頂管掘進機泥水平衡系統優化算法研究

邢婭莉

摘要：針對目前頂管掘進機存在的智能化程度低、控制精度差等問題，將模糊控制的思想引入到頂管機泥水平衡控制中，提出了最優壓力比的動態控制理念。工程應用顯示，該方案能夠取得較好的施工效果，可帶來明顯的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：非開挖技術；頂管掘進機；模糊控制；優化算法

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：B

0引言

非開挖技術是利用巖土鉆掘的技術手段，在地表以最少的開挖量或不需開挖的條件下鋪設、更換或修復各種地下管線的一種施工新技術。頂管掘進機（簡稱頂管機）是非開挖技術中鋪設新管線的施工機械。目前，在中國地下水豐富的南方地區主要采用泥水平衡型頂管機，該類頂管施工中的關鍵要素為泥水管理問題。本文結合佛山市里水鎮和順片區首期截污工程Ⅰ標段的工程實踐，將模糊控制思想引入泥水平衡控制中，提出新式的頂管機控制方案。

1泥水平衡型頂管機工作原理

泥水平衡型頂管機在施工過程中，用水力或機械切削泥土，再用水力輸送棄土，同時利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力。因此，泥水平衡式頂管施工關鍵要素是施工中的泥水管理問題。傳統的頂管機泥水管理系統存在智能化程度較低、對施工人員依賴度高及可靠性較差等問題。

許多研究與實踐表明，頂進速度需要根據現場土質情況確定，一般在6～25 m·h-1之間，淤泥質土強度小，土壓力小，頂進速度較大；而砂質土強度居中，土壓力一般，頂進速度值稍慢；粘土強度大，土壓力大，頂進速度最小。

為適應頻繁變化的巖石類型和強度，需要不斷調整頂進速度，保證其盡可能在最優壓力比下工作。而在頂管機掘進過程中，由于地層不斷變化，土壓力也呈動態變化。因此，宜采用定性的、不精確的語言規則加以描述，如“若頂進速度達不到最優壓力比的要求，則應適當增加頂進速度”等[2]。基于此，提出泥水平衡頂管設備最優壓力比的理念，即實時調整頂進速度，以適應已確定的泥水壓力和變化的地質條件，并運用模糊數學理論建立最優壓力比的動態控制模糊數學模型，從而將頂管機的控制過程智能化，提高工作效率和工程質量。

2最優壓力比的動態模糊控制方法

根據上述最優壓力比的動態控制原理及模糊控制理論，在頂進過程中主要通過控制頂進速度來實現對最低掘進比能的控制。設計輸入變量為頂進速度S，經模糊系統推理，輸出該頂進速度下的壓力比值Pn/（Ps+Pt） ，然后計算實際Pn/（Ps+Pt） 與最優Pn/（Ps+Pt）的差值的絕對值Pn/Δ（Ps+Pt） ，并判斷其是否小于容許值。若不滿足條件，根據[Pn/Δ（（Ps+Pt）]S模糊關系（由模糊推理決定）計算需調整的頂進速度（ΔS），反饋調整頂進速度，實現對頂管機的最優控制。整個控制過程為單輸入、單輸出的控制。3模糊控制的應用

建立模糊規則前，先根據施工地質勘探報告和排出的巖碴判斷工程所處的地層類型，然后根據現場監測的掘進數據，對關鍵掘進參數進行分析計算，以確定頂進速度控制范圍、切深控制范圍及切割比能分布[3]。其中，切割比能的分布是確定最優壓力比的重要依據，最低切割比能對應最優壓力比，由推力作用比能SEf和頂進速度作用比能SEs組成，按式（1）計算掘進過程中的切割比能。SE=SEf+SEs=FNA+2FRASPn（1）式中：A為刀盤切割的面積；FN、FR 分別為刀具的法向作用力和切向作用力；Pn為刀盤每轉切深；S為刀盤轉速。根據不同地層條件下的頂進速度和Pn/（Ps+Pt）的范圍，對其進行模糊化[4]，產生若干模糊子集，建立輸入輸出各子集之間的模糊映射關系（即模糊規則）。頂管機在粘土、砂質土和淤泥質土地層條件下掘進時，均將其頂進速度和Pn/（Ps+Pt）劃分為7個模糊子集，由此建立的模糊推理規則分別見表1～3。

