盾构机自动控制技术现状与展望

鞠 莹

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在目前社会经济稳步发展的环境下，人口数量进一步增加，管理工作者为实现降低地面交通工程施工带来的影响，会选择通过开展隧道施工建设的工程开展工作。盾构机是地下工程中最关键的设备，可以确保工程实现顺利开展的要求，但在地下工程施工中，会因多种潜在危险因素的影响而引发安全问题，如果不对其进行科学处理，也将带来一系列危险事故。为此，当前发展的盾构机自动控制技术必须要具有较强的智能化特点和优势。该技术不但要有效运用到开挖土体的工作中，还要科学纠正相应的误差，以此确保更多施工人员有效运用该技术。目前，该技术虽然展示出蓬勃发展的趋势和前景，但实际工作中还存在一定问题和不足之处，对此应加大该技术的改良能力，以此保障工程有较强安全性和较高效率等。

1 盾构机现状分析

盾构技术的出现已经有200 年历史，20 世纪早期，该技术逐渐在欧美、日本等国家的推广下得到进一步发展。近几十年来，该技术获得更有效发展，而且也有较大成效，尤其是在日本，盾构机得到有效推广和发展。盾构技术设备也通过手掘、挤压、半机械以及全机械等形式在不断发展，其设备机械化效果也在进一步提升。针对一些复杂的地层也有较高适应性，对整体工作效率和质量的提升有极大帮助[1]。分析盾构机自身性能特点，其优势主要表现在以下几点。

首先，能够满足所有工艺自动化控制以及机械化施工。以此为基础，也能提供检测、纠偏以及自动化的故障诊断等效果。

其次，针对一些复杂地层，有较强的适应性能力，能够在硬岩、软土等不同条件下开展施工。能够满足长距离、大直径隧道的施工，而且断面的种类和形状等也能形成多样化施工体系，其尺寸也能得到更好拓展。

再次，盾构机向微小和超大两方向不断发展，其径向尺寸为0.2～18 m，相继形成了圆形、矩形以及双圆和三圆等盾构。

最后，在科技水平快速提升的环境下，一般都会运用液压驱动和电液比例控制形式等相关现代化技术，具有能耗低、大功率等优势。另外，GPS 测量以及激光雷达导向等技术也在该工作中得到科学有效运用。

我国盾构技术研究起步时间相对较晚，20 世纪90 年代才得到有效提升。我国也通过自主研发研制出一些盾构机。以挤压、气压等形式为主，注重开展土压平衡、泥水加压等内容研究。针对当前实际情况进行分析，我国很多企业都明确认识盾构研究非常重要，而且付诸于实践。通过研制多种新型盾构机来满足各项要求。但国产盾构机只能适用在环境要求不高的环境下，难以满足复杂地质的施工条件。而且控制系统也呈现落后趋势，控制技术水平偏低，对国内盾构技术长远发展带来较大影响。对此，我国盾构技术在研究上应加强突破力度，注重满足更多不同条件和要求，增强设计与研制盾构的实力，为我国研制出更为完善且高效的盾构机设备。

2 盾构机自动控制技术现状

2.1 掘进系统自动控制体系

盾构机掘进系统具备较强的智能化控制手段，但从实际角度来讲，该系统稳定性有待提升。人们通过研制，运用模糊免疫自调整PID 控制器的形式，能够提升其土压稳定性。当前科学技术不断发展，机械施工的参数可以借助遗传算法进行优化，机器运转速度将会得到有效控制，其土压能够实现平衡。而且，以自动识别技术等，在盾构机运行以及土体掘进时，其压力情况能够得到改善。结合压力控制具体的模型，使得整体策略能够得到更好优化。针对排土控制的应用趋势也很广泛，其排土控制流程能够得到进一步完善。掘进系统属于盾构机控制技术的关键环节，应针对施工中各参数，改变控制流程，建立良好控制技术，使得其施工效率也能得到优化，更能确保地下工程有效开展，进一步提升工程质量。

模型创建中，其盾构机掘进系统是以多个子系统建立的，主要以刀盘、推进、排渣等为主。掘进控制在研究工作早期是结合试验、模型的创建为主要内容。在掘进系统模型创建中可以运用多种形式，例如，以BP 算法网络构建开挖面土压平衡的控制模型，可是在实际建模时，未能实现充分考虑地质条件的情况。只有在分析地质条件、工程地点等因素情况下，借助人工神经网络来创建盾构机，能够有效促进速度自动控制模型的建立。针对适应神经模糊理论应力，将排土控制视为基础控制模型，公式为Pe=f（F，v，ns）。其中，Pe是盾构土仓压力；F 是盾构机能够提供的推力；v 是盾构机速度；ns是螺旋输送机实际转速。

