盾构机自动控制技术的应用研究 Summary：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Keys：盾构机；自动控制；应用研究一、国内外盾构机的研究概况盾构技术主要用于开通隧道等工程中，最早起源于英国，至今问世约有一百九十多年的历史自问世起，便在日本和德国得到很好的发展至20世纪初，盾构技术又在英、美、法等国得到广泛推广盾构设备的发展历程先后经历了手掘式、挤压式、半机械式和机械式的的逐步进化，机械化程度越来越高，在地质工程方面也逐渐适应各个地质条件在盾构机技术性能方面，日本和德国处于世界领先水平，其先进性主要表现如下：1.基本实现了掘进、衬砌、排土等施工工艺的全机械化和自动化，以及自动检测、自动纠偏和故障诊断等功能2.地层适应性广，可用于硬岩、砂砾层、卵石层、砂土层和软土层等各种地质，并且施工隧道长距离化、大直径化，掘进断面形状多样化，尺寸变化范围较大3.盾构机朝微小和超大两个方向发展，径向尺寸从0.2～18.0m，目前己生产出圆形、矩形、双圆、三圆、球型、子母型盾构和复合盾构等。
4.科技含量越来越高，普遍采用液压驱动和电液比例控制技术，具有大功率、变负载、低能耗的特点；广泛采用遥控技术、激光雷达导向技术、GPS测量技术、摄象及视觉信号处理技术和现场总线控制技术等现代高新技术成果二、盾构机掘进系统的自动控制1.控制模型的建立掘进系统主要由刀盘、推进、排渣等子系统构成，对于其控制模型的研究，最初都是以试验为手段或建立经验模型荷兰代尔夫特岩土工程研究所采用试验方法分析了密封舱压力梯度的分布情况，并建立了主要掘进参数与盾构施工要素间的经验函数；日本学者根据统计的盾构隧道施工中密封舱压力的控制值，给出了确定压力的经验公式作为实现盾构掘进机结构与性能优化设计的重要手段，有些学者利用模型试验或现场的施工数据对掘进过程进行分析，并建立了经验模型施虎等重点分析了其他掘进参数对土仓压力这一土压平衡盾构施工中极为关键的参数的影响，并且利用自适应神经模糊理论建立了基于排土控制的盾构土压平衡控制模型2.掘进系统的控制策略盾构机掘进系统的控制，多数是采用智能控制方法桑原洋等于1988年研究了模糊控制在盾构掘进控制中的适用性，并且在文中首次提出了单向推进度的概念仓冈丰等于1991年采用模糊控制理论，研制了盾构机自动控制系统，并成功地应用在福市高速铁道1号线延伸部。
DIEULOT等构建了一个复杂的多变量土压平衡控制系统，采用复合式的模糊PID控制策略，控制盾构土压平衡但是，对于系统的动态特性和稳定性是无法保证的因此，LI等提出了采用模糊免疫控制策略，设计了一种模糊免疫自调整PID控制器，应用于具有时变、时滞的非线性掘进控制系统中，试验证明系统具有良好的动态特性和稳定性3.管片的自动拼装早期的管片拼装由熟练技工进行手工作业，但手工作业存在着许多的弊端，严重影响施工质量因此，世界各国都希望在管片拼装作业中引入自动化技术1988年，日本最早使用管片自动化拼装设备随着自动拼装机器人的引入，管片自动化拼装技术得到了迅速发展TANAKA阐述了管片自动拼装机器人的使用，为了实现高精度的管片自动拼装，提出了采用激光裂隙照明小断面的方法和数字伺服控制技术KOSUGE等针对盾构掘进系统的管片拼装控制，提出了一个任务导向力控制系统，并且设计了任务导向的坐标系统，最后给出了具有液压执行机构的并联机器人的混合动力控制算法，经试验证明该系统是有效的随后，国际隧道协会第二工作组制定了各种隧道管片拼装的设计准则为了实现管片的粗定位和姿态在三个运动方向上微调，钱晓刚等介绍了一种6自由度混联机构的管片拼装机，整体机构串联中间包含一个2自由度五杆机构，分析了正运动学和逆运动学方程，并通过数值仿真验证了其正确性。
