盾构自动控制技术现状与发展展望

张军荣/ZHANG Jun-rong

（中铁三局桥隧工程有限公司，四川 成都 610000）

为了满足公共交通的基本需求，缓解地面交通的拥堵，我国正在大力开发和建设地下隧道工程。盾构是集信息、机电、自动控制和液压技术于一体的新型智能机器设备，不仅可以完成地层切削，对隧道中心导线方向也可以指导和纠正偏差。近年来，我国正大力发展盾构自动控制技术，但盾构自动化控制施工或人员操作还需进一步加强，多项技术有待改进优化。

目前全国地铁施工一片火爆，地铁施工安全卡控严，进度要求快，质量要求高，成本压缩已是一种趋势，所以对设备要求越来越高，提高设备自动化，减少人力资源，提高施工质量和工作效率势在必行。

1 盾构的发展概述

盾构类型多样化，按照其结构特点主要可分为四大类：手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾构和机械式盾构。盾构的技术发展非常的迅速，可以总结出几个特点：①盾构掘进距离长，断面直径大，适用地层广，如硬岩、砾石、软土等；②盾构的断面的多样性，无论是矩形、马蹄铁、椭圆形等都有相应的断面盾构。在切割模式下，有摇动、摆动等方式选择；③盾构的技术含量越来越高，各种PLC集成控制、远程控制技术、激光导向技术、视频技术已应用于盾构；④盾构开挖、排渣、分段装配逐渐应用自动化控制技术，盾构掘进方向、姿态系统、管理系统和故障排除，自动化控制技术越来越完善。

2 盾构自动控制技术现状分析

盾构掘进技术经过多年发展，不断改进，已经发展出相对比较成熟的泥水平衡盾构和土压平衡盾构，从当初的只能掘进单一的地质条件，到现在全国各种地层，如砂卵石地层，硬岩地层，富水软土及复合地层等。盾构技术的进步主要体现在工法和如施工工艺方面，如成都地铁区间隧道地质上软下硬，施工初期出现地表沉降，刀具剧烈磨损现象，经过多方学习讨论，采用调线和沿区间注浆加固，后期隧道内二次注浆等措施，圆满完成业主的节点要求。新的工法层出不穷，而纵观盾构设备的发展就显得滞后。盾构掘进设备仍处于发展的初级阶段，很多的技术问题尚未得到解决，不能应用于各种复杂的工程地质条件和环境条件的复杂项目。

2.1 盾构掘进系统的自动控制

现在主流的压力平衡盾构分土压平衡盾构和泥水平衡盾构。目前盾构掘进时主要的压力平衡方式还是通过观察土压传感器的反馈回来土仓压力值，采取相应的措施使土仓压力稳定。土压平衡盾构通过调节螺旋机转速以控制出土量，匹配掘进速度，在辅以其他措施（如加水加泡沫等），尽量让土仓进土量等于出土量，使土仓压力在一定范围内的波动，形成一个动态平衡，保持开挖面稳定，防止地表沉降，减小地层扰动。泥水平衡盾构则通过及时补充土仓泥浆或者加大泥浆泵流量，调节推进速度，在辅以其他措施（如加减泡沫流量），保持土仓压力稳定。但是这个压力波动的值取决于操作手的水平，这样的控制方式比较粗犷。

盾构掘进系统的另一个压力平衡采用空气压力平衡系统。空气压力平衡系统把开挖和排碴等能引起土压变化的因素作为扰动因素，控制方式是负反馈闭环控制，可以有效地解决多个扰动的影响，使土压力保持平衡。空气压力平衡系统是德国SAMSON公司设计制造的一种全气动的压力调节装置，安装在前仓壁上的压力变送器随时检测实际土压值，压力调节阀比较测得值与设定值，然后控制进气阀调节气垫仓的压力使之保持恒定。这套系统也有弊端，精度高，使用条件苛刻，故障率高，维修成本昂贵，在盾构施工中不能满足经济性要求，只有在泥水平衡盾构和带压换刀时使用比较多。

不管是泥水平衡盾构还是土压平衡盾构，渣土改良技术都作为掘进过程中一个关键的参数。由于地层的复杂性，目前所有的盾构的渣土改良效果都是通过人工判断，然后调整改良材料的注入量。这一过程的难点在于地层复杂多变，改良措施相对单一。

2.2 位姿控制

盾构姿态监测是通过自动导向系统和人工测量辅助。自动导向系统能够适时显示盾构当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。操作手通过调整推进油缸的推力控制盾构掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。

控制方式简单但是在实际操作需要结合现场实际情况考虑诸多因素，如下一环拼装点位，盾尾间隙，铰接行程差。目前自动导向系统已能根据现在掘进信息，模拟隧道的管片拼装情况，操作手可以把拟合情况作拼装点位选择的一个参考。设备主要还是以人工搬站复测，每台设备配备足够的测量人员，定期到设备搬站，这一过程时间长短由测量人员水平决定。每环测量管片姿态校核隧道走向，检查掘进线路是否和隧道设计线路一致。

2.3 其他系统的自动控制

同步注浆系统是随着盾构掘进使用砂浆填充盾尾和管片之间的间隙，是防止地表沉降的有效措施。同步注浆系统在自动控制模式时，当注浆压力小于预先设置的起始压力值时，注浆泵按照事先设定的注浆速度进行注浆，直到该路注浆压力达到设定的最大压力，停止此路注浆。随着盾构向前推进，此路注浆压力值将减小，当减小到小于设定的起始压力，此路注浆泵再次启动。

