盾构机自动控制技术现状与展望

盾构机自动控制技术现状与展望

刘松

中天建设集团有限公司浙江金华321000

摘要：19世纪初期，英国开始出现了一种新的机械——盾构机械，经过日本和德国的大力发展，这种技术很快被应用在铁路、引水、公路、矿山、地铁等各种隧道的大力建设。随着时代的大力发展，我国的城市化进程发展的越来越迅速，因此，许许多多的大小城市为顺应城市化的“热潮”，也都纷纷开始修建地铁等交通枢纽。在这时，盾构技术因其施工进程快、环境影响破坏力度小、机械化的程度高以及地表的沉降力度小等自身优势，在城市化热潮中扮演着极其重要的作用。为了不断地提高盾构机工作时的精确度，也为了最大限度地降低驾驶者工作时的强度，研究者在不断提高盾构机自动控制技术，在一定程度上也大力优化了盾构机的机械机构和液压系统。本文将在对盾构机自动控制技术现状介绍的基础上，展望其潜在的未来的发展趋势。

关键词：盾构机；自动控制技术；现状；展望

作为一种开挖软弱地质的具有专属用途的工程机械，盾构机在地下工程的施工过程中扮演着及其重要的作用，其主要构成部分则是同步性注浆系统、刀盘驱动系统、管片拼装系统、推进系统、盾尾密封系统和排渣系统等，在施工过程中主要用在矿山、巷道、市政隧道等隧道工程建设过程中。新时代的盾构机作为一种大型的智能化的工程机械装备，集液、电、机、信息技术和控制技术于一体，具有一系列的新的功能和技术，特别是在日本，其发展更是让人刮目相看。

1.盾构机自动控制技术在国内外的研究现状

盾构机在20世纪初期，在英国诞生，但其最终发展于日本和德国。尤其是近年来，盾构机的关键性技术取得了突飞猛进的进展。近年来，盾构机在经由手压形式、挤压形式、半机械自动化形式和机械自动化形式的发展，功能更加齐全，性能更加优良。20世纪70年代英国和日本研发出了泥水加压平衡盾构机和土压式平衡盾构机。20世纪80年代以来，日本在盾构机新的用法、工法、数量、所建隧道的长度、承包他国盾构隧道的规模和数量都位于是世界前列。英法两国集当时先进的盾构技术为一体，建造设计了被称为世界最长的首条英吉利海峡隧道。其中，在盾构机性能设计方面，德国和日本的技术水平比较先进，主要体现在从总体上实现了掘进、排土等技术的自动化和机械化、地层适应性广、科技含量高等。我国在20世纪50年代开了盾构技术的开发，直到90年代才取得了少许进展，自主研究开发了气压式盾构和挤压式盾构，着重进行了泥水加压盾构、土压平衡盾构的研究工作。

2.盾构机自动控制技术目前的研究状况

盾构的位姿控制和掘进过程、测控导向、控制地面沉降和衬砌过程中因为应用高科技技术和控制理论，大大提高了其自动化程度。

2.1盾构机掘进系统中的自动控制技术分析

2.1.1建立自动控制技术中控制规模

刀盘、排渣、推进等子系统构成了盾构机自动控制技术，在最开始的阶段，都是利用建立经验模型或者试验的形式对控制模型展开研究的。荷兰的一家研究所研究并且分析了压力梯度在密封舱的分布情况，最终建立了盾构机构施工要素和主要的参数数据二者之间的经验函数形式。除此之外，一些日本的主要学者根据密封舱压力在盾构隧道施工中的控制值，给出了如何确定压力的经验公式。文章在建立盾构机掘进过程中设立的开挖面土压平衡的控制模型过程中利用的是BP神经网络系统，但是其缺点是为考虑具体的地质条件的影响。后来的BENARDOS等在充分考虑工程施工所在地的地质条件的情况下，大规模地设计了针对推进速度的控制模型。有学者在前人研究基础上，运用自适应神经模糊理论的原则设计出了主要以排土控制为主的盾构土压平衡控制模型：

