文/楊雄 中鐵十八局集團軌道交通工程有限公司 廣西南寧 530000

盾構(gòu)機是用于隧道地下工程的重要機械設(shè)備，其對隧道地下挖掘工作有著極大的促進作用，因此，應(yīng)該充分發(fā)揮盾構(gòu)機的最大效益。由于地下施工環(huán)境相對惡劣，地下工程施工不僅難度大，并且危險系數(shù)高。為了保障地下工程施工人員的安全，應(yīng)該大力投入自動控制技術(shù)盾構(gòu)機的使用，通過先進技術(shù)和先進設(shè)備來有效地避免安全隱患，最大限度地提升挖掘作業(yè)的效率。

1、盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 位姿控制

通過控制液壓缸的平衡來實現(xiàn)對盾構(gòu)機的位姿控制，20世紀(jì)80年代，盾構(gòu)機的位姿控制不僅建立了特定的控制模型，還積極引入了卡爾曼濾波理論的應(yīng)用，此后，中外專家和研究學(xué)者投入到對盾構(gòu)機位姿控制的深入研究當(dāng)中。李慧平等專家在傳統(tǒng)盾構(gòu)機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，對模糊控制器的設(shè)計方案導(dǎo)入了“先分后合”的理念，這樣可以有效地提高控制器的調(diào)節(jié)性能。然后，盾構(gòu)機位姿控制系統(tǒng)還引入了LabVIEW技術(shù)的應(yīng)用，并且在模糊控制器的基礎(chǔ)上研究出千斤頂糾偏控制量，從而有效地推動盾構(gòu)機進入自動化的發(fā)展潮流中。

1.2 管片的自動拼裝

傳統(tǒng)的手動管片拼裝存在著許多缺陷，因此，應(yīng)該大力推動自動管片拼裝的發(fā)展，不僅可以減少施工工序，還可以提高施工的精確性和效率度。20世紀(jì)80年達，日本是最開始研究自動管片拼裝的國家，此后，各國紛紛進入自動管片拼裝技術(shù)研究。國際隧道協(xié)會專門為隧道管片的拼裝建立了相關(guān)設(shè)計機制，目前，發(fā)達國家已經(jīng)全面進入了管片自動拼裝的時代，通過機器人動態(tài)模型來協(xié)助管片全自動拼裝的過程。

1.3 盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)的自動控制

盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)是一種智能化的控制模式，20世紀(jì)90年代，盾構(gòu)機的土壓平衡還需要通過建立模糊控制理論來保障，但是總體系統(tǒng)還是處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。通過不斷地創(chuàng)新和改良后，專家們通過遺傳算法改良了盾構(gòu)機的施工參數(shù)，同時還加強了螺旋輸送機的控制能力，從而有效地提升盾構(gòu)機的土壓平衡性。另外，隨著智能技術(shù)的不斷升級，自動識別技術(shù)和驅(qū)動公路效率技術(shù)快速地投入到自動化控制盾構(gòu)機系統(tǒng)中，不僅可以自動分析土體挖掘情況和挖掘時土體的壓力分布情況，還可以自動控制和選擇使用何種推進系統(tǒng)。

2、盾構(gòu)機自動控制技術(shù)展望

2.1 控制模型創(chuàng)建

產(chǎn)生地面沉降現(xiàn)象的主要原因為盾構(gòu)機的密封艙壓力失去平衡，所以，對于這個可以反映出盾構(gòu)實際技術(shù)水平的重要技術(shù)，很多學(xué)者都開展了相應(yīng)的研究。由于確實深入理解，當(dāng)前還沒有給出可靠的控制模型，實用性結(jié)果較少，技術(shù)不夠成熟。在此情況下，后期需要深入探究控制機理對應(yīng)的耦合關(guān)系，創(chuàng)建一個將密封艙壓力動態(tài)平衡為根本目標(biāo)的模型，合理運用各種控制方法，實現(xiàn)對密封艙壓力的自動化控制，進而確保地面沉降保持在精度要求內(nèi)。

