蘭藝森

摘? ?要：針對(duì)隧道、地下綜合管廊等需要在地下進(jìn)行施工的工程，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)成為其施工過程中必不可少的機(jī)械設(shè)備之一。地下工程的施工屬危險(xiǎn)性較大工程，需要確保較高的安全性，但因我國(guó)各地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，施工工況也較不穩(wěn)定，因此，在施工過程中往往面臨許多不確定因素。受此因素影響，地下施工工程往往面臨著很多難以提前預(yù)知的危險(xiǎn)和困難。為提高施工的安全系數(shù)，必須逐漸在施工過程中引入自動(dòng)控制技術(shù)，使盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)工作更加智能和信息化。本文主要介紹了盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要地分析了自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)際使用過程中所存在的問題，并據(jù)此對(duì)其未來的發(fā)展進(jìn)行了預(yù)期和展望。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)? 自動(dòng)控制? 現(xiàn)狀? 展望

中圖分類號(hào)：U455.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）12（a）-0250-02

為了滿足日益增長(zhǎng)的生活需求和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，我國(guó)逐漸增加了地下隧道等工程的建設(shè)數(shù)量。盾構(gòu)機(jī)是用于地鐵、隧道、涵洞挖掘的高端技術(shù)裝備，被公認(rèn)是衡量一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)水平和能力高低的關(guān)鍵裝備，更是名副其實(shí)的“國(guó)之重器”，盾構(gòu)法已是應(yīng)用于城市軌道交通隧道建設(shè)中的首選。地下工程施工往往會(huì)受到諸多不確定因素的影響，如復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和難以掌控的施工工況等。為了盡可能地降低地下工程的事故發(fā)生率，盾構(gòu)機(jī)逐漸朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)如今，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)呈現(xiàn)出更加復(fù)雜多元的發(fā)展，集機(jī)電技術(shù)、液壓技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)于一體，屬于多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的智能化綜合性設(shè)備，不僅能夠完成一些傳統(tǒng)的工作，如開挖、輸送等，而且還具備了測(cè)量、導(dǎo)向和糾偏等幾種新型功能。近年來，我國(guó)的盾構(gòu)自動(dòng)化技術(shù)得到了極大程度的發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的智能化水平也呈現(xiàn)出逐年上升的良好趨勢(shì)，但是，從綜合情況來看，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)仍然處于起步階段，許多操作仍然依賴于人工控制，相較于西方發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)來說仍有很大的差距。要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的高質(zhì)、高效施工，必不可少的條件就是要不斷完善設(shè)備的自動(dòng)化。

1? 盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)系統(tǒng)往往采用的都是智能控制的辦法，20世紀(jì)90年代以來，模糊控制理論在控制盾構(gòu)土壓平衡方面得到了廣泛的應(yīng)用，但是這一理論無法確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，在非線性掘進(jìn)控制系統(tǒng)中引入了模糊免疫自調(diào)整PID控制器來保證土壓的穩(wěn)定。隨著研究的不斷深入，該技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善和改良，遺傳算法被用于優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)，控制方案也更加完整和合理。隨著對(duì)盾構(gòu)機(jī)排土的控制分析程度進(jìn)一步加深，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速也得到了更好的控制，因此盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡也就會(huì)做的更加良好。各行業(yè)專家學(xué)者不斷加大對(duì)智能化控制系統(tǒng)的研究力度，使其得到了不斷的更新，盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)也與自動(dòng)識(shí)別和驅(qū)動(dòng)公路效率的技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的融合，這促使了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展完善[1]。

1.2 位姿控制

盾構(gòu)機(jī)的位姿控制主要是推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸來完成的。1980年以來，卡爾曼濾波理論已經(jīng)建立了比較科學(xué)的控制模型，并在盾構(gòu)機(jī)位姿的控制方面得到了一定的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外與此有關(guān)的專家學(xué)者也展開了對(duì)于盾構(gòu)機(jī)位姿控制的各項(xiàng)研究和實(shí)驗(yàn)。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)控制的特點(diǎn)，模糊控制器的設(shè)計(jì)主要采取的是“先分后合”的方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該方法更有利于調(diào)節(jié)控制器的相關(guān)性能。后來，我國(guó)的研究人員又以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了進(jìn)一步的完善，逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的盾構(gòu)機(jī)位姿控制。為了使該系統(tǒng)的通用性更加良好，且能夠保證在不同的地質(zhì)條件下工作都不會(huì)受到其他因素的影響，動(dòng)態(tài)載荷的理論模型又得到了廣泛的研究。這一模型能夠分析盾構(gòu)姿態(tài)各個(gè)參數(shù)的敏感性，也就能夠提升位姿自動(dòng)控制的精準(zhǔn)程度。

1.3 管片的自動(dòng)拼裝

由于傳統(tǒng)的手工拼裝方式存在許多的弊端，因此實(shí)現(xiàn)管片自動(dòng)拼裝是勢(shì)在必行的。20世紀(jì)末，日本最早開始使用管片的自動(dòng)拼裝設(shè)備，隨后世界各國(guó)都展開了對(duì)于管片自動(dòng)拼裝技術(shù)的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)又制定了一套標(biāo)準(zhǔn)化的體系來管理隧道管片的拼裝流程。在日本、歐洲等地區(qū)管片幾乎已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化拼裝，其主要是通過機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型來完成的[2]。通過全自動(dòng)拼裝，不但降低了人工成本，提高了作業(yè)人員的安全保障，而且消除了人工拼裝的錯(cuò)誤，從源頭上提高了管片拼裝質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2? 盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)存問題和預(yù)期發(fā)展

