李志扬

[摘 要]在隧道等地下施工中专用的工程机械之一的盾构机正在向着高效、自动化、智能化的技术方向发展。本文对盾构机的发展状况进行简要阐述，主要围绕盾构机掘进系统、自动控制技术、控制系统的控制策略等展开论述。

[关键词]盾构机；掘进系统；发展现状

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0131-01

盾构机的主要组成部分包括推进系统、排渣系统等。在隧道、矿山、巷道等工程中的开挖工序中起到很大的作用。随着现代技术的不断进步，盾构机已经发展成为集机电、自动化、智能化为一体的工程机械设备。我国对盾构机的使用和研究，主要围绕着地面沉降、掘进进程、位姿自动控制、衬砌进行，目前这几个方面的技术水准已经完全能够适应工程需要并大量在工程中使用。

1、盾构机自动控制系统的研究概述

我国对于盾构机技术的研究从上世纪五十年代开始，经过试验与实践已经逐步取得了卓有成效的成果。从挤压式盾构、气压式盾构到如今的自动化智能化控制的大型盾构设备，在硬件和软件的改进与优化上进行了多种形式的探索和实践，如今依然在盾构机控制技术上进行着深入的研究，可以说，我国盾构机设备和技术虽然与国际发达国家的水平还有一定的距离，但是关于盾构机适应地质条件和环境要求的设计制造活动从未停止过。

盾构机的工作原理运用到的控制理论，是与自动化技術密不可分的。包括盾构掘进、位姿控制、沉降控制、测控导向等在内的技术已经完全达到了较高的自动化程度。

1.1 掘金系统的自动控制

掘进系统的自动控制由刀盘、推进、排渣等子系统的自动化控制完成操作。采用构建模型的方法对这种自动化控制进行研究，可以分析出其密封状态下压力梯度的分布情况：

pe为盾构土仓压力，F为盾构机的总推力，v为盾构推进速度，ns为螺旋输送机转速。

上述模型主要描述的是掘进参数施工要素间的控制值函数，采用神经网络平衡控制模型演示盾构机掘进进程，对盾构机结构和性能进行了分析，得到了开挖面土压平衡盾构推进总的力学原理，建立了土压平衡盾构掘进的数学物理模型。阐述了几个施工参数之间的本质关系，推导出出土率、螺旋输送机转速、推进速度的关系，得到了盾构总推力、推进速度、输送机转速和土仓压力等掘进参数的数学模型：

n0为咯算输送机转速，Ff为推进时的总阻力。

1.2 掘进系统的控制策略，采用的是智能控制方法。对于掘进系统的智能控制策略，通过调整规则和隶属度函数，已经建立了基于BP神经网络的掘进开挖面土压平衡控制系统的最优函数。可以推算出盾构机掘进系统中的最优的推进速度和螺旋输送机转速，实现了对千斤顶推理和螺旋输送机转速的智能化控制。在这一智能化推进系统中，盾构推进的过程可以分为若干个阶段，每个阶段都使用神经网络进行了模拟[1]。得到了盾构机在隧道施工中的出现地面沉降时各个阶段发生的关系的数学模型。根据模型中的数字参数得到了相应的控制方法。有学者认为采用自整定PID控制技术，对螺旋输送机的排土进行自动智能控制效果较好。

1.3 位姿控制可以通过控制推进系统的液压缸实现。其工作原理是建立卡尔曼滤波理论基础上，采用统计学理论建立的自回顾预测控制模型。通过检测系统测量到的位姿数据，对液压缸的开关模式进行自动选择，达到控制盾构机的位置和角度的目的。这种自动化控制系统综合了人工智能和模糊理论，对施工中的实时偏差可以进行自动测量，得到千斤顶的纠偏控制量，实现盾构推进姿态的自动控制。

1.4 管片的自动拼装引入了机器人拼装技术。包括管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、接头螺栓的自动穿孔等工序的自动化，均可由机器人来进行操纵，而且机器人操控已经实现了对管片拼装的高精度和全自动控制。

2、盾构机自动化控制存在的问题分析

作为机械、土木、电气、信息等多学科交叉的前沿技术之集大成的盾构掘进设备，在全自动、信息化施工中，已经取得了长足的进步，但与国际先进技术水准相比，还存在很多亟待解决的难题要攻克。

2.1 地面沉降与密封舱压力失衡有关系。针对这一关键技术，很多学者进行了多种针对密封舱压力动态平衡控制机理的试验，都未能获得精准和普适性较强的模型。因此，密封舱压力控制技术到目前为止依然处在不成熟的阶段。如何针对掘进系统的子系统的控制机理进行耦合关系的分析，得到建立在密封舱压力动态平衡基础上的控制模型，对于使地面沉降达到自动控制精度要求具有非常重要的意义。

2.2 现行的土压平衡盾构机的土压控制是需要设定密封舱内的土压力值的，而且要不断观测地表沉降、密封舱压力变化等的参数变化才能推进。调节方式一般是通过手工完成。者与密封舱压力的高精度、高效控制的要求还相差甚远。目前要解决的重大技术客体就是对盾构机子系统之间的耦合关系、控制参数、密封舱压力变化的映射关系进行调整和优化，研究冗余输入和多维约束条件下的非线形强耦合掘进控制系统的协调控制如何实现自动和智能化。

2.3 盾构机的位姿控制理论和方法前文已经详细进行过阐述，不多赘言。采用机器人模仿的逻辑推理和决策过程，将操作和控制经验通过程序化加以智能操作，以取代人工操作，是目前施工中常用的手法。但是如果遇到复杂和地质情况，智能化仿人控制程序会出现难以预测和控制盾构位姿的情况。而且从目前的使用效果来看，在非完整的约束欠驱动系统的位姿控制至今没有取得普遍的实用效果。因此，应对盾构掘进的过程运动目标轨迹的优化算法进行动态规划，以实现盾构机位姿和轨迹自动控制的目标[2]。

2.4 对盾构机各个子系统的实施检测和控制，要考虑盾构掘进机的多驱动源、执行元件等特点，采用高性能、低能耗的方法，研究处多源驱动系统和控制系统的相互关系，包括胸痛控制参数、能耗映射规律等等。多进行以掘进性能、节能伟约束条件的掘进装备的集成优化控制系统的创新形试验，以达到适应不同地质的实时检测、信息融合、协调控制的掘进施工目的。

结语

本文对盾构技术发展的掘进系统、位姿自动化控制等发展现状进行了阐述，也提出了现实盾构机自动化、智能化系统中存在的技术难题和科学挑战。今后需要进一步攻克装备的关键问题，以达到大型盾构隧道掘进装备的安全、高效、节能的集成优化目标。

参考文献

[1] 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，（1）：281-281.

[2] 石玉玺.盾构机自动控制技术的应用研究[J].技术与市场，2016，23（11）：115.