簡 鵬, 楊 晨, 游宇嵩, 荊留杰, 臧家琪, 徐受天

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450000)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工過程中,對(duì)于盾構(gòu)的姿態(tài)控制有極高的要求,然而由于地質(zhì)條件復(fù)雜、測量環(huán)境惡劣等因素,使得盾構(gòu)的掘進(jìn)方向很難與隧道設(shè)計(jì)軸線保持一致,常常會(huì)出現(xiàn)水平或者垂直偏差過大,從而對(duì)項(xiàng)目的工期、成本和安全造成重大影響[1]。當(dāng)前,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中依然是依靠人工進(jìn)行推進(jìn)控制,由主司機(jī)根據(jù)導(dǎo)向測量系統(tǒng)的反饋值來調(diào)節(jié)油缸壓力,這種依賴人工經(jīng)驗(yàn)的操作方法具有較大的局限性,很難保證隧道的成型質(zhì)量。

為保證盾構(gòu)隧道成型質(zhì)量及施工過程的安全性,提高盾構(gòu)施工智能化水平[2],國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制進(jìn)行了深入研究。國外關(guān)于盾構(gòu)姿態(tài)智能控制的研究主要分為2個(gè)階段: 第1階段以理論研究為主,代表學(xué)者有酒井邦登、桑原洋、倉岡豊、清水賀之、Grima等[3],分別采用卡爾曼濾波理論、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制進(jìn)行了有意義的探索。第2階段以生產(chǎn)應(yīng)用為主,日本清水建設(shè)開發(fā)了智能盾構(gòu)操作系統(tǒng),通過人工智能算法建立了AI模型,可實(shí)現(xiàn)管片自動(dòng)選型和盾構(gòu)自主掘進(jìn)[4];馬來西亞MMC公司基于大量歷史掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)建模,結(jié)合盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)控制方法及規(guī)則,開發(fā)了盾構(gòu)自主掘進(jìn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)和推進(jìn)過程的自動(dòng)控制,但是這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制模型需要大量的訓(xùn)練樣本,而且無法解決掘進(jìn)姿態(tài)突發(fā)事故。

雖然國內(nèi)開展盾構(gòu)相關(guān)研究時(shí)間較晚,但是亦取得了豐碩的成果。劉成等[5]從水平和垂直2個(gè)方向考慮盾構(gòu)的姿態(tài)控制問題,分析了最小糾偏半徑、糾偏力矩的相應(yīng)公式,建立了盾構(gòu)水平方向的糾偏曲線模型,并對(duì)其進(jìn)行了模擬。龔國芳等[6]基于模糊PID方法,提出一種盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的控制策略,可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡、掘進(jìn)速度的準(zhǔn)確控制,并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了其控制效果。張愛軍[7]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤轉(zhuǎn)矩、油缸壓力差等參數(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道軸線偏移量的影響進(jìn)行了深入研究,得到了盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)姿態(tài)控制的影響及其規(guī)律。邵誠俊等[8]研究了盾構(gòu)的多個(gè)子系統(tǒng),得到了關(guān)于水平方向的姿態(tài)糾偏系統(tǒng)模型,并且分析設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制研究。李洋[9]以最短糾偏軌跡為目標(biāo),利用改進(jìn)的人工蜂群算法優(yōu)化盾構(gòu)糾偏模型,開展了地鐵隧道盾構(gòu)姿態(tài)智能控制的研究,為盾構(gòu)糾偏提供輔助決策。劉肖楠[10]提出一種基于粒子群算法優(yōu)化的PID控制器參數(shù)的糾偏控制策略,設(shè)計(jì)了以液壓推進(jìn)系統(tǒng)的糾偏控制器,可以實(shí)現(xiàn)糾偏控制的快速響應(yīng)。

雖然已有眾多學(xué)者做了相關(guān)研究,但是目前國內(nèi)對(duì)于盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制方面的研究依然處于理論階段,所提出的控制策略和方法基本沒有在現(xiàn)場得到規(guī)?；瘧?yīng)用。本文基于模糊控制及最佳糾偏曲線模型,研究盾構(gòu)的姿態(tài)自動(dòng)控制技術(shù),并在現(xiàn)場進(jìn)行測試應(yīng)用,以期為姿態(tài)控制提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 最佳糾偏曲線模型建立

盾構(gòu)糾偏是通過調(diào)整分區(qū)液壓油缸壓力或其他手段控制盾構(gòu)的掘進(jìn)方向,使盾構(gòu)的掘進(jìn)軌跡逐漸靠近隧道設(shè)計(jì)軸線(designed tunnel axis, DTA),最終與設(shè)計(jì)軸線重合,同時(shí)確保糾偏后盾構(gòu)切口方向與DTA重合。盾構(gòu)糾偏軌跡如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)糾偏軌跡圖