4.1工程概況

工程設計范圍為佛山市里水鎮和順片區首期截污工程Ⅰ標段。污水干管采用頂管法施工，頂管管材用Ⅲ級鋼筋混凝土內襯改性PVC管DN800，長為1 2672 m。污水次干管主要采用明開挖施工的方法，管材采用503 m長的ERPP模壓排水管DN400～DN600，以及111 m長的鋼帶增強內螺紋波紋管。本區域根據規劃的要求，沿線分流制污水直接排入污水干管，通過轉輸，最終排往和順污水處理廠。

4.2水文地質條件

施工場地內鉆探揭露的地層有：人工填土、第四系沖積層、殘積層及石炭系基巖。本工程頂管施工在淤泥質粉粘土和淤泥質粉砂土層中進行，該部分土質較為松散，含水量較高，具有流塑性，在頂管施工過程中如果泥水平衡控制不好，容易造成地面塌陷或者地面隆起。在本工程中，投入兩套頂管設備進行頂管施工。其中一套頂管設備采用傳統的控制方式，另外一套頂管設備進行了控制系統的改造，引入模糊控制算法進行泥水平衡控制。

4.3控制策略的確定

根據本工程的地質報告，頂管頂進斷面為淤泥質粉粘土和淤泥質粉砂土，故采用淤泥土質模糊控制方案，頂進過程中引入模糊控制算法的頂管設備自動控制頂管速度為20～25 m·h-1。

4.4施工成果

經過2個月的緊張施工，兩套設備共完成了1 2672 m的頂管施工，完成的工作情況如表4所示，改造后的設備施工偏差如圖2所示。

5結語

本文利用模糊控制思想，提出了新式的頂管掘進機施工管理方案，并分析了新方案在實際工程中的使用情況，從而為解決目前設備智能化程度低、施工進度慢等問題提供了理論依據，并通過實踐證明新方案可以提高施工管理的工作效率和工程質量。

參考文獻：

[1]范民權.淺談非開挖管道工程設計和施工的關鍵技術[J].特種結構，2011，28（4）：8385.

[2]趙振宇，徐用懋.模糊理論和神經網絡的基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，1996.

[3]趙丁選，楊力夫，李鎖云，等.國內外非開挖定向鉆機及其智能控制技術[J].吉林大學學報，2005，35（1）：4448.

[4]宋克志，安凱，袁大軍，等.TBM掘進盤形滾刀最優切深動態模糊控制研究[J].應用基礎與工程科學學報，2009，17（3）：412420.

[5]王士同.神經模糊系統及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

[責任編輯：王玉玲]endprint

摘要：針對目前頂管掘進機存在的智能化程度低、控制精度差等問題，將模糊控制的思想引入到頂管機泥水平衡控制中，提出了最優壓力比的動態控制理念。工程應用顯示，該方案能夠取得較好的施工效果，可帶來明顯的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：非開挖技術；頂管掘進機；模糊控制；優化算法

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：B

0引言

非開挖技術是利用巖土鉆掘的技術手段，在地表以最少的開挖量或不需開挖的條件下鋪設、更換或修復各種地下管線的一種施工新技術。頂管掘進機（簡稱頂管機）是非開挖技術中鋪設新管線的施工機械。目前，在中國地下水豐富的南方地區主要采用泥水平衡型頂管機，該類頂管施工中的關鍵要素為泥水管理問題。本文結合佛山市里水鎮和順片區首期截污工程Ⅰ標段的工程實踐，將模糊控制思想引入泥水平衡控制中，提出新式的頂管機控制方案。

1泥水平衡型頂管機工作原理

泥水平衡型頂管機在施工過程中，用水力或機械切削泥土，再用水力輸送棄土，同時利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力。因此，泥水平衡式頂管施工關鍵要素是施工中的泥水管理問題。傳統的頂管機泥水管理系統存在智能化程度較低、對施工人員依賴度高及可靠性較差等問題。