盾尾油脂系统是防止浆液和地下水从管片和盾尾间隙漏进盾体内部的主要措施。盾构按照“参数设置”界面“盾尾密封系统”的“注脂次数”和“等待时间”从“前部上右”到“后部上左”循环注入；行程控制模式下将按照“参数设置”界面“盾尾密封系统”的“行程距离”，每到一个行程距离，循环注脂一次。压力控制模式下将按照“参数设置”界面“盾尾密封系统”的“最大压力”，循环注脂，直到达到设定的压力。

主驱动密封系统和迷宫密封系统主要确证设备正常使用的安全措施，采用了自动润滑系统。渣土改良系统也加入了自动控制系统。目前纵多自动控制系统多以自动控制模式为主，缺乏灵活应用，自我反馈滞后。正常掘进的时候都是自动控制辅以人工调节参数。

3 盾构自动控制技术展望

3.1 控制模型创建

地面沉降现象能反映盾构技术的实际水平，地表沉降的主要是由于土仓压力失稳。随着地铁建设的快速发展，盾构数据实现大量收集，可以通过以往数据的大数据分析，对各个地质条件选出最佳的掘进参数和最好的渣土改良方法，寻找其中的规律。建立刀盘、推进和排渣等系统的模型，设定匹配数据，使各系统协调工作，实现土仓压力的自动控制，并确保地面保持在精度要求，推进速度自动控制模型。

3.2 掘进系统协调控制

目前土仓土压通常是经过计算得出一个预设的压力值，在试掘进中根据施工中的地表沉降、土仓的压力等得出一个最佳值，在施工还根据掘进参数和测量结果灵活变化。各子系统的工作是完全独立的，大部分参数协调都是人工调整的，这样的很考验操作手的水平。地铁施工都做了地勘详勘，可以事先录入地质水文信息，线路走向内容。根据地勘信息可以对渣土改良系统的需求量和地层的渗透系数有相应理解，始发时设置好各种预备值，刀盘转速扭矩，选择最优的推力和推进速度，智能化识别渣土改良效果，根据识别结果，合理调整改良措施。以推进速度和土仓添加物，以及地下水文情况，自动控制螺旋转速，做到以出土量为主要控制，辅以土仓压力控制措施，保证土仓压力稳定，各子系统协调控制以达到一个良性循环。

3.3 位姿控制和运动轨迹动态规划

目前的盾形姿态控制是操作手以自动导向系统的盾构姿态监测数据为基础做出的逻辑推理过程，结合专家经验进行模拟，在完全智能控制中，采用相关的模糊控制方法或直接手工操作。然而在该地质情况缺乏记录的情况下，一旦遇到没有记录的复杂的地质条件，无法给出准确的预测。需要对具体的影响因素进行了分析（如铰接行程差，盾尾间隙），逐项创建控制模型，在其搜索最优姿态控制律的前提下，分析多目标优化算法，实现动态规划的目标，逐步调节盾构姿态，这也是盾构姿态和轨迹跟踪过程实现自动控制的关键。若要实现姿态自动化控制，则要先分析相关影响因素，再建立专业的控制模型，先完成局部可控，再进行优化寻求最优良的位姿控制规律。另外，在研究盾构掘进的运动轨迹时，应该使用多目标优化算法，这样既可以掌握运动轨迹的动态规律，还可以构建轨迹自动跟踪系统。利用现在先进控制技术使设备按照规划曲线掘进。更需要简单方便的测量仪器来简化测量方式，减少人工搬站带来的误差，提高搬站效率。

3.4 系统集成和优化

目前，盾构设备依然是高耗能，低效率，控制系统的技术还不完善，需要对盾构的控制系统进行集成化研究，增加各子系统之间的协调工作。为了研发可以适应不同地质条件的盾构，还需要加强开发集控制与检测一体化的控制系统，这是未来盾构的发展方向。其次，为确保对盾构的各系统进行实时的信息监测和控制，并且在建立盾构控制系统时要将机器的性能、功耗、成本等各个因素考虑进去，设计出具有地质适应性强，掘进速度快，低能量损耗的集监测、协调控制于一体的集成化控制系统，这是盾构发展的大势所趋。

4 结 语

从盾构的发展过程可以看出设备自动化程度直接影响着设备的工作效率和人力资源的耗费。从当初人工为主的手掘式盾构一月几十米到现在的机械式盾构一天几十米，从单一无水地层到现在复合地层，工作效率几十倍增长，应对各种复杂地层，安全性提高，人力资源使用还有所减少，劳动强度降低。为了保证盾构施工设备在实际施工过程中能够更加安全、高效地运行，盾构施工设备在施工过程中需要采用自动控制的方法。在科学技术不断发展进步的同时，盾构技术也取得了盾构控制系统的发展、自动化水平，无论是理论研究还是实际研究，都取得了良好的效果。然而，面对较为复杂的地质环境，盾构掘进机的自动控制仍存在许多问题。因此，在提高盾构自动化水平和控制精度的过程中，应遵循高效、安全、节能的原则，采用系统集成策略，以保证盾构控制系统自动化控制水平的不断提高。