盾构姿态自动控制技术的应用与发展

文章编号:1001 831X(2003)01 0075 04

盾构姿态自动控制技术的应用与发展

李惠平1,夏明耀2

(1 上海理工大学城市建设与交通工程学院,上海 200093;2 同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

摘 要:为了保证地下隧道施工的高效及安全性,盾构掘进机的自动化技术得到了研究发展。目前这些研究主要集中于盾构技术发达的国家,在我国还很少。本文总结了国内外盾

构姿态自动控制技术的研究现状,阐述了该项技术在国内开展研究的必要性和迫切性。

关键词:盾构;姿态;自动控制

中图分类号:U455.3+9 文献标识码:A

1 引言

自1825年在英国太晤士河下首次使用盾构法修建第一条隧道以来,盾构法已有170多年的历史。由于其独特的优越性,世界上许多国家和地区修建或正在修建的城市隧道、越江或越海隧道大多采用盾构法修建。随着盾构机由低级到高级,由手工操作到计算机监控机械化施工不断地得到发展和完善,盾构法也日趋成熟。近年来,为了实现城市地下隧道施工的高效及安全性,盾构掘进机的自动化技术得到了发展。自动化技术应用于盾构法施工的目的之一就是使盾构机尽量准确地沿设计路线自动推进。

2 盾构姿态自动控制技术的研究现状

世界上不少发达国家,如欧美一些国家和日本,较早地在地下隧道施工中应用了盾构法,由此也带动了科研人员对盾构法施工中引发的各种问题进行深入的研究,大大推动了盾构法的完善和发展。随着自动控制的广泛应用,一些学者对盾构的自动控制进行了研究。

(1)酒井邦登等人[1]1987年将卡尔曼滤波理论(Kalman Filter Theory)应用于盾构控制。使用的数学模型为自回归模型(Autoregressive(AR)Model),它是建立在统计的基础上的,用下式来预测盾构位置。

x t=

N

i=1

a i x i-1+ i

y i=

N

i=1

b i y i-1+ i

由于卡尔曼滤波理论非常繁解,并且要进行大量回归工作,

所以它的应用范围受到很大的限制。

图1 偏离量的隶属函数

(2)桑原洋等1988年讨论了模糊控制在盾构掘进控制中的适用性[2]。模糊控制的特点类似人的思维,与经典控制理论的最大区别就是它没有严格的数学模型。模糊控制是在以往工作经验的基础上形成一系列的控制规则,依照这些规则对盾构进行控制。他提出了单向推进度的概念,定义如下式。

单向推进度=

使用的千斤顶距盾构中心的距离之和

作用千斤顶数千斤顶距盾构中心最大值仓冈丰1991年在福市高速铁道1号线延伸部施工中应用了模糊自动控制进行掘进管理[3],取得

第22卷 第1期2003年3月 地 下 空 间

UNDERGROUND SPACE

Vol.23 No.1

Mar.2003

收稿日期:2002 12 03(修改稿)

作者简介:李惠平(1973 ),女,河北人,博士,讲师,主要从事盾构姿态的自动控制研究。

了比较满意的效果。他采用的是三角形隶属函数,如图1所示。

浦氵尺仪等人介绍了应用于某深长隧道施工中的自动控制系统[4]。该系统为人工智能和模糊理论的新系统,它具有自动控制泥浆和挖土量、盾构位置的功能,并高精度地完成了一个隧道的施工。研究人员为了进行比较,在一部分施工地段用熟练人员(有12年工作经验)进行了手工控制与自动控制比较,结果表明,与手工相比,该系统能在极短的时间内进行控制,提高了施工精度。

在国内[5],胡珉等开发了上海地铁二号线隧道轴线控制系统,该系统也采用了模糊控制,其中的推理法采用的是管野模糊推理法。但该系统仅是一个咨询系统,并没有参与对系统油压的实时控制。

(3)清水贺之等人等1992年开始应用现代控制理论对盾构掘进机的控制进行了一系列研究[6-9]。他们从研究盾构在土中的运动特性入手,通过模型实验,建立描述盾构运动的线性数学模型,并采用极点配置法进行控制系统的设计。在他们的研究中,采用的试验设备及模型如图2所示

:

图2

模型试验设备及模型

图3 模型试验结果

76地 下 空 间 第23卷

试验装置是由外径约400mm,长350mm 的盾构机模型,以及相当于管片的支持管和移动台架,装载土砂罐的固定支架,排土罐,油压泵,试验装置控制盘等构成。移动台架和土砂罐之间由两台油压千斤顶连结,模型的掘进速度靠调整油压来控制,在土中可掘进900mm,掘削下来的土砂由真空泵吸到排土罐中。

使用的试验方法是,当盾构模型推进时,在盾构模型上强制施加一定的弯矩,使盾构横摆角和纵摆角及位置偏离量发生变化,同时进行测量,试验结果如图3所示。

通过对试验结果的分析,可得到盾构的位置、扭转角与盾构千斤顶产生的扭矩之间的关系,最后

得到盾构在土中运动的运动模型,即

d i

dz

=K i 11M ji +K i 12d i

dz =K i 21M ji +K i 22

式中,K i11、K i12、K i21、K i22为模型系数;

i 为横摆角(i=y)或纵摆角(i=p); i 为盾构形心偏离设计轴线的位置偏离量;下标i 为y 或p,y 指水平面内,p 指竖直面

内。

将该关系作为数学模型,进行自动控制系统设计。控制系统基本构成如图

4:

图4 控制系统流程图

从图3可以看出盾构的位置、扭转角与盾构千斤顶产生的扭矩之间的关系用线性来描述显得有些粗糙,并且系数的精确确定很困难,在不同的工程中,不同的地质条件下系数也不同,这就使得该系统的通用性比较差。虽然清水等人通过研究试图寻求一种简易系数推导方法,但结果并不令人满意。

此后,高崎肇、清水等人用同样方法对中折式盾构和多圆形断面盾构进行了研究。

3 结语

目前在国内对盾构的控制主要靠人工操作,这

样盾构的控制受到操作者的能力、身体状况、情绪等个人因素的影响,控制质量很难保证。随着盾构法向大深度、大断面、长距离发展,再加上改善施工

环境及劳动条件,提高施工质量,避免施工危险及熟练工人不足等原因,使得自动化技术的开发成为必需。

随着我国城市地下铁道的大量兴建,使用盾构法施工的隧道将越来越多,因此对盾构位置和姿态控制的研究将会产生巨大的经济效益和社会效益。然而,我国目前还未将自动控制技术应用于实际工程中,并且在此领域的研究与国外有着很大的差距,加强盾构自动化技术的研究已越来越迫切了。

参考文献:

[1] 酒井邦登,星谷胜 !∀# ∃一%&∋用(一 )位∗予测+制御[A] 土木学会论文集[C],No.385,1987.

9,pp:69-78.

[2] 桑原洋,原田光男.∀,−#理论∗(一 )掘进制御.∗适用[A] 土木学会论文集[C],NO.391,1988.3,pp:169-178.

[3] 仓冈丰.∀,−#自动方向制御/01大口径泥水(一 )∗掘进(福市高速铁道1号线延伸部)[J] 2!3 +地

下,1991 5,pp:27-34.

77

2003年第1期 李惠平等:盾构姿态自动控制技术的应用与发展