牛少俠

摘要：當前的盾構機集信息技術、液壓技術、機電技術于一體，既具備開挖、切削與輸送支護功能，還具有糾偏、測量、導向等功能。而隨著我國自動化機械的發展，實現盾構機安全、高效掘進施工，施工過程的全自動化、智能化是盾構技術發展的必然趨勢。所以為了能夠讓盾構機更加安全、高效的運行，就應當加強盾構機自動控制技術的研究。基于此，文章就盾構機自動控制技術的應用及其發展進行簡要的分析。

關鍵詞：盾構機;自動控制;技術現狀;展望

盾構機是用于開挖隧道等地下施工的專用工程機械。盾構機在我國隧道的開掘中起到了非常重要的作用，隨著我國自動化機械的發展，實現盾構機安全、高效掘進施工，施工過程的全自動化、智能化是盾構技術發展的必然趨勢。未來盾構機的全自動化施工將為人們帶來更加豐富的成果。

一、盾構機工作原理

20世紀90年代盾構土壓的平衡由倉岡豐采用，用這個理論來控制，但是這個系統的穩定性卻無法得到保證。LI設計了自調整PID控制器，它主要運用的是非線性掘進控制系統，這個方式大大的提高了土壓的穩定性，隨著盾構機系統的科學技術不斷發展和進步，采用遺傳算法對盾構機的施工參數制定了優化的控制方案和工藝，對于盾構機排土中的螺旋輸送機的轉速加以控制，引入了驅動公路效率的技術以及自動識別系統，同時根據盾構機的壓力分布情況，根據壓力控制的數學模型使盾構機的壓力控制和液壓缸的自動控制得以實現。

二、盾構機自動控制技術現狀分析

（一）盾構機掘進系統的自動控制

盾構機掘進系統多采用智能的控制方法，20世紀90年代由倉岡豐采用模糊控制理論來控制盾構土壓平衡，但是卻無法保證系統的穩定性。LI等在此基礎上設計了在非線性掘進控制系統中使用模糊免疫自調整PID控制器，提高了土壓的穩定性。隨著智能化專家控制系統的不斷更新，盾構機自動控制系統中引入了自動識別和驅動公路效率的技術，對盾構機的運行和土體掘進時的壓力分布情況的研究，一種盾構機推進系統的自動控制方式產生。根據壓力控制的數學模型，和偏差修正等控制策略，使盾構機的壓力控制和液壓缸的自動控制得以實現。另外胡國良等對排空控制的研究，提出了將PID控制技術在排土控制中使用，實現了螺旋輸送機排土的自動控制。

（二）位姿控制

盾構機的位姿主要通過對推進系統的液壓缸進行控制來實現的。自20世紀80年代SAKAI等將卡爾曼濾波理論在盾構機的位姿控制方面應用并且建立了控制模型后，國內外的專家和研究人員開始了對盾構機位姿控制的研究。李惠平等根據盾構機控制的特點對模糊控制器的設計提出了“先分后合”方法，更便于調節控制器的性能。之后我國的研究人員在此基礎上進行完善，將LabVIEW在盾構機位姿控制器的設計中加以應用，又通過模糊控制器得出千斤頂糾偏控制量，逐漸實現了盾構機位姿的自動控制。為了使系統具有更好的通用性，能夠在不同的地質條件下穩定運行，MITSUTAKA提出了盾構機推進過程中動態載荷的理論模型，該模型對盾構姿態影響的各個參數所具有的敏感性進行分析，為提高位姿自動控制的精確度發揮了重要作用。

（三）管片的自動拼裝

手工管片拼裝存在很多弊端，實現管片的自動拼裝十分必要。20世紀80年代，日本最先使用了管片自動拼裝的設備，各國開始了管片自動拼裝的研究。國際隧道協會針對隧道管片的拼裝制定了設計準則。趙志杰等對通用管片進行研究，配合盾構設計軸向的特點，通過多環組合的方法對管片的拼裝點位進行選取，并對切向糾偏路線進行制定，開發出虛擬的管片拼裝系統。在日歐等國，已經實現了管片的全自動拼裝，利用機器人動態模型，實現了管片支護和拼裝的全自動控制。

三、盾構機自動控制技術存在的問題和發展趨勢

（一）建立以密封艙壓力動態平衡為目標的控制模板

密封艙壓力失衡會導致地面出現沉降不均的現象，而密封艙壓力控制技術則是盾構機自動控制系統的關鍵技術，目前，對于盾構機密封艙壓力控制的研究僅僅還是停留在認知初期和試驗層面，還沒有形成理論成熟、系統精確的控制模型，導致研究的結果不具備真實性和實用性，從而造成我國盾構機密封艙壓力平衡技術落后的局面。因此，在未來的研究方向中，我們應該從分析各個子系統中控制機理的關系著手，從而建立促進密封艙壓力平衡的控制模型，再結合先進的自動控制技術，最后實現密封艙壓力平衡的自動化控制層面，精確地控制地面的沉降數據。

（二）掘進系統的協調控制策略

在傳統的盾構機土壓控制系統中，通常都是先預設土倉的壓力值，然后再分析施工過程中密封艙壓力的波動情況和地表下沉狀況來各個子系統的工作參數，例如推進系統、刀盤系統和排渣系統等。各個子系統的工作機理都是相互獨立分開的，同時也互不干擾互不影響，并且大多數都是需要通過手動調節，而這種手動調節正是較為滯后的土壓糾正方式。密封艙平衡系統需要推進系統、排渣系統和刀盤系統相互聯合作用來實現工作效益，因此，為了提高這一關鍵技術的運用，需要在掘進系統中引入多個子系統調節控制機理，通過最優良的控制機理來協調各個系統的活動。

（三）運動軌跡的動態規劃與位姿控制

目前，盾構機位姿系統的控制理論和控制方式都是以人的邏輯思維和行為模式為基礎，通過將操作者的操作過程和控制經驗進行參數化和程序化后，就可以利用模糊控制策略來實現自動化、智能化操控。這一切都是建立在具備施工記錄和施工經驗的前提下，若不具備這一有利條件，一旦遇到較為復雜的地形環境和施工工序，盾構機的位姿控制就難以得到有效保障，這也是至今盾構機無法全面實現自動化控制的主要原因。若要實現自動化位姿控制，則要先分析相關影響因素，再建立專業的控制模型，在非完整欠驅動的前提下完成局部可控，最后再求取最優良的位姿控制規律。

四、結束語

隨著科學技術與現代計算機技術的高速發展，未來盾構機必然會實現全自動化的施工，全自動化盾構機能夠安全、高效的完成施工，可以節約人力物力，還可以縮短工期，但是在各類因素的影響下，盾構機自動技術的發展還存在一系列的難題，有待進行深入的研究。

參考文獻：

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（作者單位：中鐵三局集團廣東建設工程有限公司）