盾構推進姿態控制策略研究

任穎瑩， 孫振川， 褚長海

(盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

盾構施工過程中，受開挖面地質情況、盾構運行工況等不確定因素的影響，盾構掘進路線經常偏離隧道設計軸線，嚴重影響隧道施工質量。目前盾構推進系統的控制仍舊依靠盾構司機的施工經驗，根據姿態導向系統的情況人工調整推進液壓缸推力大小。這種方法受人為因素影響嚴重，一旦調整不合理，不僅會使隧道施工質量達不到要求，還可能會造成施工事故[1]。

目前，有許多專家學者對盾構姿態控制系統進行了研究。尹清鋒等[2]以工程實踐為基礎，從施工的各個階段管理和技術方面對盾構姿態進行控制； 朱江濤[3]結合工程實例，分析了盾構姿態控制的影響因素； 梁榮柱等[4]針對軟土地層提出了盾構姿態控制的關鍵應對措施； 高超[5]研究了盾構姿態的控制要點；王春凱[6]、張愛軍[7]采用神經網絡模型分析了關鍵掘進參數對盾構掘進偏移量的影響，得出了推進油缸行程與盾構姿態之間的相互關系，可為施工優化提供依據； 王林濤[8]、周奇才等[9]引進模糊控制理論設計了一種盾構姿態控制器； Liu等[10]建立了TBM的姿態動力學數學模型，采用模糊PID進行速度控制器設計； 龔國芳等[11]基于模糊PID控制策略控制推進液壓缸速度，來進行姿態的調整； Yue等[12]提出了采用滑模魯棒控制器的盾構姿態軌跡自動控制系統，設計了基于載荷觀測器的盾構姿態動態協調控制系統； 張振等[13]建立了推進系統的數學模型，設計了一種自適應姿態控制方法，并進行了試驗驗證。綜上，關于盾構姿態控制的研究，目前大多是在姿態偏離到設計值才進行調整糾偏，沒有進行明確的最優化設計，因此不能達到快速糾偏的目的，研究還不太完善，且以理論研究居多，實際應用較為困難。

推進系統姿態的控制需要協調好各個分區液壓油缸的推進壓力，且盾構在施工中周圍的地層通常是不斷變化的(很難進行預測)，這些因素造成姿態控制成為施工控制中的難題。本文針對盾構在不同工況下的掘進情況，設計以跟蹤隧道設計軸線為控制目標的盾構推進姿態控制策略，基于模糊控制來調整推進速度，使盾構作業能夠準確沿設定掘進軌跡運行，這種方法具有較強的地層自適應能力和抗干擾能力，能夠達到快速糾偏的目的，可為盾構推進姿態實現自動控制提供技術支撐。

1 盾構掘進姿態分析

推進系統作為盾構的關鍵部分，由多個平行于盾構縱軸線的推進油缸組成，這些油缸依次布置在圓周上，為整個盾構提供向前的動力[14]。推進液壓缸實行分組控制，同組內的推進液壓缸具有相同的工作壓力。如圖1所示，通常把盾構推進系統劃分為4個分區，即將盾構推進液壓缸劃分為上、下、左、右4組，每組液壓缸在同一套液壓閥的控制下具有相同的工作壓力[15]。

Z表示推進油缸，G表示可以單獨控制的單元。

圖1推進系統液壓缸布置圖

Fig. 1 Layout of cylinders of thrust system

盾構掘進過程中，推進系統驅動盾構沿隧道設計軸線前進，通過協調4組液壓缸的輸出力或位移，實現盾構的姿態調整，進行轉彎或直線運動。例如，調整B組、D組左右分區液壓缸推進力的大小，可以對盾構在水平面內的姿態進行控制；調整A組、C組上下分區液壓缸推進力的大小，可以對盾構在豎直面內的姿態進行控制。由于豎直方向的姿態控制與水平方向原理相同，所以本文以水平方向姿態控制為例進行研究。

盾構在開挖隧道時，由于受其本身結構特點的影響，轉彎區間實際開挖路徑是由一系列的折線組成的，盾構曲線段掘進形成的路徑規劃圖如圖2所示。當盾構推進一環后，需要依據盾構所在位置和隧道設計軸線重新建立新的坐標系，如圖3所示。新坐標系相對前一次坐標系偏轉角度為γ,每次推進一環后都需要重新進行新的路徑規劃。