許多研究與實踐表明，頂進速度需要根據現場土質情況確定，一般在6～25 m·h-1之間，淤泥質土強度小，土壓力小，頂進速度較大；而砂質土強度居中，土壓力一般，頂進速度值稍慢；粘土強度大，土壓力大，頂進速度最小。

為適應頻繁變化的巖石類型和強度，需要不斷調整頂進速度，保證其盡可能在最優壓力比下工作。而在頂管機掘進過程中，由于地層不斷變化，土壓力也呈動態變化。因此，宜采用定性的、不精確的語言規則加以描述，如“若頂進速度達不到最優壓力比的要求，則應適當增加頂進速度”等[2]。基于此，提出泥水平衡頂管設備最優壓力比的理念，即實時調整頂進速度，以適應已確定的泥水壓力和變化的地質條件，并運用模糊數學理論建立最優壓力比的動態控制模糊數學模型，從而將頂管機的控制過程智能化，提高工作效率和工程質量。

2最優壓力比的動態模糊控制方法

根據上述最優壓力比的動態控制原理及模糊控制理論，在頂進過程中主要通過控制頂進速度來實現對最低掘進比能的控制。設計輸入變量為頂進速度S，經模糊系統推理，輸出該頂進速度下的壓力比值Pn/（Ps+Pt） ，然后計算實際Pn/（Ps+Pt） 與最優Pn/（Ps+Pt）的差值的絕對值Pn/Δ（Ps+Pt） ，并判斷其是否小于容許值。若不滿足條件，根據[Pn/Δ（（Ps+Pt）]S模糊關系（由模糊推理決定）計算需調整的頂進速度（ΔS），反饋調整頂進速度，實現對頂管機的最優控制。整個控制過程為單輸入、單輸出的控制。3模糊控制的應用

建立模糊規則前，先根據施工地質勘探報告和排出的巖碴判斷工程所處的地層類型，然后根據現場監測的掘進數據，對關鍵掘進參數進行分析計算，以確定頂進速度控制范圍、切深控制范圍及切割比能分布[3]。其中，切割比能的分布是確定最優壓力比的重要依據，最低切割比能對應最優壓力比，由推力作用比能SEf和頂進速度作用比能SEs組成，按式（1）計算掘進過程中的切割比能。SE=SEf+SEs=FNA+2FRASPn（1）式中：A為刀盤切割的面積；FN、FR 分別為刀具的法向作用力和切向作用力；Pn為刀盤每轉切深；S為刀盤轉速。根據不同地層條件下的頂進速度和Pn/（Ps+Pt）的范圍，對其進行模糊化[4]，產生若干模糊子集，建立輸入輸出各子集之間的模糊映射關系（即模糊規則）。頂管機在粘土、砂質土和淤泥質土地層條件下掘進時，均將其頂進速度和Pn/（Ps+Pt）劃分為7個模糊子集，由此建立的模糊推理規則分別見表1～3。

4.1工程概況

工程設計范圍為佛山市里水鎮和順片區首期截污工程Ⅰ標段。污水干管采用頂管法施工，頂管管材用Ⅲ級鋼筋混凝土內襯改性PVC管DN800，長為1 2672 m。污水次干管主要采用明開挖施工的方法，管材采用503 m長的ERPP模壓排水管DN400～DN600，以及111 m長的鋼帶增強內螺紋波紋管。本區域根據規劃的要求，沿線分流制污水直接排入污水干管，通過轉輸，最終排往和順污水處理廠。

4.2水文地質條件

施工場地內鉆探揭露的地層有：人工填土、第四系沖積層、殘積層及石炭系基巖。本工程頂管施工在淤泥質粉粘土和淤泥質粉砂土層中進行，該部分土質較為松散，含水量較高，具有流塑性，在頂管施工過程中如果泥水平衡控制不好，容易造成地面塌陷或者地面隆起。在本工程中，投入兩套頂管設備進行頂管施工。其中一套頂管設備采用傳統的控制方式，另外一套頂管設備進行了控制系統的改造，引入模糊控制算法進行泥水平衡控制。