2.1 建立平衡密封艙壓力動(dòng)態(tài)的控制模型

密封艙內(nèi)的壓力失去平衡會(huì)使隧道開挖過程中產(chǎn)生地面沉降，這也正是盾構(gòu)研究過程中所要面對(duì)的主要難點(diǎn)。專家學(xué)者也紛紛增加了對(duì)密封艙壓力平衡的重視，同時(shí)也對(duì)其進(jìn)行了更深層次的研究和實(shí)驗(yàn)。然而，由于密封艙的壓力動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行控制仍然需要更加細(xì)致深入的研究，這只能繼續(xù)不斷的進(jìn)行試驗(yàn)，這樣才能夠完善和優(yōu)化其設(shè)計(jì)。截至目前，國(guó)內(nèi)外均未建立起精確完善的密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡控制模型，因此該控制技術(shù)還有更進(jìn)一步的發(fā)展空間。在進(jìn)行后續(xù)的研究工作中，需要對(duì)這一方面的原理進(jìn)行更進(jìn)一步的分析和研究，建立比較精密的控制模型，實(shí)現(xiàn)密封艙壓力控制的全自動(dòng)化，從而使地面沉降的控制更加精準(zhǔn)。

2.2 掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

盾構(gòu)機(jī)控制土壓的方法通常是預(yù)先設(shè)定艙內(nèi)土壓力值，從而準(zhǔn)確地調(diào)整子系統(tǒng)的施工參數(shù)來適應(yīng)施工的實(shí)際情況。同時(shí)，各子系統(tǒng)之間的工作往往是具有獨(dú)立性的，彼此之間的相互聯(lián)系依靠人工操作。為了更精準(zhǔn)地控制密封艙的壓力系統(tǒng)，就必須要制定一套科學(xué)合理的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。這就需要分析和研究子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，深入地研究子系統(tǒng)的各項(xiàng)控制參數(shù)和整個(gè)密封艙壓力之間的映射關(guān)系，從而使掘進(jìn)系統(tǒng)的控制機(jī)制更趨于合理化[3]。

2.3 位姿與動(dòng)態(tài)軌跡的控制

目前來說，盾構(gòu)機(jī)的位姿與動(dòng)態(tài)軌跡控制的完成主要是依賴于人工操作，其次是利用模糊控制策略來實(shí)現(xiàn)其位姿與動(dòng)態(tài)軌跡自動(dòng)化控制。如果遇到比較罕見或者比較復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，就難以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的位姿和動(dòng)態(tài)軌跡的精準(zhǔn)控制。因此，需要全面地分析能夠?qū)Χ軜?gòu)機(jī)位姿產(chǎn)生影響的各種綜合性因素，建立起一套比較精密的控制模型，并合理地規(guī)劃盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)軌跡，從而能夠使盾構(gòu)機(jī)的位姿和動(dòng)態(tài)軌跡控制實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。

2.4 控制系統(tǒng)的集成

為了能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控盾構(gòu)機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)，及時(shí)地收集其在工作過程中產(chǎn)生的各類信息和數(shù)據(jù)，這就需要綜合地考慮盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)性能、實(shí)際功耗、工作成本等多個(gè)因素。盾構(gòu)機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是擁有更高的掘進(jìn)性能、更低的能量消耗、更強(qiáng)的地形地質(zhì)適應(yīng)性，同時(shí)還要建立起一套集成化控制系統(tǒng)，能夠集監(jiān)控、協(xié)調(diào)于一體[1]。

3? 結(jié)語(yǔ)

想要做到盾構(gòu)機(jī)的工作要更加高效、精準(zhǔn)，同時(shí)保證施工過程中的安全性，就必須提升其智能化和自動(dòng)化的水平。隨著自動(dòng)化水平的不斷提升，盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)也將日益完善和優(yōu)化，未來盾構(gòu)將朝著更適應(yīng)、更快速、更安全的智慧化無人掘進(jìn)方向發(fā)展。我國(guó)在做到盾構(gòu)機(jī)全自動(dòng)化控制施工的過程中任重道遠(yuǎn)，在此過程中可能需要面對(duì)諸多的難題，這就需要各界專家學(xué)者不斷的攻克各種技術(shù)難題，使盾構(gòu)機(jī)的作用得到更好的發(fā)揮。在國(guó)內(nèi)龐大盾構(gòu)應(yīng)用市場(chǎng)的支撐下，盾構(gòu)施工技術(shù)將越來越完善、越來越專業(yè)。在未來，中國(guó)必將是盾構(gòu)應(yīng)用最多、技術(shù)水平最高的國(guó)家。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉宣宇，邵誠(chéng).盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（20）：152-160.

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[3] 吳運(yùn)斌.盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)機(jī)械， 2013（13）：215-216.

[4] 王永新，任東.盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].企業(yè)文化旬刊，2017（8）：262.