顶管掘进机纠偏控制系统的设计与研究*

上海市城市排水有限公司 上海 200233

近年来，地下大直径顶管施工技术代替了传统的施工方法，在我国得到了广泛应用。但随着顶管直径越做越大，顶进距离越来越长，对施工精度的要求也越来越高。上海市污水治理项目白龙港片区南输送干线工程项目采用顶管施工设计直径达4 680 mm，是目前世界上直径最大的顶管项目[1]。 经工前分析，顶管的顶进方向进行纠偏仍然是本项目施工的最关键问题[2]。

现在，顶管机的纠偏控制还主要用手工完成，即定时对机头空间位置进行测量，通过操控换向阀使x、y方向相应的纠偏油缸伸或缩，最终实现机头纠偏[3]，但其缺点是随意性较大。本文依托白龙港污水治理项目，针对该项目顶管特点，对顶管的自动纠偏控制系统进行了研究。

1 顶管工程纠偏系统参数的确定

1.1 长径比确定

长径比是指顶管机前壳体长度与外径的比值，长径比的大小会影响纠偏过程的灵敏度，它的选取需根据施工的地质情况、顶进速度、顶管机外径等因素综合考虑。本机根据施工现场土质及以往经验，选取长径比为1.25。

1.2 纠偏角度

纠偏过程中，机头前后壳体间会形成大于或小于180°的角度，极易引起地面的沉降或隆起，应尽量采用小纠偏角度，根据经验通常采用纠偏角度为±（2～2.5）°。

1.3 纠偏油缸推力的确定

顶进过程中机头往上偏的工况为最恶劣工况，所需纠偏力最大，除了克服土荷重及水压形成的力以外，还须克服自重。所以本机选定机头往上偏的工况为基准来决定油缸的推力。油缸的布置方法为井字形均匀布置，并假设4 组（8 台）油缸均衡受力。由于覆土较深有土拱作用和纠偏过程只是对部分土的1 次压缩过程。故纠偏过程中仅在机头前上方表面有分布阻力，根据施工现场土质和经验，这个分布力在150 kN/m2左右[4]。

如图1所示，A为最下一组油缸，它在往外推时，机头是以O点支点转动，机壳是轴向受力情况。径向则按中心角120°垂直投影至水平面均布受力。故投影面的合力为：

式中：f——投影面上所受的合力（kN）；

P——经验分布力，为150 kN/m2；

L——机壳长度为4 m；

D——顶管外径（m）。

图1 纠偏系统受力简图

根据式（1）纠偏时，Φ4 680 mm顶管机120°投影面上所受的合力f为：f=2 432 kN。

为了安全起见，取f'=2f，同时作为B点的阻力，可略去顶管机的自重，然后简化为图2所示的力矩关系，其力矩平衡式为：

式中：F——两组油缸的推力之和（kN）；

OA——油缸作用力臂（m）。

由于采用井字形布置，OA就是油缸分度圆直径d（4.11 m）的

根据式（2）计算得：F=6 695 kN。所以，每台油缸的推力定为1 674 kN，每组2 台。

上述计算过程中，把影响纠偏油缸推力的结构布置也考虑其中，因此是比较合理的。

1.4 油缸直径计算

单缸工作推力计算公式为：

纠偏油缸的工作压力P=32 MPa，单缸工作推力 =1 674 kN，代入式（3）计算得油缸内径为：D缸=258 mm。

查手册，取D缸=280 mm。根据计算所选用的纠偏油缸工作压力P=32 MPa，缸径D缸=258 mm。

1.5 纠偏运动学仿真分析校核

由于纠偏油缸采用井字形布置方式，在纠偏过程中，纠偏油缸不仅仅是简单的伸缩运动，还伴有绕油缸座的旋转运动以及绕自身中心轴的旋转运动。因此纠偏油缸与油缸吊耳间采用球铰连接，避免因圆柱连接带来的卡死、增加油缸杆受弯扭等问题的产生。根据运动分析要求建立分析模型，如图2所示。

图2 纠偏系统运动学仿真模型

根据模型运动学仿真检测设计模型，分析在纠偏角度达到极限值2.5°时是否存在运动干涉，以及纠偏油缸的实际位移量。分析结果如图3所示。

为了使设计的产品能够完成极限纠偏角达2.5°的要求，对极限位置时前后壳体进行干涉分析，前后壳体间的周向最小间隙为3.4 mm，不会发生运动干涉的情况，设计符合要求。

