盾构机自动控制技术的初步探讨

李子刚

（北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司，北京 100070）

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。在实施地下工程建设时，盾构机的应用频率较高。其可以重点在挖掘隧洞环节发挥优势功能。为提升地下作业的安全性，该设备日益向自动化和信息化方向发展。当前，盾构机是集合信息、自控和液压等多种技术的新型设备，不但能够完成土体的挖掘、传送，还可以对工程的实施方向和错误进行纠正。

1 盾构机自动控制技术现状分析

1.1 盾构机掘进系统的自动控制

设备的掘进系统能够实现智能化的控制。早在20 世纪90 年代，实施土压平衡还需借助模糊控制的理论作为实施保障，且系统的稳定性也较差。通过后期的创新实践研究，技术人员采用遗传算法的形式对设备的参数进行了优化，此外，还提升了螺旋输送机的控制功能，全面提高了盾构机设备的土压平衡性。在智能化技术的推进下，将自动识别和驱动公路效率等相关技术在自控盾构机系统中进行了全面应用，不但能自主分析挖掘的实施情况，以及外挖掘对土壤压力的分布，还能自主控制并确定使用的推进系统类型。通过构建压力模型和引入具有修正偏差的技术，促进设备液压缸及控制系统能够实现自动化的管理效果。

1.2 位姿控制

技术人员可以从对液压缸的平衡性的控制入手，实现对盾构机位姿的同步管理。在20 世纪80 年代，对盾构机位姿的控制不但形成了控制模型，还将卡尔曼滤波理论引入应用中。此后，相关研究人员便对设备的位姿控制开展了更深入的研究。相关专家以传统设备控制系统为基础，应用先分后合的思想对模糊控制器进行方案设计，有效提升控制器的调节功能。此后，盾构机的位姿控制系统还使用LabV IEW 技术，基于模糊控制器的研究计算出千斤顶的纠偏控制量，以此大力推动盾构机步入自动化的行列。

1.3 管片的自动拼装

使用传统方式完成管片的拼装，确实存在较多的问题。因此，推进自动管片拼装技术的应用，不但能够简化工序流程，还能提升工程实施的精准度。在20 世纪80 年代，最先使用该项技术的国家是日本，此后，其他国家也逐渐更多关注到此类技术的研发与应用领域。国际相关协会组织还专门针对隧道管片形成相应的机制。当前，发达国家已经处于管片自动拼装使用的成熟阶段，可以借助动态模型实现对管片的自动安装。

2 盾构机自动化控制存在的问题分析

盾构掘进设备在目前来讲是较为前沿的设备类型，其综合了土木、信息等多领域的技术，在全自动的工程实施过程中，已经表现出较为明显的优势。但与国际先进水平相比，还有一些难题需要解决。

2.1 密封舱压力控制技术不成熟

地面出现沉降和密封舱的压力失衡有关。对此，多数研究人员已经就密封舱动态平衡控制进行了多元化的探索，均未能总结出精准度和应用范围更广的模型。因此，密封舱技术发展至今，也难以上升到成熟水平。如何对掘进系统分支的控制机理进行耦合关系分析，基于密封舱压力动态平衡进行控制模型，提升地面沉降的自动控制效果具有更深远的影响。

当前，盾构机的土压控制需设置具体的压力值，且需随时监测地表的沉降和密封舱压力变化，依据具体的参数进行实施推进。通常通过手动方式完成调节。但这与高精度和控制效果的目标还有一定的距离。当前，重要研究目标为盾构机所有子系统之间的控制参数、密封舱压力变化等的优化，在冗余输入和多维度的约束条件下，如何实现对强耦合控制系统的控制，达到理想的智能化效果。

2.2 高精度、高效控制不完善

对于盾构机的位姿控制已经在上文做出了详细分析，通过机器人模仿的推理和决策对操作进行程序化的模仿实施，从而以智能化的技术代替人工，在当前的施工中应用率较高的方式。但如果施工区域的地理环境较为复杂，智能化的自动程序便会在预测和控制位姿等方面出现偏差。同时，从当前的应用效果分析，约束欠驱动系统对位姿的控制还未实现更大范围的应用，因此，应动态设计盾构机掘进的线路，从而实现对轨迹等进行自动化的控制。