赵志杰等基于通用管片与盾构隧道设计轴线的几何特征，利用多环组合的方法选取通用管片的拼装点位、制定切向纠偏路线，并基于Unigraphics开发了管片的虚拟拼装系统，实现了通用管片三维动态虚拟拼装及拼装偏差报告的输出目前，欧洲和日本等国已成功实施了管片的全自动拼装，包括管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化如BRAKSMA等建立了机器人操纵器的动态模型，利用反馈线性化技术设计了一个关于位置和力的混杂控制器，使机器人操纵器的关联结构具有7自由度，用于管片的支护与拼装工作，实现了高精度、全自动化控制；CHENG等又对光纤传感系统应用于管片自动安装的可行性进行了试验性研究三、以密封舱压力动态平衡为目标的控制模型的建立地面沉降的主要原因是密封舱压力失衡，在隧道开发过程中这属于关键技术，国内外众多专家对密封舱压力平衡控制进行了研究然而由于对此研究要以试验为前提，因此存在一定的局限性；而且目前来说还尚未形成成熟的密封舱压力动态平衡控制模型，那么此技术也无法进行完整的研究因此，在完成密封舱压力动态平衡控制前，必须要建立控制模型，进而得到精确的地面沉降精度要求四、掘进系统的协调控制策略掘进系统协调控制是盾构系统动态平衡控制的基础，为了保证在施工过程中控制各个系统的施工参数，必须预先设置现有的土压平衡盾构机压力值。
然而，由于现有盾构机各子系统多数都是靠手动调节、且是相互独立工作，这种方式具有一定的滞后性根据密封舱压力是由推进、刀盘和排渣等各子系统相互耦合作用所决定的，因此，为了实现密封舱压力的高精、高效控制，这就要求盾构机掘进系统采用多子系统的协调控制策略，从而实现最优化调整因此，分析盾构机各子系统之间的耦合关系及控制参数与密封舱压力变化之间的映射关系，在此基础上，研究在冗余输入和多维过约束条件下，实现以密封舱压力平衡为目标的非线性强耦合掘进控制系统的协调控制，是盾构机自动控制所面临的重大技术难题五、控制系统的集成与优化盾构机自身便是由推进系统、刀盘系统、排渣系统、管片拼装系统、监控系统等各子系统信息的实时检测、通信和控制，从而能够实现有效的工作然而由于盾构机自身带有多驱动源、多组成单元、多执行元件、功率变化大的特点，这就要求在建立掘进控制系统时必须以高性能、低能耗和低成本为目标因此，要进一步研究多源驱动系统参数、盾构机控制性能和系统效率的相关关系，以及系统控制参数、过程变量与能耗的映射规律等，在此基础上，设计以掘进性能、节能为约束条件，适应不同地质情况的集掘进装备实时检测、信息融合和协调控制于一体的集成优化控制系统，这也是盾构机未来发展的必然趋势。
结论为了保证施工安全，盾构技术要求会日益严格，那么盾构技术的自动化是未来发展的必然趋势那么随着高科技技术及科学的不断进步发展，盾构机在掘进自动控制技术方面肯定会大大提高，在实际工程的应用中会带来更多的便利然而对于高度复杂的盾构掘进装备，要实现完全高度自动化智能化还存在很大的难度，在科学技术等方面仍存在一定的挑战，例如自动导向纠偏技术、多子系统协调控制等关键问题仍有待更加深入研究，尤其是目前我国的大型隧道要求以安全、高效、节能为目标，这样的大型盾构控制系统更是需要解决的难题Reference[1]施虎，龚国芳，杨华勇：《盾构掘进土压平衡控制模型》，煤炭学报，2008[2]薛备芳.我国盾构掘进机的现状和发展策略[J].现代隧道技术，2011[3]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[4]石玉玺.盾构机自动控制技术的应用研究[J].技术与市场，2016 -全文完-。