Pe=f（F，v，ns）

其中，Pe是盾构机土仓压力；F是盾构机的总推力；v是盾构推进速度；ns是螺旋输送机转速。

2.1.2设计自动控制技术中控制策略

控制对于盾构机的推进系统来说，大多是采用一些比较灵活的智能化的控制方法。有学者把盾构掘进控制中的模糊控制作为研究对象，第一次将单向推进度的概念理论推向大众。还有学者通过设计模糊性的免疫的自动调整的PID控制器，用以验证系统的稳定性和动态特性的优良程度。此外，还有一些学者在掘进系统的子系统当中引用了经典控制理论。

2.2自动控制技术中的位姿控制

通过对设计轴线偏离的位置和夹脚，我们来描述盾构机的位姿，对其的控制则是利用控制位于盾构机的控制推进系统当中的构成部件——液压缸来实现。近年来，随着技术的不断发展，有学者将智能化的某些控制方法和措施应用在了盾构机的工作原理当中，从而引进新的理论——模糊控制理论。模糊控制在前人的研究基础之上，形成了一系列独具特色的控制准则，并且通过这些准则实现对盾构机的控制。

2.3自动控制技术中的管片自动拼装

最初开始盾构机的管片拼装因手工操作的各种弊端经常出现质量问题。随着科学技术的发展，各国都在致力于其技术含量的研究和开发当中。就目前而言，日本和一些欧洲的国家已经实现了全自动化的管片拼装，其中包括输送、钳住、就位、接头、自动穿孔以及最终的拧紧等。

3.目前存在的缺陷及未来展望

3.1控制模型主要目标——以密封舱压力动态平衡

因为密封舱中压力的严重失衡，致使地面产生沉降。但是，由于缺乏对其的理论认识和相适应的科技手段，至今为止没有形成精确性高、普适性极强的动态平衡控制模型。因此，在未来的研究中，我们要对掘进系统各个子系统的工作机理进行不断的探索研究，最终建立以控制密封舱的最终压力平衡为目标理论目标和模型。在这些前提下，运用先进的控制策略，实现密封舱压力控制的自动化，进一步精确化地面沉降。

3.2控制策略对掘进系统的作用

就目前而言，大多数盾构机各个子系统调整各自施工参数的步调不一致，再加上调整当时的滞后性，盾构机的性能并不是很高。因此，要想不断优化盾构机的性能，就必须协调各个子系统的控制策略，让各个子系统的性能实现最优化，不断调整和优化各个控制变量。对此，我们要探究在实现非线性强耦合掘进系统的协调控制的基础上，进一步实现以密封舱压力平衡为目标。

3.3动态规划和位姿控制在运动轨迹中的作用

目前的盾构机的位姿控制的方法和理论研究大多都是对人的逻辑思维的一种变性模仿，在这种情况下，一旦出现复杂地质状况就难以运转。因此，我们在不断深入研究盾构机位姿控制的一系列影响因素的情况下，建立精确的控制模型，同时可以建立小时间局部和全局控制的、在欠驱动性约束条件下非完整的位姿，或者建立求取最优姿态下的控制率。

3.4优化和集成在控制系统中的作用

为了实现盾构机和各个子系统之间信息的共享、监控和控制，结合盾构机自身的特点，我们在建立适应时代发展的盾构机时必须以低能耗、高性能和低成本为设计目标和基础。在不断实现盾构机控制性能和多源驱动系统参数和系统功率等相关关系的基础上，我们要设计出以节能、掘进性能为主要的约束条件，针对多种复杂地质状况的，并且要将掘进协调控制、信息融合和装备实时监控融合在一起，设计一个新的控制系统，这也是是将来盾构机发展的一大趋势。

结束语：为了不断提高盾构机的工作效率，实现其效能的最大化，其发展的一大趋势则是施工技术的自动化。随着科技的不断发展，盾构机在控制模型、控制策略、位姿控制和动态规划等一系列的环节中越来越智能化，这些都将为盾构机的发展创造良好的条件和趋势。结合本文的分析，高效和节能都将为盾构机带来极大的改革，也将是其发展的趋势。

参考文献：

[1]张凯.浅析盾构机自动控制技术现状与展望[J].建筑工程技术与设计，2015，(36)：43-44.

[2]姜涛.盾构机自动控制技术现状分析及展望[J].黑龙江交通科技，2017，40(2):148-149.