图3 运动学仿真结果

由于纠偏时后壳体与前壳体间的密封圈必然受到压力作用，从图4的动力学仿真来看，在纠偏角最大时密封圈整体受力比较均匀，可以保证在纠偏过程中不会发生由于间隙不足产生的卡死或者间隙较大侧发生密封不良等情况。

图4 密封圈受力仿真结果

2 自动引导测量系统

自动引导测量系统是顶管掘进机自动纠偏控制系统中非常重要的一块子系统。自动引导测量系统不仅引导顶管机头方向，而且该子系统将测出的顶管机头姿态数据传输给计算机，由计算机智能判断，然后油缸根据数据进行自动伸缩来纠偏，同时也是可以判断当前的纠偏措施是否产生效果的保障。

2.1 自动导向系统简述

系统由测量机器人（ART自动搜索功能）、自动整平基座、信号控制通信箱、工业计算机、通讯电缆线、倾斜仪传感器和配套软件等组成[5]。通过计算机发出指令，测量机器人就开始工作进行自动测量，测量数据实时传输给计算机，计算机进行数据处理，智能判断测量精度和数据准确性，验算无误后，测量结果经过软件计算分析，最后得到顶管机机头姿态并可视化显示[6]。顶管司机可以通过可视化显示的结果，更直接、更形象地了解顶管机推进的趋势，以便根据不同的地质和周边环境监测实际情况，来调整一些相关的施工参数，以更好地顺利完成顶管施工工作。

2.2 系统的基本原理

系统仍基于传统的连续支导线测量方法。由于顶管施工中整个管节都在向前移动和不能直接测到顶管机中心位置，因此根据不同类型顶管机、不同直径大小、不同曲率线型顶管施工特性，逐级设站，最后一站尽量安置在离顶管机50 m范围。

根据顶管机头设定目标点（P1，P2）三维坐标的实测值，结合倾斜仪传感器自动传给的数据，采用通过三维向量归算法，得到顶管机中心点坐标，然后运用常规测量偏差计算方法求解，最后得出机头姿态偏差数据结果[7,8]。

2.3 系统的工作流程

系统基本工作流程如图5所示。

图5 顶管机姿态导向系统运行流程

3 自动纠偏控制系统的探索

根据现有的PLC控制技术、模糊控制技术以及图像识别技术，拟设计顶管自动纠偏系统如图6所示。

图6 顶管自动纠偏系统

由前述自动引导测量系统测得顶管机空间姿态位置值Bx、By、Bz（其中顶管轴线位置Bz跟纠偏操作无关），把Bx、By作为反馈量与控制目标线型导入量Rxy进行比较，比较差值作为模糊控制器的输入Ex、dEx和Ey、dEy。通过模糊控制规则表可查得x、y两组纠偏油缸伸缩量的模糊值，把该模糊值输入PLC可编程控制器，控制相应方向阀换向及对应纠偏油缸伸缩，最终实现机头的自动纠偏。

预设输入语言变量Ex，dEx和Ey，dEy的波动范围[－nEx，nEx]、[－ndEx，ndEx]、[－nEy，nEy]、[－ndEx，ndEx]即基本论域，考虑到顶管口径、实际土质及控制的方便性，输入输出语言变量各定义5个模糊子集：负大（NB）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）和正大（PB）。其中每一个语言变量对应一个模糊子集。论域及量化因子见表1。

模糊控制的规则为：“ifEand dE， then U”，U通过换向阀最终对应的是纠偏油缸的伸缩量。根据模糊子集，可得出25 条控制规则：

IfE=NB and dE=NB，thenU=PB；

IfE=NB and dE=NS，thenU=PB；

IfE=NB and dE=ZO，thenU=PS；

……

控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则表

4 结语

本文依托上海白龙港管道的工程实践，对工程所需顶管的纠偏系统进行了探索性设计。根据施工的地质结构特点，计算设计了顶管的推进油缸。该自动引导测量系统对顶管顶进的方向进行连续测量，及时发现偏差，再通过自动纠偏控制系统，对顶管偏差方向进行修正，使其按照预期方向顶进。