盾构机自动控制技术现状与展望

兰艺森

摘   要：针对隧道、地下综合管廊等需要在地下进行施工的工程，盾构机已经成为其施工过程中必不可少的机械设备之一。地下工程的施工属危险性较大工程，需要确保较高的安全性，但因我国各地区地质环境复杂多样，施工工况也较不稳定，因此，在施工过程中往往面临许多不确定因素。受此因素影响，地下施工工程往往面临着很多难以提前预知的危险和困难。为提高施工的安全系数，必须逐渐在施工过程中引入自动控制技术，使盾构机的掘进工作更加智能和信息化。本文主要介绍了盾构机的自动控制技术现状，并简要地分析了自动控制技术实际使用过程中所存在的问题，并据此对其未来的发展进行了预期和展望。

关键词：盾构机  自动控制  现状  展望

中图分类号：U455.39                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）12（a）-0250-02

为了满足日益增长的生活需求和经济发展需要，我国逐渐增加了地下隧道等工程的建设数量。盾构机是用于地铁、隧道、涵洞挖掘的高端技术装备，被公认是衡量一个国家装备制造业水平和能力高低的关键装备，更是名副其实的“国之重器”，盾构法已是应用于城市轨道交通隧道建设中的首选。地下工程施工往往会受到诸多不确定因素的影响，如复杂的地质环境和难以掌控的施工工况等。为了尽可能地降低地下工程的事故发生率，盾构机逐渐朝着自动化、智能化的方向发展。现如今，盾构机已经呈现出更加复杂多元的发展，集机电技术、液压技术、信息技术、自动控制技术于一体，属于多学科、多领域交叉的智能化综合性设备，不仅能够完成一些传统的工作，如开挖、输送等，而且还具备了测量、导向和纠偏等几种新型功能。近年来，我国的盾构自动化技术得到了极大程度的发展，盾构机掘进的智能化水平也呈现出逐年上升的良好趋势，但是，从综合情况来看，我国盾构机的自动控制技术仍然处于起步阶段，许多操作仍然依赖于人工控制，相较于西方发达国家的技术来说仍有很大的差距。要实现盾构机的高质、高效施工，必不可少的条件就是要不断完善设备的自动化。

1  盾构机自动控制技术的发展现状

1.1 掘进系统的自动控制

盾构机的掘进系统往往采用的都是智能控制的办法，20世纪90年代以来，模糊控制理论在控制盾构土压平衡方面得到了广泛的应用，但是这一理论无法确保系统的安全性和稳定性。在此基础上，在非线性掘进控制系统中引入了模糊免疫自调整PID控制器来保证土压的稳定。随着研究的不断深入，该技术得到了进一步的完善和改良，遗传算法被用于优化盾构机的施工参数，控制方案也更加完整和合理。随着对盾构机排土的控制分析程度进一步加深，螺旋输送机的转速也得到了更好的控制，因此盾构机的土压平衡也就会做的更加良好。各行業专家学者不断加大对智能化控制系统的研究力度，使其得到了不断的更新，盾构机的自动控制系统也与自动识别和驱动公路效率的技术进行了有机的融合，这促使了该技术的进一步发展完善[1]。

1.2 位姿控制

盾构机的位姿控制主要是推进系统液压缸来完成的。1980年以来，卡尔曼滤波理论已经建立了比较科学的控制模型，并在盾构机位姿的控制方面得到了一定的应用，国内外与此有关的专家学者也展开了对于盾构机位姿控制的各项研究和实验。根据盾构机控制的特点，模糊控制器的设计主要采取的是“先分后合”的方法，经实验证明该方法更有利于调节控制器的相关性能。后来，我国的研究人员又以此为基础进行了进一步的完善，逐渐实现了自动化的盾构机位姿控制。为了使该系统的通用性更加良好，且能够保证在不同的地质条件下工作都不会受到其他因素的影响，动态载荷的理论模型又得到了广泛的研究。这一模型能够分析盾构姿态各个参数的敏感性，也就能够提升位姿自动控制的精准程度。