圖2 某一推進行程路徑規劃圖

圖3 推進系統雙缸投影簡化圖

理想軌跡點bn的坐標位移矩陣如式(1)所示。

(1)

實際軌跡點dn的坐標轉移矩陣如式(2)所示。其中，α為盾構質心連線實際偏轉角度。

(2)

理想軌跡點和實際軌跡點之間的距離差值

Δs=(xbn-xdn)2+(ybn-ydn)2

。

(3)

盾構每掘進完一個推進行程，理想軌跡點在理想轉彎半徑對應圓周上的切線方向與盾構質心連線之間的角度偏差的正切值

(4)

目標函數為J=φ1|Δs|2+φ2|tanβ|2=φ(α)。其中,目標函數J是α的函數，φ1代表位置偏差的權重、φ2代表角度偏差的權重； 利用Matlab軟件的自帶函數fminbnd進行計算，能夠獲得J取極小值時α的最優解。

在推進系統簡化模型中，左上部球紋每一環的移動距離

(5)

右上部球紋每一環的移動距離

(6)

式中Dm為左右撐靴球心之間距離。

盾構軸線每一環的偏轉角度

(7)

每一個L0為液壓缸初始長度。推進行程左右液壓缸給定位移信號值

(8)

每一推進行程坐標系統的偏轉角度

(9)

2 控制策略

盾構在掘進中，一方面需要控制推進系統的壓力來保證密封艙的壓力，以維持掌子面的穩定，避免造成地面沉降、塌陷；另一方面，盾構的轉彎和直線運動需要通過調整推進系統各個分區液壓缸的工作壓力大小來實現。因此，本文主要針對盾構在調壓模式下的推進系統姿態控制進行研究。

由前文對盾構掘進姿態的分析可知，盾構是通過控制液壓缸的位移來控制盾構沿著隧道設計軸線施工的。但是，施工中地質條件復雜多變、掘進載荷不一致、所采集的姿態數據存在一定誤差，這些因素導致計算出的各個分區液壓缸的位移不是特別精確，若按照求解的位移來掘進，不能很好地保證掘進姿態的準確性。因此，本文在姿態智能控制系統設計中，采用多個閉環控制系統，系統的外環通過將測量系統實時監測的盾構實際位置數據與隧道設計軸線進行比較后，確定出盾構下一步的設計掘進軌跡，進一步確定各分區液壓缸的軌跡；系統的4個小內環反饋實現對各個分區液壓缸推進壓力的精確控制，根據對各分區液壓缸的給定軌跡和實際掘進情況的比較，以及壓力信號的比較，調整各個分區液壓缸的輸入信號和工作壓力。

本文設計的姿態智能控制系統由外環的掘進軌跡控制器和各個分區的液壓缸軌跡偏差反饋控制器、壓力控制器組成，如圖4所示。圖4中，Sd1、Sd2為各分區液壓缸每一環的給定軌跡信號；S1、S2為位移傳感器實際的輸出信號；Pd1、Pd2為計算所得的給定調整壓力，P1、P2為系統實際輸出壓力。外環的反饋回路起偏差矯正作用，內部的4個局部反饋回路實現前期偏差預防，從源頭上消除偏差。控制器設計的最終目的是通過控制各分區液壓缸的掘進量，來實現盾構掘進軌跡的精確控制。

盾構姿態智能控制系統的各個分區單缸軌跡跟蹤控制方框圖如圖5所示。控制器1(C1(S))為推進壓力控制器，主要用來對比例溢流閥死區的非線性特性進行補償；控制器2(C2(S))為位移偏差反饋控制器，主要用來使推進液壓缸準確跟蹤給定的掘進軌跡。整個系統的頻寬、糾偏精度分別由C1(S)、C2(S)的性能決定。

圖4盾構姿態智能控制整體實現方框圖

Fig. 4 Intelligent control diagram of shield attitude

圖5 單缸軌跡跟蹤控制方框圖

當盾構在直線段運行時，各個分區液壓缸的跟蹤信號是相同的，此時能夠對盾構的多個液壓缸進行多缸同步控制； 當盾構在曲線段運行或在糾偏狀況下，各個液壓缸根據軌跡控制器給出的每一環的位移跟蹤信號，對各分區的壓力進行精準控制，從而實現盾構的曲線運動。