目前,盾構(gòu)姿態(tài)糾偏曲線模型主要有3種: 1)以3次拋物線為基礎(chǔ)的糾偏曲線模型; 2)以連續(xù)反向圓曲線為基礎(chǔ)的糾偏曲線模型; 3)以對(duì)稱螺旋曲線為基礎(chǔ)的糾偏曲線模型[10]。糾偏曲線的本質(zhì)是一種最優(yōu)路徑規(guī)劃,設(shè)計(jì)一條滿足各種約束條件的盾構(gòu)始末狀態(tài)相連的運(yùn)動(dòng)軌跡,需滿足的約束條件實(shí)際上就是對(duì)最小糾偏半徑的約束。本文采取連續(xù)反向曲線的糾偏模型,糾偏原理如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)糾偏原理圖

1.1 最小糾偏半徑確定

盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)控制過程中,使糾偏軌跡最短所采用的糾偏半徑稱為最小糾偏半徑,盾構(gòu)在曲線糾偏時(shí)半徑不能小于最小糾偏半徑,否則易引起盾尾間隙減小,甚至造成管片破損。因此,為保證盾構(gòu)正常掘進(jìn),需要保證糾偏時(shí)的曲線半徑大于最小糾偏半徑。最小糾偏半徑由盾尾間隙、推進(jìn)油缸行程差等因素共同決定,需要同時(shí)考慮多參數(shù)的影響。

1.1.1 盾尾間隙決定的糾偏半徑R1

盾尾間隙是指盾尾與管片之間的距離,糾偏過程中若糾偏半徑過小,超過盾尾間隙范圍,會(huì)使管片與盾尾接觸而產(chǎn)生干涉,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起盾尾擠壓管片,甚至導(dǎo)致管片破損。對(duì)于盾尾間隙決定的糾偏半徑計(jì)算,已有學(xué)者進(jìn)行研究,參考其研究成果[11-12],得到糾偏半徑

(1)

式中:R為管片半徑,m;δ為靠近轉(zhuǎn)彎中心一側(cè)的盾尾間隙,m;l為管片寬度,m。

1.1.2 油缸行程差決定的糾偏半徑R2

盾構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí),曲線外側(cè)油缸行程比內(nèi)側(cè)的大,使得推進(jìn)油缸產(chǎn)生行程差。在實(shí)際盾構(gòu)施工中,一般要求油缸行程差不超過50 mm,對(duì)應(yīng)的最小糾偏半徑

(2)

式中:RF為推進(jìn)油缸半徑,m;ls為盾構(gòu)刀盤切口至盾尾的距離,m。

最小糾偏半徑除受到上述因素的影響外,還受到盾構(gòu)幾何尺寸所允許的最小轉(zhuǎn)彎半徑R3、隧道設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑?jīng)Q定的最小轉(zhuǎn)彎半徑R4的限制,因此可得最小糾偏曲線半徑

Rmin=max (R1,R2,R3,R4)。

(3)

1.2 糾偏曲線模型

由圖2可知,線段OD是隧道設(shè)計(jì)軸線(DTA),直線AB是盾構(gòu)當(dāng)前位置,弧BCD是糾偏曲線,糾偏起點(diǎn)B所在的糾偏曲線方向和當(dāng)前盾構(gòu)前進(jìn)方向相切,糾偏終點(diǎn)D所在的糾偏曲線切線方向和設(shè)計(jì)路線相切,弧BC和CD是半徑相同的圓曲線。糾偏曲線模型的半徑是上述所得最小糾偏半徑Rmin,可保證盾構(gòu)在最短路程內(nèi)靠近隧道設(shè)計(jì)軸線。

假設(shè)此時(shí)盾構(gòu)AB與設(shè)計(jì)路線OD的夾角為θ,切口水平偏差為h,即點(diǎn)B到直線OD的垂直距離為h,令第1段糾偏圓曲線l1的圓心角為α,第2段糾偏圓曲線l2的圓心角為β,糾偏曲線要使盾構(gòu)在最短時(shí)間內(nèi)安全地從當(dāng)前位置向隧道設(shè)計(jì)軸線靠近,根據(jù)上述要求可得出盾構(gòu)最佳糾偏曲線模型見式(4)。

(4)

式中:x、y為盾構(gòu)糾偏路徑各點(diǎn)相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的坐標(biāo)值;α、β為未知量,可由式(5)計(jì)算得到。

(5)

由式(4)—(5)可計(jì)算得出盾構(gòu)最佳糾偏曲線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的水平偏差值ΔH、垂直偏差值ΔV及水平趨勢值ΔT1、垂直趨勢值ΔT2。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的輸入、輸出變量

