盾构机自动控制技术现状分析及展望

文/杨雄 中铁十八局集团轨道交通工程有限公司 广西南宁 530000

盾构机是用于隧道地下工程的重要机械设备，其对隧道地下挖掘工作有着极大的促进作用，因此，应该充分发挥盾构机的最大效益。由于地下施工环境相对恶劣，地下工程施工不仅难度大，并且危险系数高。为了保障地下工程施工人员的安全，应该大力投入自动控制技术盾构机的使用，通过先进技术和先进设备来有效地避免安全隐患，最大限度地提升挖掘作业的效率。

1、盾构机自动控制技术现状分析

1.1 位姿控制

通过控制液压缸的平衡来实现对盾构机的位姿控制，20世纪80年代，盾构机的位姿控制不仅建立了特定的控制模型，还积极引入了卡尔曼滤波理论的应用，此后，中外专家和研究学者投入到对盾构机位姿控制的深入研究当中。李慧平等专家在传统盾构机控制系统的基础之上，对模糊控制器的设计方案导入了“先分后合”的理念，这样可以有效地提高控制器的调节性能。然后，盾构机位姿控制系统还引入了LabVIEW技术的应用，并且在模糊控制器的基础上研究出千斤顶纠偏控制量，从而有效地推动盾构机进入自动化的发展潮流中。

1.2 管片的自动拼装

传统的手动管片拼装存在着许多缺陷，因此，应该大力推动自动管片拼装的发展，不仅可以减少施工工序，还可以提高施工的精确性和效率度。20世纪80年达，日本是最开始研究自动管片拼装的国家，此后，各国纷纷进入自动管片拼装技术研究。国际隧道协会专门为隧道管片的拼装建立了相关设计机制，目前，发达国家已经全面进入了管片自动拼装的时代，通过机器人动态模型来协助管片全自动拼装的过程。

1.3 盾构机掘进系统的自动控制

盾构机掘进系统是一种智能化的控制模式，20世纪90年代，盾构机的土压平衡还需要通过建立模糊控制理论来保障，但是总体系统还是处于不稳定的状态。通过不断地创新和改良后，专家们通过遗传算法改良了盾构机的施工参数，同时还加强了螺旋输送机的控制能力，从而有效地提升盾构机的土压平衡性。另外，随着智能技术的不断升级，自动识别技术和驱动公路效率技术快速地投入到自动化控制盾构机系统中，不仅可以自动分析土体挖掘情况和挖掘时土体的压力分布情况，还可以自动控制和选择使用何种推进系统。

2、盾构机自动控制技术展望

2.1 控制模型创建

产生地面沉降现象的主要原因为盾构机的密封舱压力失去平衡，所以，对于这个可以反映出盾构实际技术水平的重要技术，很多学者都开展了相应的研究。由于确实深入理解，当前还没有给出可靠的控制模型，实用性结果较少，技术不够成熟。在此情况下，后期需要深入探究控制机理对应的耦合关系，创建一个将密封舱压力动态平衡为根本目标的模型，合理运用各种控制方法，实现对密封舱压力的自动化控制，进而确保地面沉降保持在精度要求内。

2.2 位姿控制和运动轨迹动态规划

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。另外，在研究掘进运动的运动轨迹时，应该使用多目标优化算法，这样不仅可以体现运动轨迹的动态规律，还可以建立轨迹自动跟踪系统。

2.3 系统集成和优化

为实现多个子系统的信息检测、控制、共享和通信，并充分考虑盾构自身特点，在创建控制系统的过程中，需要将高性能、低成本和低能耗作为根本目标。基于这种思想，需要对多源驱动系统等进行深入的研究，设计将掘进性能和节能作为约束条件，支持多种地质条件的优化控制系统，同时这也是盾构技术后续发展的主要方向之一。

2.4 掘进系统协调控制

当前的土压控制通常是预先设定一个压力值，在具体施工中依据沉降、密封舱压力等设施调节。与此同时，子系统的工作是完全独立的，大多由手工进行调节，而且此类调整方法属于滞后式。由于盾构密封舱实际压力主要由各个子系统通过耦合进行决定的，所以，为实现高精度控制，该系统需要运用多个子系统协调的方式进行控制，以最佳方法对子系统运动进行控制，确保控制变量得以实时调整及优化。以某地铁工程盾构区间为例，该工程盾构掘进主要由操作司机在中央控制中完成，由技术人员经计算初设正面土压力值。施工过程中，在盾构机正面与上、下方分别设置土、水压传感器监控平衡系统，并在盾构机前方安设岩土勘探系统。开启出土闸门，分别起动皮带输送机，螺旋输送机和刀盘，推进千斤顶，对各千斤顶油压进行正确调整。此时，刀盘不断切削土体，盾构保持前进。根据之前设定的正面土压力对出土速度及掘进速度进行自动控制。整套系统实现了协调控制，确保盾构始终按照设计轴线推进。

结语：

为确保盾构机施工安全、高效，自动化控制为盾构技术未来发展的必然走向。伴随科技进步，盾构技术及其装备具有很高的自动化水平，特别是在位姿控制等方面，在理论和实践中都得到了很大的进展。然而，对于那些具有较高复杂性的盾构装备，在实现自动化控制目标的过程中会遇到很多难题。因此，将高安全性、高效性与节能性作为目的的盾构技术及其装备自动化控制系统集成与优化是当前亟需解决的技术难题。

[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,2014.

[2]杨华勇,龚国芳.盾构掘进机发展战略研究[J].机械工程学报,2015.

[3]候德超.盾构机自动控制技术现状与展望[J].科技专论,2011.

[4]郇利民，侯德超，张兵，等.盾构机自动控制技术现状与展望[J].科技与企业，2014．

[5]张丽华.浅析盾构机自动控制技术现状与展望[J].科技展望，2015.