各個分區液壓缸單缸自動軌跡跟蹤控制采用的是前饋加反饋的控制方式，其中軌跡跟蹤控制器C2(S)采用模糊自適應PID控制策略，內環的分區推進液壓缸壓力控制器C1(S)采用定值補償控制方式，補償值的大小由計算出的給定壓力信號決定。

當盾構推進系統工作狀況發生變化或遇到不可預見的干擾因素時，常規PID控制在調節過程中的比例、微分、積分系數保持不變，這種控制策略不能很好地滿足推進系統姿態控制要求。本文的外環控制將模糊控制與PID控制相結合，使得PID參數在控制過程中根據輸入信號的變化情況作出適時調整，以達到對液壓缸推進壓力進行精確控制的目的，保證盾構更準確地跟蹤隧道設計軸線掘進，使推進系統能更有效地工作。

3 仿真試驗臺

利用盾構及掘進技術國家重點實驗室電液控制系統綜合試驗平臺中的盾構推進系統，對所研究設計的姿態控制方法進行試驗驗證，模擬試驗臺如圖6所示，推進系統主要由盾體、4個推進液壓缸和負載液壓缸、控制閥組件、液壓站組成。主油路上的齒輪流量計和壓力傳感器可以測量系統供油流量及壓力。推進液壓缸和負載液壓缸按照上、下、左、右4個分區位置進行布置，用來模擬實際盾構推進系統的4個分區，每個分區的液壓缸由推進控制閥塊獨立控制。

圖6 盾構電液推進系統試驗臺

在進行試驗時，打開電腦的labview程序，啟動加載、啟動電機，通過控制4個分區液壓泵的壓力對盾構掘進姿態進行調整，用來模擬盾構在實際施工中掘進情況；通過控制4個分區負載缸的壓力來模擬軟硬不均地層等各種復雜地質情況。利用安裝在各個液壓缸活塞桿端部的壓力傳感器能夠對推進壓力、加載壓力進行實時測量，安裝的位移傳感器可對4個液壓缸的位移進行實時測量。模擬系統前面板界面如圖7所示，能夠對測量的數據實時顯示和保存。

4 平臺試驗驗證

利用盾構電液綜合控制系統中的推進系統試驗臺對所設計的姿態控制方法進行模擬試驗，利用圖6所示的試驗臺的左右2個推進缸來模擬盾構掘進中水平向上姿態的調整。

在實際施工中，盾構穿越的地質情況復雜，掘進地層的類型也在不斷變化，這些變化都會造成土體負載變化。另外，刀盤開口率、埋深比的變化，以及施工參數的變化，從推進系統上表現為推進壓力和速度的變化。因此，在試驗中通過施加負載壓力來模擬實際工程中盾構通過軟硬不均地層，如圖8所示。

在盾構掘進過程中，隧道設計軸線有直線段和曲線段。本文主要針對直線段運行和曲線段運行2種工況進行模擬試驗。

圖7試驗系統前面板界面

Fig. 7 Front panel interface of test system

圖8 負載壓力變化曲線

4.1 軟硬不均條件下盾構在直線段運行(工況1)

直線段是隧道設計軸線的重要組成部分，盾構在直線段掘進時，各個分區液壓缸的行程和速度應保持一致。盾構在實際掘進中，液壓缸存在一定的回程誤差是一種常見現象，因此在模擬試驗中設定了一個初始的位移偏差值來模擬回程誤差，回程誤差設置為30 mm，表示設定軌跡值與實際值之差，偏差為正表示推進油缸滯后，為負表示推進油缸超前。位移信號采樣周期為100 ms，姿態控制根據偏差進行實時控制。系統在糾偏時，通過分析盾構當前位姿信號，合理調整各分區推進壓力和推進速度，使偏差信號回到合理范圍內，保證盾構的直線運行。位移和推進壓力試驗結果分別如圖9和圖10所示。