2.3 集成控制系统需要优化

在实施盾构机各个子系统的检测时，需同时考虑执行元件等方面的特征，使用性能较高且能量消耗较小的方式，深入研究多源驱动和控制系统之间的联系，包括能耗映射规律等方面。此外，还需反复对掘进性能等装备的控制系统进行不断优化和创新，从而使其适应各类性质的检测和信息整合，达到对施工过程的协调控制。

3 盾构机自动控制技术展望

3.1 控制模型创建

地面出现沉降，主要由于盾构机密封舱的压力失衡，因此对实施盾构实际技术开展相关研究也成为当前研究人员的主要方向。当前，我国还未形成可靠性更强的控制模型，难以实现大范围的应用，技术也不够完善。对此，研究人员需在今后的研究中进一步深化对机理对应的耦合关系的研究，形成以密封舱压力平衡为总体目标的模型，综合使用各类控制时藕断实现对密封舱的控制，从而实现地面沉降的精度标准。

3.2 位姿控制和运动轨迹动态规划

当前，对位姿系统的控制理论及方式均以人类的思维为基础实施的模仿，对操作者的具体实施流程和控制方面的相关经验进行参数化整理，便可以在模糊控制理念的指导下完成自动化操作，并以形成的完善的记录和经验素材为基础实施。如果不具有上述条件，盾构机的位姿控制一旦在复杂程度较高的环境下实施，便会导致控制效果不佳，这也是自动化难以大范围应用的根本原因。如果想得到理想的位姿控制效果，便需先分析能够对控制效果产生影响的因素，此后，形成相应的控制模型，在非完整的调价下实现对局部的有效控制，再计算出最优化的位姿控制方法。此外，在实际研究掘进运动轨迹时，通常可以使用多目标的运算方式进行，这种方式不但能够明确反映出运动轨迹的规律，还可以对轨迹进行自动的跟踪，从而实现理想的控制效果。

3.3 系统集成和优化

多个子系统若想实现信息的控制和共享等功能，便需基于盾构自身的特点出发，在实施控制系统的创设时，将性能、成本和能耗方面的指标作为总体的追求目标。以这种指导思想实施系统建设，需进一步加强对多元驱动系统的研究，将掘进性能及节能等方面的因素作为限制性条件，支持各类地质优化控制系统，这也可以作为盾构技术在未来的核心发展目标。

3.4 掘进系统协调控制

目前，实施土压控制需提前设置压力参数，在实施的过程中参照沉降等设施进行优化调节。此外，每个子系统的运行均是独立的，大部分系统需通过手工方式完成调节，可见这种调节方法难以适应当前的技术发展要求，表现出明显的落后特征。盾构密封舱的压力其实是由各个子系统通过耦合最终确定，因此，为了切实其设施能够控制的精确性，该系统则需对多个子系统进行综合的协调和控制，从而应用更适用的方式对子系统的运行进行有效的监控，最终保证变量获得及时的改进和优化。以某地区的地铁项目的盾构区间来说，该项目中的盾构掘进是通过人工方式对中央的控制实现的，技术人员对正面土压力进行计算得出最终的结果。在整个工程的实施过程中，需在盾构机的上下和正面位置设置土压和水压传感平衡系统，同时，在盾构机前设置岩土勘探系统。当出土的闸门启动后，便可以同步启动传送机、输送等，推动千斤顶，并对其机芯能够油压调控。到此环节，刀盘会完成土体的切削，从而保证盾构处于前行的运行状态。此前设定的正面土压力会决定此时的出土和掘进速度，对其进行人为的控制。整个系统表现出较高的协调性，最终辅助盾构按照设计的轴线完成推进。

4 结语

科技的发展带动了计算机技术在多领域发挥优势功能，随着研究深度的不断加强，盾构机在未来的应用中必然会实现全自动的施工，达到更高的安全性和有效性。此外，还可以大幅节省人力和物力成本，在施工期限方面也做到了合理压缩，为施工方创造更高的经济收益。但受到各类因素的影响，盾构机技术在实际应用过程中也会凸显一定的问题，需要研究人员加大研究力度，不断探索出更科学的解决措施，从而促进该项技术能够大范围应用到具体的项目施工中，有效代替人工完成高难度的施工项目。