4.3控制策略的確定

根據本工程的地質報告，頂管頂進斷面為淤泥質粉粘土和淤泥質粉砂土，故采用淤泥土質模糊控制方案，頂進過程中引入模糊控制算法的頂管設備自動控制頂管速度為20～25 m·h-1。

4.4施工成果

經過2個月的緊張施工，兩套設備共完成了1 2672 m的頂管施工，完成的工作情況如表4所示，改造后的設備施工偏差如圖2所示。

5結語

本文利用模糊控制思想，提出了新式的頂管掘進機施工管理方案，并分析了新方案在實際工程中的使用情況，從而為解決目前設備智能化程度低、施工進度慢等問題提供了理論依據，并通過實踐證明新方案可以提高施工管理的工作效率和工程質量。

參考文獻：

[1]范民權.淺談非開挖管道工程設計和施工的關鍵技術[J].特種結構，2011，28（4）：8385.

[2]趙振宇，徐用懋.模糊理論和神經網絡的基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，1996.

[3]趙丁選，楊力夫，李鎖云，等.國內外非開挖定向鉆機及其智能控制技術[J].吉林大學學報，2005，35（1）：4448.

[4]宋克志，安凱，袁大軍，等.TBM掘進盤形滾刀最優切深動態模糊控制研究[J].應用基礎與工程科學學報，2009，17（3）：412420.

[5]王士同.神經模糊系統及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

[責任編輯：王玉玲]endprint

摘要：針對目前頂管掘進機存在的智能化程度低、控制精度差等問題，將模糊控制的思想引入到頂管機泥水平衡控制中，提出了最優壓力比的動態控制理念。工程應用顯示，該方案能夠取得較好的施工效果，可帶來明顯的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：非開挖技術；頂管掘進機；模糊控制；優化算法

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：B

0引言

非開挖技術是利用巖土鉆掘的技術手段，在地表以最少的開挖量或不需開挖的條件下鋪設、更換或修復各種地下管線的一種施工新技術。頂管掘進機（簡稱頂管機）是非開挖技術中鋪設新管線的施工機械。目前，在中國地下水豐富的南方地區主要采用泥水平衡型頂管機，該類頂管施工中的關鍵要素為泥水管理問題。本文結合佛山市里水鎮和順片區首期截污工程Ⅰ標段的工程實踐，將模糊控制思想引入泥水平衡控制中，提出新式的頂管機控制方案。

1泥水平衡型頂管機工作原理

泥水平衡型頂管機在施工過程中，用水力或機械切削泥土，再用水力輸送棄土，同時利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力。因此，泥水平衡式頂管施工關鍵要素是施工中的泥水管理問題。傳統的頂管機泥水管理系統存在智能化程度較低、對施工人員依賴度高及可靠性較差等問題。

許多研究與實踐表明，頂進速度需要根據現場土質情況確定，一般在6～25 m·h-1之間，淤泥質土強度小，土壓力小，頂進速度較大；而砂質土強度居中，土壓力一般，頂進速度值稍慢；粘土強度大，土壓力大，頂進速度最小。

為適應頻繁變化的巖石類型和強度，需要不斷調整頂進速度，保證其盡可能在最優壓力比下工作。而在頂管機掘進過程中，由于地層不斷變化，土壓力也呈動態變化。因此，宜采用定性的、不精確的語言規則加以描述，如“若頂進速度達不到最優壓力比的要求，則應適當增加頂進速度”等[2]。基于此，提出泥水平衡頂管設備最優壓力比的理念，即實時調整頂進速度，以適應已確定的泥水壓力和變化的地質條件，并運用模糊數學理論建立最優壓力比的動態控制模糊數學模型，從而將頂管機的控制過程智能化，提高工作效率和工程質量。

2最優壓力比的動態模糊控制方法

根據上述最優壓力比的動態控制原理及模糊控制理論，在頂進過程中主要通過控制頂進速度來實現對最低掘進比能的控制。設計輸入變量為頂進速度S，經模糊系統推理，輸出該頂進速度下的壓力比值Pn/（Ps+Pt） ，然后計算實際Pn/（Ps+Pt） 與最優Pn/（Ps+Pt）的差值的絕對值Pn/Δ（Ps+Pt） ，并判斷其是否小于容許值。若不滿足條件，根據[Pn/Δ（（Ps+Pt）]S模糊關系（由模糊推理決定）計算需調整的頂進速度（ΔS），反饋調整頂進速度，實現對頂管機的最優控制。整個控制過程為單輸入、單輸出的控制。3模糊控制的應用