因為在推進系統開始推進時，設定了一個偏移量，1#推進缸落后3#推進缸位移30 mm，所以初始階段1#推進缸的推進壓力會增高來調整偏差，調整完成后因為1#推進缸前面所加負載壓力低，因此推進壓力也隨著降低。圖10中后續階段一直維持一定的差值，以適應軟硬不均地層引起的負載變化。從圖9 中可以看出，1#、3#推進缸的位移能很好地保持一致，可使盾構沿著直線運行，保證隧道施工質量。

圖9 工況1位移變化曲線

圖10 工況1推進壓力變化曲線

4.2 軟硬不均條件下盾構在曲線段運行(工況2)

與直線段施工不同的是，盾構沿圓曲線隧道設計軸線掘進時，各分區液壓缸的位移是有一定偏差的，因此不能根據各個分區液壓缸之間的偏差來對掘進姿態效果進行評價，而以實際位移與設定位移的偏差來進行衡量。本試驗模擬盾構向右轉彎狀態下的姿態調整，1#推進缸為左邊的油缸，3#推進缸為右邊的油缸。

在初始狀態下，為了模擬初始的行程偏差，同樣在模擬試驗中設置1#推進缸和3#推進缸之間的行程偏差值為15 mm。盾構掘進軌跡的調整方式與直線段的方式一樣，當盾構掘進方向偏向1#推進缸時，控制系統降低3#推進缸的推進壓力或提高1#推進缸的推進壓力，從而產生使推進系統向3#推進缸偏轉的力矩，使推進系統能夠沿著隧道設計軸線掘進。

盾構在掘進過程中由于刀盤負載是不斷變化的，加上盾構裝備本身的復雜性，造成掘進路線很容易與隧道設計軸線產生偏離，實際盾構在偏離軌跡時或轉彎時主要調整各個分區推進液壓缸的壓力大小來實現的。如姿態控制圖4所示，根據導航測量結果得到每個推進行程中各分區液壓缸位移量，利用各分區液壓缸控制器，準確跟蹤給定位移控制信號，實現盾構在整個曲線段掘進姿態的自動智能控制。

圖11和圖12分別為模擬通過軟硬不均地層時推進系統運行曲線段，通過姿態控制方式下的位移偏差變化曲線圖和推進壓力變化曲線圖。在掘進開始，左右分區液壓缸的給定位移設置為同一信號，以模擬在實際掘進中直線段的最后一環，此時各分區液壓缸保持同步運動。當進入轉彎或糾偏等曲線段運行時，調整各分區液壓缸的推進液壓使其不再同步，以完成轉彎或糾偏的任務。從圖11可以看出，位移偏差穩定在5 mm內，可滿足盾構掘進對姿態控制的要求。在圖12 中，由于左邊施加的負載壓力大，所以1#推進缸推進壓力也相應比3#推進缸的大，在進入轉彎狀態下，2個油缸的壓力差進一步增大，以實現向右轉彎的需求。

圖11 工況2位移偏差變化曲線

圖12 工況2推進壓力變化曲線

從試驗結果看，軌跡調整過程中超調量小，穩態精度高，推進速度穩定在控制范圍內，基本能夠完成實際軌道轉彎或糾偏過程某一推進行程的準確跟蹤控制。

5 結論與建議

1)以隧道設計軸線為跟蹤目標的盾構姿態控制策略，能明顯提高姿態控制精度，在地層狀況不好存在偏離的情況下仍然能夠調整姿態，有效控制掘進軌跡；外環采用模糊自適應PID控制方法，能夠在線實時修正控制參數，使控制器很好地適應被控對象的各種變化，具有超調量小、響應快的特點。與目前所研究的盾構姿態控制方法相比，具有適應地層負載變化的能力。通過試驗可證明，盾構姿態控制技術的應用可以避免由于盾構司機經驗不足等因素導致的掘偏現象，有效保證掘進施工安全，提高隧道成型質量。

2)本控制策略雖然有自適應強、控制效果好的特點，但研究中沒能在特別復雜地質條件下進行驗證，因此需要繼續進行試驗研究，并在工程中進行應用驗證，以提高不同地質條件下的適用性。另外，針對偏差量大的情況，需要研究更高級的控制算法，不斷提高控制的精度和效率，保障控制方法的可行性。