蘭藝森

摘? ?要：針對隧道、地下綜合管廊等需要在地下進行施工的工程，盾構(gòu)機已經(jīng)成為其施工過程中必不可少的機械設(shè)備之一。地下工程的施工屬危險性較大工程，需要確保較高的安全性，但因我國各地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，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知的危險和困難。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控制技術(shù)，使盾構(gòu)機的掘進工作更加智能和信息化。本文主要介紹了盾構(gòu)機的自動控制技術(shù)現(xiàn)狀，并簡要地分析了自動控制技術(shù)實際使用過程中所存在的問題，并據(jù)此對其未來的發(fā)展進行了預期和展望。

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

中圖分類號：U455.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）12（a）-0250-02

為了滿足日益增長的生活需求和經(jīng)濟發(fā)展需要，我國逐漸增加了地下隧道等工程的建設(shè)數(shù)量。盾構(gòu)機是用于地鐵、隧道、涵洞挖掘的高端技術(shù)裝備，被公認是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平和能力高低的關(guān)鍵裝備，更是名副其實的“國之重器”，盾構(gòu)法已是應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受到諸多不確定因素的影響，如復雜的地質(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)機逐漸朝著自動化、智能化的方向發(fā)展。現(xiàn)如今，盾構(gòu)機已經(jīng)呈現(xiàn)出更加復雜多元的發(fā)展，集機電技術(shù)、液壓技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體，屬于多學科、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，而且還具備了測量、導向和糾偏等幾種新型功能。近年來，我國的盾構(gòu)自動化技術(shù)得到了極大程度的發(fā)展，盾構(gòu)機掘進的智能化水平也呈現(xiàn)出逐年上升的良好趨勢，但是，從綜合情況來看，我國盾構(gòu)機的自動控制技術(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)達國家的技術(shù)來說仍有很大的差距。要實現(xiàn)盾構(gòu)機的高質(zhì)、高效施工，必不可少的條件就是要不斷完善設(shè)備的自動化。

1? 盾構(gòu)機自動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 掘進系統(tǒng)的自動控制

盾構(gòu)機的掘進系統(tǒng)往往采用的都是智能控制的辦法，20世紀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)得到了進一步的完善和改良，遺傳算法被用于優(yōu)化盾構(gòu)機的施工參數(shù)，控制方案也更加完整和合理。隨著對盾構(gòu)機排土的控制分析程度進一步加深，螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速也得到了更好的控制，因此盾構(gòu)機的土壓平衡也就會做的更加良好。各行業(yè)專家學者不斷加大對智能化控制系統(tǒng)的研究力度，使其得到了不斷的更新，盾構(gòu)機的自動控制系統(tǒng)也與自動識別和驅(qū)動公路效率的技術(shù)進行了有機的融合，這促使了該技術(shù)的進一步發(fā)展完善[1]。

1.2 位姿控制

盾構(gòu)機的位姿控制主要是推進系統(tǒng)液壓缸來完成的。1980年以來，卡爾曼濾波理論已經(jīng)建立了比較科學的控制模型，并在盾構(gòu)機位姿的控制方面得到了一定的應用，國內(nèi)外與此有關(guān)的專家學者也展開了對于盾構(gòu)機位姿控制的各項研究和實驗。根據(jù)盾構(gòu)機控制的特點，模糊控制器的設(shè)計主要采取的是“先分后合”的方法，經(jīng)實驗證明該方法更有利于調(diào)節(jié)控制器的相關(guān)性能。后來，我國的研究人員又以此為基礎(chǔ)進行了進一步的完善，逐漸實現(xiàn)了自動化的盾構(gòu)機位姿控制。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)條件下工作都不會受到其他因素的影響，動態(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)各個參數(shù)的敏感性，也就能夠提升位姿自動控制的精準程度。

1.3 管片的自動拼裝

由于傳統(tǒng)的手工拼裝方式存在許多的弊端，因此實現(xiàn)管片自動拼裝是勢在必行的。20世紀末，日本最早開始使用管片的自動拼裝設(shè)備，隨后世界各國都展開了對于管片自動拼裝技術(shù)的研發(fā)和實驗。國際隧道協(xié)會又制定了一套標準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)實現(xiàn)了全自動化拼裝，其主要是通過機器人動態(tài)模型來完成的[2]。通過全自動拼裝，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)機自動控制技術(shù)的現(xiàn)存問題和預期發(fā)展

2.1 建立平衡密封艙壓力動態(tài)的控制模型

密封艙內(nèi)的壓力失去平衡會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的主要難點。專家學者也紛紛增加了對密封艙壓力平衡的重視，同時也對其進行了更深層次的研究和實驗。然而，由于密封艙的壓力動態(tài)平衡進行控制仍然需要更加細致深入的研究，這只能繼續(xù)不斷的進行試驗，這樣才能夠完善和優(yōu)化其設(shè)計。截至目前，國內(nèi)外均未建立起精確完善的密封艙壓力動態(tài)平衡控制模型，因此該控制技術(shù)還有更進一步的發(fā)展空間。在進行后續(xù)的研究工作中，需要對這一方面的原理進行更進一步的分析和研究，建立比較精密的控制模型，實現(xiàn)密封艙壓力控制的全自動化，從而使地面沉降的控制更加精準。

2.2 掘進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

盾構(gòu)機控制土壓的方法通常是預先設(shè)定艙內(nèi)土壓力值，從而準確地調(diào)整子系統(tǒng)的施工參數(shù)來適應施工的實際情況。同時，各子系統(tǒng)之間的工作往往是具有獨立性的，彼此之間的相互聯(lián)系依靠人工操作。為了更精準地控制密封艙的壓力系統(tǒng)，就必須要制定一套科學合理的子系統(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)的各項控制參數(shù)和整個密封艙壓力之間的映射關(guān)系，從而使掘進系統(tǒng)的控制機制更趨于合理化[3]。

2.3 位姿與動態(tài)軌跡的控制

目前來說，盾構(gòu)機的位姿與動態(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現(xiàn)其位姿與動態(tài)軌跡自動化控制。如果遇到比較罕見或者比較復雜的地質(zhì)條件時，就難以實現(xiàn)盾構(gòu)機的位姿和動態(tài)軌跡的精準控制。因此，需要全面地分析能夠?qū)Χ軜?gòu)機位姿產(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)機的運動動態(tài)軌跡，從而能夠使盾構(gòu)機的位姿和動態(tài)軌跡控制實現(xiàn)智能化和自動化。

2.4 控制系統(tǒng)的集成

為了能夠?qū)崟r地監(jiān)控盾構(gòu)機的各個子系統(tǒng)，及時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)機的各項性能、實際功耗、工作成本等多個因素。盾構(gòu)機未來的發(fā)展趨勢應該是擁有更高的掘進性能、更低的能量消耗、更強的地形地質(zhì)適應性，同時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

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

參考文獻

[1] 劉宣宇，邵誠.盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機械工程學報，2010，46（20）：152-160.

[2] 鄧威.盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（10）：14.

[3] 吳運斌.盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中國機械， 2013（13）：215-216.

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