn)行過闡述，不多贅言。采用機器人模仿的邏輯推理和決策過程，將操作和控制經(jīng)驗通過程序化加以智能操作，以取代人工操作，是目前施工中常用的手法。但是如果遇到復(fù)雜和地質(zhì)情況，智能化仿人控制程序會出現(xiàn)難以預(yù)測和控制盾構(gòu)位姿的情況。而且從目前的使用效果來看，在非完整的約束欠驅(qū)動系統(tǒng)的位姿控制至今沒有取得普遍的實用效果。因此，應(yīng)對盾構(gòu)掘進(jìn)的過程運動目標(biāo)軌跡的優(yōu)化算法進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃，以實現(xiàn)盾構(gòu)機位姿和軌跡自動控制的目標(biāo)[2]。

2.4 對盾構(gòu)機各個子系統(tǒng)的實施檢測和控制，要考慮盾構(gòu)掘進(jìn)機的多驅(qū)動源、執(zhí)行元件等特點，采用高性能、低能耗的方法，研究處多源驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的相互關(guān)系，包括胸痛控制參數(shù)、能耗映射規(guī)律等等。多進(jìn)行以掘進(jìn)性能、節(jié)能偉約束條件的掘進(jìn)裝備的集成優(yōu)化控制系統(tǒng)的創(chuàng)新形試驗，以達(dá)到適應(yīng)不同地質(zhì)的實時檢測、信息融合、協(xié)調(diào)控制的掘進(jìn)施工目的。

結(jié)語

本文對盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的掘進(jìn)系統(tǒng)、位姿自動化控制等發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，也提出了現(xiàn)實盾構(gòu)機自動化、智能化系統(tǒng)中存在的技術(shù)難題和科學(xué)挑戰(zhàn)。今后需要進(jìn)一步攻克裝備的關(guān)鍵問題，以達(dá)到大型盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝備的安全、高效、節(jié)能的集成優(yōu)化目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郇利民，侯德超，張兵等.盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].科技與企業(yè)，2014，（1）：281-281.

[2] 石玉璽.盾構(gòu)機自動控制技術(shù)的應(yīng)用研究[J].技術(shù)與市場，2016，23（11）：115.