建立模糊規則前，先根據施工地質勘探報告和排出的巖碴判斷工程所處的地層類型，然后根據現場監測的掘進數據，對關鍵掘進參數進行分析計算，以確定頂進速度控制范圍、切深控制范圍及切割比能分布[3]。其中，切割比能的分布是確定最優壓力比的重要依據，最低切割比能對應最優壓力比，由推力作用比能SEf和頂進速度作用比能SEs組成，按式（1）計算掘進過程中的切割比能。SE=SEf+SEs=FNA+2FRASPn（1）式中：A為刀盤切割的面積；FN、FR 分別為刀具的法向作用力和切向作用力；Pn為刀盤每轉切深；S為刀盤轉速。根據不同地層條件下的頂進速度和Pn/（Ps+Pt）的范圍，對其進行模糊化[4]，產生若干模糊子集，建立輸入輸出各子集之間的模糊映射關系（即模糊規則）。頂管機在粘土、砂質土和淤泥質土地層條件下掘進時，均將其頂進速度和Pn/（Ps+Pt）劃分為7個模糊子集，由此建立的模糊推理規則分別見表1～3。

4.1工程概況

工程設計范圍為佛山市里水鎮和順片區首期截污工程Ⅰ標段。污水干管采用頂管法施工，頂管管材用Ⅲ級鋼筋混凝土內襯改性PVC管DN800，長為1 2672 m。污水次干管主要采用明開挖施工的方法，管材采用503 m長的ERPP模壓排水管DN400～DN600，以及111 m長的鋼帶增強內螺紋波紋管。本區域根據規劃的要求，沿線分流制污水直接排入污水干管，通過轉輸，最終排往和順污水處理廠。

4.2水文地質條件

施工場地內鉆探揭露的地層有：人工填土、第四系沖積層、殘積層及石炭系基巖。本工程頂管施工在淤泥質粉粘土和淤泥質粉砂土層中進行，該部分土質較為松散，含水量較高，具有流塑性，在頂管施工過程中如果泥水平衡控制不好，容易造成地面塌陷或者地面隆起。在本工程中，投入兩套頂管設備進行頂管施工。其中一套頂管設備采用傳統的控制方式，另外一套頂管設備進行了控制系統的改造，引入模糊控制算法進行泥水平衡控制。

4.3控制策略的確定

根據本工程的地質報告，頂管頂進斷面為淤泥質粉粘土和淤泥質粉砂土，故采用淤泥土質模糊控制方案，頂進過程中引入模糊控制算法的頂管設備自動控制頂管速度為20～25 m·h-1。

4.4施工成果

經過2個月的緊張施工，兩套設備共完成了1 2672 m的頂管施工，完成的工作情況如表4所示，改造后的設備施工偏差如圖2所示。

5結語

本文利用模糊控制思想，提出了新式的頂管掘進機施工管理方案，并分析了新方案在實際工程中的使用情況，從而為解決目前設備智能化程度低、施工進度慢等問題提供了理論依據，并通過實踐證明新方案可以提高施工管理的工作效率和工程質量。

參考文獻：

[1]范民權.淺談非開挖管道工程設計和施工的關鍵技術[J].特種結構，2011，28（4）：8385.

[2]趙振宇，徐用懋.模糊理論和神經網絡的基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，1996.

[3]趙丁選，楊力夫，李鎖云，等.國內外非開挖定向鉆機及其智能控制技術[J].吉林大學學報，2005，35（1）：4448.

[4]宋克志，安凱，袁大軍，等.TBM掘進盤形滾刀最優切深動態模糊控制研究[J].應用基礎與工程科學學報，2009，17（3）：412420.

[5]王士同.神經模糊系統及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

[責任編輯：王玉玲]endprint