1.3 管片的自动拼装

由于传统的手工拼装方式存在许多的弊端，因此实现管片自动拼装是势在必行的。20世纪末，日本最早开始使用管片的自动拼装设备，随后世界各国都展开了对于管片自动拼装技术的研发和实验。国际隧道协会又制定了一套标准化的体系来管理隧道管片的拼装流程。在日本、欧洲等地区管片几乎已经实现了全自动化拼装，其主要是通过机器人动态模型来完成的[2]。通过全自动拼装，不但降低了人工成本，提高了作业人员的安全保障，而且消除了人工拼装的错误，从源头上提高了管片拼装质量和稳定性。

2  盾构机自动控制技术的现存问题和预期发展

2.1 建立平衡密封舱压力动态的控制模型

密封舱内的压力失去平衡会使隧道开挖过程中产生地面沉降，这也正是盾构研究过程中所要面对的主要难点。专家学者也纷纷增加了对密封舱压力平衡的重视，同时也对其进行了更深层次的研究和实验。然而，由于密封舱的压力动态平衡进行控制仍然需要更加细致深入的研究，这只能继续不断的进行试验，这样才能够完善和优化其设计。截至目前，国内外均未建立起精确完善的密封舱压力动态平衡控制模型，因此该控制技术还有更进一步的发展空间。在进行后续的研究工作中，需要对这一方面的原理进行更进一步的分析和研究，建立比较精密的控制模型，实现密封舱压力控制的全自动化，从而使地面沉降的控制更加精准。

2.2 掘进系统的协调控制策略

盾构机控制土压的方法通常是预先设定舱内土压力值，从而准确地调整子系统的施工参数来适应施工的实际情况。同时，各子系统之间的工作往往是具有独立性的，彼此之间的相互联系依靠人工操作。为了更精准地控制密封舱的压力系统，就必须要制定一套科学合理的子系统协调控制策略。这就需要分析和研究子系统之间的耦合关系，深入地研究子系统的各项控制参数和整个密封舱压力之间的映射关系，从而使掘进系统的控制机制更趋于合理化[3]。

2.3 位姿与动态轨迹的控制

目前来说，盾构机的位姿与动态轨迹控制的完成主要是依赖于人工操作，其次是利用模糊控制策略来实现其位姿与动态轨迹自动化控制。如果遇到比较罕见或者比较复杂的地质条件时，就难以实现盾构机的位姿和动态轨迹的精准控制。因此，需要全面地分析能够对盾构机位姿产生影响的各种综合性因素，建立起一套比较精密的控制模型，并合理地规划盾构机的运动动态轨迹，从而能够使盾构机的位姿和动态轨迹控制实现智能化和自动化。

2.4 控制系统的集成

为了能够实时地监控盾构机的各个子系统，及时地收集其在工作过程中产生的各类信息和数据，这就需要综合地考虑盾构机的各项性能、实际功耗、工作成本等多个因素。盾构机未来的发展趋势应该是拥有更高的掘进性能、更低的能量消耗、更强的地形地质适应性，同时还要建立起一套集成化控制系统，能够集监控、协调于一体[1]。

3  结语

想要做到盾构机的工作要更加高效、精准，同时保证施工过程中的安全性，就必须提升其智能化和自动化的水平。随着自动化水平的不断提升，盾构机结构也将日益完善和优化，未来盾构将朝着更适应、更快速、更安全的智慧化无人掘进方向发展。我国在做到盾构机全自动化控制施工的过程中任重道远，在此过程中可能需要面对诸多的难题，这就需要各界专家学者不断的攻克各种技术难题，使盾构机的作用得到更好的发挥。在国内庞大盾构应用市场的支撑下，盾构施工技术将越来越完善、越来越专业。在未来，中国必将是盾构应用最多、技术水平最高的国家。

参考文献

[1] 刘宣宇，邵诚.盾构机自动控制技术现状与展望[J].机械工程学报，2010，46（20）：152-160.

[2] 邓威.盾构机自动控制技术现状与展望[J].山东工业技术，2017（10）：14.

[3] 吴运斌.盾构机自动控制技术现状与展望[J].中国机械， 2013（13）：215-216.

[4] 王永新，任东.盾构机自动控制技术现状与展望[J].企业文化旬刊，2017（8）：262.