系统控制的主要对策，也就是在盾构掘进系统的控制中，一般以智能控制方式开展工作。相关学者借助模糊免疫控制对策，有效制定出全新可自动调节控制器，对非线性系统应用以试验得知，而且系统稳定性、动态特性也较为良好。对于模糊控制，难以结合专家经验实现复杂过程中运用数据的调整[2]。另外，也有相关学者通过BP 神经网路的创建形式，以开挖面平衡控制策略开始工作，其寻优函数能够形成最佳的速度建议，大程度能实现推力和转速自动化的控制效果，保障开挖面满足平衡要求。

2.2 对位姿进行有效控制

有效的促进系统中液压缸实现控制盾构机位姿，其控制器性能能够得到有效掌控，这样才能确保盾构机实现自动化控制。另外，其系统应具有一定通用性，针对不同地质条件，应得到有效运行。借助动态载荷理论模型，其盾构机所影响的所有参数都存在敏感性，控制时其精确度会得到有效保障。另外，不同的位姿系统作用效果也不同，参照不同质量参数，其地下工程施工中存在的地质不安全因素也不会受影响，各地势条件都能有效开展工作。

2.3 实现管片的自动拼装

针对以往手工拼装工作中存在很多漏洞问题，自动拼装误差相对较少，自动拼装具有的优良技术优势，会结合盾构设计轴向特征，以多环组合形式来制定管片拼装点，纠偏路线，研制出一个虚拟管片拼装系统[3]。西方发达国家已实现自动拼装的要求。以机器人动态模型的形式，实现拼装流程间的无缝衔接，盾构机管片自动拼装的系统流程包含科学技术因素，只有结合具体拼装手段，才能实现控制整体流程。

3 盾构机自动控制技术未来展望

3.1 控制模型创建

地面出现沉降现象，关键因素在于盾构机密封舱的压力失去平衡，够反映盾构实际技术水平关键技术，很多学者加强研究力度。通过深入理解，当前尚未形成可靠控制模型，其实用性结果有待增多，其技术还需进一步提升。对此，后期应加强深入探究其控制机理对应关系，建立将密封舱压力动态形成平衡为根本目标的相应模型，以各种控制形式为基础，满足对密封舱压力开展自动化控制，保障地面沉降能够控制在精度要求以内。

3.2 掘进系统的协调控制体系

目前，土压控制一般是预先设定压力值，并在具体施工中结合沉降、密封舱压力等开展设施调节工作。对于子系统工作应确保其独立性，大多以手工调节为主，另外，其调整方法呈现滞后式表现。为满足高精度控制要求，其系统需要以多个不同的子系统协调形式开展控制工作，由此满足最佳方式。针对子系统的运动实施控制工作，满足控制变量的实时调整及优化要求[4]。

3.3 对位姿进行控制以及运动轨迹开展动态规划

当前盾构位姿控制形式主要以人的逻辑推理为关键依据，其专家操作经验形成程序化体系。运用相关模糊控制方法来实现智能控制要求，也可以直接由人工进行操作。但在欠缺记录信息的情况下，如果遇到复杂地质，将很难对其进行准确预测，而且也尚未形成实用成果。为此，应对当前的位姿具体影响因素开展全面分析和研究，通过形成控制模型，以此为前提找寻最佳姿态的控制规律。另外，对于多目标优化算法也要开展分析工作，满足动态规划的目标，这样能够使得盾构位姿和轨迹追踪满足自动控制的目标。

3.4 系统集成及优化

要更好满足多个子系统实现信息检测、控制，以及共享、通信等要求。考虑到盾构自身特点，应在建设控制系统时，要将高性能、低成本以及低能耗视为主要目标。以此为基础，应对多源驱动系统开展深入研究，建立以掘进性能、节能等为关键的约束条件，有效支持不同的地质条件，真正满足控制系统要求，这也是盾构技术后续发展的主要方向。

4 结束语

要更好保障盾构机施工的安全性以及高效性，自动化控制系统逐渐成为盾构技术未来发展趋势。针对当前科学技术快速发展的环境，盾构技术和其装备都有较高自动化的水平和效果。尤其在位姿控制等工作上，其理论、实践等都得到更好发展。因此，必须要制定高安全性、高效性以及强节能性的目标，并将其落实到盾构技术和装备自动化控制系统的集成，以及优化等工作中，从而为盾构机自动化控制技术的稳步发展提供坚实保障。