盾构机自动控制技术发展探究

牛少侠

摘要：当前的盾构机集信息技术、液压技术、机电技术于一体，既具备开挖、切削与输送支护功能，还具有纠偏、测量、导向等功能。而随着我国自动化机械的发展，实现盾构机安全、高效掘进施工，施工过程的全自动化、智能化是盾构技术发展的必然趋势。所以为了能够让盾构机更加安全、高效的运行，就应当加强盾构机自动控制技术的研究。基于此，文章就盾构机自动控制技术的应用及其发展进行简要的分析。

关键词：盾构机;自动控制;技术现状;展望

盾构机是用于开挖隧道等地下施工的专用工程机械。盾构机在我国隧道的开掘中起到了非常重要的作用，随着我国自动化机械的发展，实现盾构机安全、高效掘进施工，施工过程的全自动化、智能化是盾构技术发展的必然趋势。未来盾构机的全自动化施工将为人们带来更加丰富的成果。

一、盾构机工作原理

20世纪90年代盾构土压的平衡由仓冈丰采用，用这个理论来控制，但是这个系统的稳定性却无法得到保证。LI设计了自调整PID控制器，它主要运用的是非线性掘进控制系统，这个方式大大的提高了土压的稳定性，随着盾构机系统的科学技术不断发展和进步，采用遗传算法对盾构机的施工参数制定了优化的控制方案和工艺，对于盾构机排土中的螺旋输送机的转速加以控制，引入了驱动公路效率的技术以及自动识别系统，同时根据盾构机的压力分布情况，根据压力控制的数学模型使盾构机的压力控制和液压缸的自动控制得以实现。

二、盾构机自动控制技术现状分析

（一）盾构机掘进系统的自动控制

盾构机掘进系统多采用智能的控制方法，20世纪90年代由仓冈丰采用模糊控制理论来控制盾构土压平衡，但是却无法保证系统的稳定性。LI等在此基础上设计了在非线性掘进控制系统中使用模糊免疫自调整PID控制器，提高了土压的稳定性。随着智能化专家控制系统的不断更新，盾构机自动控制系统中引入了自动识别和驱动公路效率的技术，对盾构机的运行和土体掘进时的压力分布情况的研究，一种盾构机推进系统的自动控制方式产生。根据压力控制的数学模型，和偏差修正等控制策略，使盾构机的压力控制和液压缸的自动控制得以实现。另外胡国良等对排空控制的研究，提出了将PID控制技术在排土控制中使用，实现了螺旋输送机排土的自动控制。

（二）位姿控制

盾构机的位姿主要通过对推进系统的液压缸进行控制来实现的。自20世纪80年代SAKAI等将卡尔曼滤波理论在盾构机的位姿控制方面应用并且建立了控制模型后，国内外的专家和研究人员开始了对盾构机位姿控制的研究。李惠平等根据盾构机控制的特点对模糊控制器的设计提出了“先分后合”方法，更便于调节控制器的性能。之后我国的研究人员在此基础上进行完善，将LabVIEW在盾构机位姿控制器的设计中加以应用，又通过模糊控制器得出千斤顶纠偏控制量，逐渐实现了盾构机位姿的自动控制。为了使系统具有更好的通用性，能够在不同的地质条件下稳定运行，MITSUTAKA提出了盾构机推进过程中动态载荷的理论模型，该模型对盾构姿态影响的各个参数所具有的敏感性进行分析，为提高位姿自动控制的精确度发挥了重要作用。

（三）管片的自动拼装

手工管片拼装存在很多弊端，实现管片的自动拼装十分必要。20世纪80年代，日本最先使用了管片自动拼装的设备，各国开始了管片自动拼装的研究。国际隧道协会针对隧道管片的拼装制定了设计准则。赵志杰等对通用管片进行研究，配合盾构设计轴向的特点，通过多环组合的方法对管片的拼装点位进行选取，并对切向纠偏路线进行制定，开发出虚拟的管片拼装系统。在日欧等国，已经实现了管片的全自动拼装，利用机器人动态模型，实现了管片支护和拼装的全自动控制。

三、盾构机自动控制技术存在的问题和发展趋势

（一）建立以密封舱压力动态平衡为目标的控制模板

密封舱压力失衡会导致地面出现沉降不均的现象，而密封舱压力控制技术则是盾构机自动控制系统的关键技术，目前，对于盾构机密封舱压力控制的研究仅仅还是停留在认知初期和试验层面，还没有形成理论成熟、系统精确的控制模型，导致研究的结果不具备真实性和实用性，从而造成我国盾构机密封舱压力平衡技术落后的局面。因此，在未来的研究方向中，我们应该从分析各个子系统中控制机理的关系着手，从而建立促进密封舱压力平衡的控制模型，再结合先进的自动控制技术，最后实现密封舱压力平衡的自动化控制层面，精确地控制地面的沉降数据。

（二）掘进系统的协调控制策略

在传统的盾构机土压控制系统中，通常都是先预设土仓的压力值，然后再分析施工过程中密封舱压力的波动情况和地表下沉状况来各个子系统的工作参数，例如推进系统、刀盘系统和排渣系统等。各个子系统的工作机理都是相互独立分开的，同时也互不干扰互不影响，并且大多数都是需要通过手动调节，而这种手动调节正是较为滞后的土压纠正方式。密封舱平衡系统需要推进系统、排渣系统和刀盘系统相互联合作用来实现工作效益，因此，为了提高这一关键技术的运用，需要在掘进系统中引入多个子系统调节控制机理，通过最优良的控制机理来协调各个系统的活动。

（三）运动轨迹的动态规划与位姿控制

目前，盾构机位姿系统的控制理论和控制方式都是以人的逻辑思维和行为模式为基础，通过将操作者的操作过程和控制经验进行参数化和程序化后，就可以利用模糊控制策略来实现自动化、智能化操控。这一切都是建立在具备施工记录和施工经验的前提下，若不具备这一有利条件，一旦遇到较为复杂的地形环境和施工工序，盾构机的位姿控制就难以得到有效保障，这也是至今盾构机无法全面实现自动化控制的主要原因。若要实现自动化位姿控制，则要先分析相关影响因素，再建立专业的控制模型，在非完整欠驱动的前提下完成局部可控，最后再求取最优良的位姿控制规律。

四、结束语

随着科学技术与现代计算机技术的高速发展，未来盾构机必然会实现全自动化的施工，全自动化盾构机能够安全、高效的完成施工，可以节约人力物力，还可以缩短工期，但是在各类因素的影响下，盾构机自动技术的发展还存在一系列的难题，有待进行深入的研究。

参考文献：

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[2]林师俊， 张桂菊. 盾构机自动控制技术现状与展望[J]. 农家参谋， 2017（17）：151.

[3]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（2）：148-149.

（作者单位：中铁三局集团广东建设工程有限公司）