2.2 位姿控制和運動軌跡動態(tài)規(guī)劃

目前，盾構(gòu)機位姿系統(tǒng)的控制理論和控制方式都是以人的邏輯思維和行為模式為基礎(chǔ)，通過將操作者的操作過程和控制經(jīng)驗進行參數(shù)化和程序化后，就可以利用模糊控制策略來實現(xiàn)自動化、智能化操控。這一切都是建立在具備施工記錄和施工經(jīng)驗的前提下，若不具備這一有利條件，一旦遇到較為復(fù)雜的地形環(huán)境和施工工序，盾構(gòu)機的位姿控制就難以得到有效保障，這也是至今盾構(gòu)機無法全面實現(xiàn)自動化控制的主要原因。若要實現(xiàn)自動化位姿控制，則要先分析相關(guān)影響因素，再建立專業(yè)的控制模型，在非完整欠驅(qū)動的前提下完成局部可控，最后再求取最優(yōu)良的位姿控制規(guī)律。另外，在研究掘進運動的運動軌跡時，應(yīng)該使用多目標(biāo)優(yōu)化算法，這樣不僅可以體現(xiàn)運動軌跡的動態(tài)規(guī)律，還可以建立軌跡自動跟蹤系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)集成和優(yōu)化

為實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的信息檢測、控制、共享和通信，并充分考慮盾構(gòu)自身特點，在創(chuàng)建控制系統(tǒng)的過程中，需要將高性能、低成本和低能耗作為根本目標(biāo)?；谶@種思想，需要對多源驅(qū)動系統(tǒng)等進行深入的研究，設(shè)計將掘進性能和節(jié)能作為約束條件，支持多種地質(zhì)條件的優(yōu)化控制系統(tǒng)，同時這也是盾構(gòu)技術(shù)后續(xù)發(fā)展的主要方向之一。

2.4 掘進系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

當(dāng)前的土壓控制通常是預(yù)先設(shè)定一個壓力值，在具體施工中依據(jù)沉降、密封艙壓力等設(shè)施調(diào)節(jié)。與此同時，子系統(tǒng)的工作是完全獨立的，大多由手工進行調(diào)節(jié)，而且此類調(diào)整方法屬于滯后式。由于盾構(gòu)密封艙實際壓力主要由各個子系統(tǒng)通過耦合進行決定的，所以，為實現(xiàn)高精度控制，該系統(tǒng)需要運用多個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的方式進行控制，以最佳方法對子系統(tǒng)運動進行控制，確保控制變量得以實時調(diào)整及優(yōu)化。以某地鐵工程盾構(gòu)區(qū)間為例，該工程盾構(gòu)掘進主要由操作司機在中央控制中完成，由技術(shù)人員經(jīng)計算初設(shè)正面土壓力值。施工過程中，在盾構(gòu)機正面與上、下方分別設(shè)置土、水壓傳感器監(jiān)控平衡系統(tǒng)，并在盾構(gòu)機前方安設(shè)巖土勘探系統(tǒng)。開啟出土閘門，分別起動皮帶輸送機，螺旋輸送機和刀盤，推進千斤頂，對各千斤頂油壓進行正確調(diào)整。此時，刀盤不斷切削土體，盾構(gòu)保持前進。根據(jù)之前設(shè)定的正面土壓力對出土速度及掘進速度進行自動控制。整套系統(tǒng)實現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制，確保盾構(gòu)始終按照設(shè)計軸線推進。

結(jié)語：

為確保盾構(gòu)機施工安全、高效，自動化控制為盾構(gòu)技術(shù)未來發(fā)展的必然走向。伴隨科技進步，盾構(gòu)技術(shù)及其裝備具有很高的自動化水平，特別是在位姿控制等方面，在理論和實踐中都得到了很大的進展。然而，對于那些具有較高復(fù)雜性的盾構(gòu)裝備，在實現(xiàn)自動化控制目標(biāo)的過程中會遇到很多難題。因此，將高安全性、高效性與節(jié)能性作為目的的盾構(gòu)技術(shù)及其裝備自動化控制系統(tǒng)集成與優(yōu)化是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)難題。

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