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,主司機(jī)根據(jù)盾構(gòu)的位姿參數(shù)來確定各分區(qū)液壓缸的設(shè)定壓力和行程,一般將水平方向和豎直方向分開來進(jìn)行考慮。基于此,本文將水平方向和豎直方向的切口偏差值和趨勢值作為模糊控制器的輸入變量,將分區(qū)油缸壓力差(水平或豎直方向)作為輸出變量。模糊控制器的輸入、輸出變量如圖3所示。

H為切口水平偏差,mm; T1為水平趨勢值,mm/m; ΔFh為左右分區(qū)油缸壓力差,mm; V為切口垂直偏差,mm; T2為垂直趨勢值,mm/m; ΔFv為上下分區(qū)油缸壓力差,mm。

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則是對(duì)人工操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)的總結(jié),并根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和掘進(jìn)數(shù)據(jù)對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行修正和完善。一般情況下,當(dāng)盾構(gòu)距離DTA偏差值較大且趨勢值較大時(shí),分區(qū)油缸壓力差也應(yīng)該增大;當(dāng)偏差值較小時(shí),應(yīng)該防止超調(diào),以保持穩(wěn)定性為主。

盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)軸線一般可分為直線段、緩和曲線段、曲線段3種類型,原則上每種曲線類型所對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則不相同,因此水平、垂直方向需要各構(gòu)建3個(gè)模糊控制器,用以應(yīng)對(duì)不同掘進(jìn)曲線狀態(tài)。

本文采用具有2個(gè)輸入?yún)?shù)的規(guī)則對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制,輸入變量為切口偏差和趨勢值,以直線段水平方向姿態(tài)控制規(guī)則為例,如表1所示。

表1 直線段水平模糊控制規(guī)則

2.3 模糊推理及去模糊化

模糊推理輸出的結(jié)果是一個(gè)模糊集合,但是盾構(gòu)的姿態(tài)只能以精確量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,因此必須從模糊集合中判決出一個(gè)精確量。本文采用加權(quán)平均法法進(jìn)行模糊判決,可以充分利用輸出模糊集合所包含的所有信息。

反模糊解可通過Matlab編程快速實(shí)現(xiàn),得到輸入與輸出變量之間的關(guān)系表,即模糊控制表。盾構(gòu)姿態(tài)模糊控制流程如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)姿態(tài)模糊控制流程圖

3 盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)施工時(shí),可通過改變推進(jìn)油缸或鉸接油缸壓力進(jìn)行姿態(tài)的控制。但是實(shí)際掘進(jìn)過程中,操作人員為了保證鉸接油缸狀態(tài)的穩(wěn)定,往往會(huì)保持鉸接油缸壓力、位移不變。因此,該系統(tǒng)考慮采用調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸壓力來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)控制。

3.1 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)可直接從PLC讀取盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)、分組油缸壓力等數(shù)據(jù),具體涉及的參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集表

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 輸入?yún)?shù)分析

對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析,當(dāng)偏差值和趨勢值在允許范圍(一般規(guī)定偏差允許值為±50 mm,趨勢值為±10 mm/m)時(shí),輸入?yún)?shù)為姿態(tài)偏差值H、V和趨勢值T1、T2;當(dāng)盾構(gòu)偏差值和趨勢值超出允許范圍時(shí),構(gòu)建最佳糾偏曲線,獲取盾構(gòu)最佳糾偏曲線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的水平偏差值ΔH、垂直偏差值ΔV及水平趨勢值ΔT1、垂直趨勢值ΔT2,最終輸入?yún)?shù)為盾構(gòu)位姿相對(duì)于最佳糾偏曲線的相對(duì)偏差值H′、V′和相對(duì)趨勢值T1′、T2′,相對(duì)偏差值和相對(duì)趨勢值由式(6)計(jì)算所得。

(6)

3.2.2 輸出參數(shù)分析

模糊控制器輸出參數(shù)為分組油缸壓力差,需要對(duì)該壓力差進(jìn)行分配以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。為保證總推力不變或者變化極小,從而減小對(duì)推進(jìn)速度、土艙壓力的影響,油缸壓力差的改變按照A/C、B/D 2組油缸一增一減的方式調(diào)整,若當(dāng)前的油缸壓力差值與輸出值一樣,則保持當(dāng)前參數(shù)掘進(jìn);若不一樣,則按式(7)進(jìn)行分配。

(7)

式中: ΔFA、ΔFB、ΔFC、ΔFD分別為A、B、C、D 4組油缸壓力調(diào)整值;ΔFh為模糊控制器輸出水平方向油缸壓力差;ΔFh′為當(dāng)前水平方向油缸壓力差;ΔFv為模糊控制器輸出垂直方向油缸壓力差;ΔFv′為當(dāng)前垂直方向油缸壓力差。

3.3 控制流程

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,導(dǎo)向系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果顯示盾構(gòu)當(dāng)前位姿與隧道設(shè)計(jì)軸線之間的偏差,當(dāng)偏差量較小時(shí),一般通過調(diào)節(jié)油缸壓力差進(jìn)行姿態(tài)控制,此種情況下可根據(jù)模糊控制器輸出的壓力差值進(jìn)行油缸壓力調(diào)整;當(dāng)偏差較大超出允許范圍時(shí),為了使盾構(gòu)掘進(jìn)快速、安全地恢復(fù)到正常姿態(tài),則需要根據(jù)糾偏曲線進(jìn)行姿態(tài)控制,模糊控制器的輸入?yún)?shù)為盾構(gòu)位姿相對(duì)于糾偏曲線的偏差值、趨勢值。

將上述所述盾構(gòu)偏差值及趨勢值輸入盾構(gòu)姿態(tài)模糊控制器,并得到相應(yīng)的水平、垂直油缸壓力差,若當(dāng)前的油缸壓力差值與輸出值一樣,則保持當(dāng)前參數(shù)掘進(jìn);若不一樣,則重新進(jìn)行壓力分配,并將最終油缸壓力值下發(fā)至PLC,由PLC執(zhí)行姿態(tài)控制動(dòng)作。盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制流程如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制流程

4 現(xiàn)場測試

該盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)在成都地鐵10號(hào)線某區(qū)間進(jìn)行測試,測試期間隧道埋深約7.5 m,測試環(huán)號(hào)為501—533環(huán),其中514—525環(huán)由自動(dòng)控制系統(tǒng)掘進(jìn),剩余由人工掘進(jìn)。盾構(gòu)穿越地層為上部松散砂卵石土、下部稍密砂卵石土,地下水較豐富。

設(shè)備直徑為6.41 m,推進(jìn)油缸共20根,分為A、B、C、D 4組,由于測試期間盾構(gòu)處于右轉(zhuǎn)彎區(qū)間段且位于復(fù)合地層,根據(jù)項(xiàng)目要求需要保證切口水平偏差在(5 mm,10 mm)區(qū)間,水平趨勢值大于0 mm/m,切口垂直偏差在(-10 mm,-5 mm)區(qū)間,垂直趨勢值大于7 mm/m,對(duì)比人工掘進(jìn)與自動(dòng)掘進(jìn),姿態(tài)控制結(jié)果如圖6所示。

(b) 垂直方向掘進(jìn)姿態(tài)偏差值

由圖6可以看出,在514—525環(huán)自動(dòng)掘進(jìn)段內(nèi),盾構(gòu)姿態(tài)控制效果較好,盾構(gòu)姿態(tài)偏差值都控制在允許的范圍內(nèi),當(dāng)姿態(tài)偏差值接近允許值時(shí),基于模糊理論的控制系統(tǒng)迅速做出反應(yīng)并調(diào)整分組油缸壓力差,使得掘進(jìn)姿態(tài)恢復(fù)至合理值。同時(shí),相比于手動(dòng)掘進(jìn),自動(dòng)掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)偏差的波動(dòng)更小,這是因?yàn)樽詣?dòng)掘進(jìn)時(shí)對(duì)于掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整頻率比手動(dòng)掘進(jìn)時(shí)高,且手動(dòng)掘進(jìn)時(shí)主司機(jī)自主性比較大,只需保證偏差值在合理范圍即可。總體來講,該系統(tǒng)基本可以滿足盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制的需求。

由于在現(xiàn)場測試過程中,并沒有出現(xiàn)姿態(tài)偏差超出允許范圍的情況,故沒有對(duì)糾偏曲線模型的合理性及準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,因此下一步需要進(jìn)行多工況下的系統(tǒng)可靠性測試。

5 結(jié)論與建議

盾構(gòu)姿態(tài)的自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)智能化的必由之路,也是整個(gè)盾構(gòu)行業(yè)的未來發(fā)展趨勢。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,開發(fā)以模糊理論和糾偏曲線為核心的姿態(tài)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)的自動(dòng)控制目標(biāo)。

1)設(shè)計(jì)了盾構(gòu)最佳糾偏曲線模型,該模型可以在盾構(gòu)姿態(tài)偏差過大時(shí)進(jìn)行糾偏,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡快速、安全地靠近DTA附近。

2)利用模糊控制理論,設(shè)計(jì)了姿態(tài)模糊控制規(guī)則,構(gòu)建了盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)模糊控制器。

3)設(shè)計(jì)了盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試,結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的可靠性和實(shí)用性。

盾構(gòu)掘進(jìn)工況復(fù)雜多變,本文僅驗(yàn)證了右轉(zhuǎn)彎時(shí)的控制準(zhǔn)確性,但對(duì)于姿態(tài)偏差過大時(shí)的情況未進(jìn)行測試,后續(xù)需要在多種工況下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試并完善。