（机械电子工程专业论文）智能化盾构姿态控制器的设计.pdf

摘要 摘要 盾构姿态的智能控制技术是盾构施工方法智能化机械化进程中的重要部 分通过对盾构前方地质条件的分析，利用自动化测量系统得出的偏差，引入 控制器，在掘进过程中，控制器不断根据前方地质条件和偏差量进行智能修正， 姿态的控制不再依赖人为经验，从而实现盾构姿态控制的智能化，使其实际的 行进路线与设计路线尽量一致，保证施工质量。 本文结合课题的实际要求，对盾构姿态的智能控制器进行了详尽的设计， 主要研究内容如下： 首先分析了盾构推进时的受力状态，归纳出影响盾构姿态的主要因素，研 究了这些因素与姿态变化的关系，介绍了任一平面距离土层分布情况的插值计 算法。 其次运用s q ls e r v e r 和m i c r o s o f te x c e l 等软件建立历史施工数据数据库， 总结历史数据的规律，修正了理论计算的总推力并得出各区推力的分配规律， 从而控制器分析计算出任一平面距离的地质条件，并根据不同地质条件设定推 进千斤顶的推估总推力以及各区千斤顶推估推力 然后在盾构姿态存在偏差时，引入模糊控制理论，对模糊控制器进行了设 计通过分析模糊控制器的结构，确定输入输出变量的论域、量化因予及比例 因子，选择模糊控制规则，利用m a t l a b 建立离线模糊控制表，分析设计了一个 最优的适用于盾构姿态调整的模糊控制器。 最后应用v i s u a lb a s i c 进行姿态控制器的软件设计，实现了控制器对不同 地质条件下千斤顶推估推进压力的设定以及盾构姿态存在偏差时推进千斤项纠 偏推力的设定。通过计算机仿真，对所设计的智能控制器进行研究分析，证明 了控制器的效果是令人满意的。 关键词：盾构，控制器，千斤顶推力，数据分析，模糊控制 a b s t r a c t 1 1 l ei n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o lo f t h ed i r e c t i o ni sa ni m l x n t a a tp a r ti nt h ep r o c e s so f a u t o m a f i z a f i o no fs h i e l dm a c h i n e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed i r e c t i o nc o n t r o l l e r d u r i n gt h er e a lt i m ec o n t r o l ，t h ec o n t r o l l e rc o r r e c tt h ed i r e c t i o no fs h i e l dm a c h i n e a u t o m a t i c a l l yb ya n a l y s i n gt h ee a r t hc o n d i t i o ni nf r o n to ft h es h i e l dm a c h i n ea n dt h e p a r t i a ld i f f e r e n c em e a s u r e db ya u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e m s ot h ed i r e c t i o nc o n t r o l d o e s n tm a k em a n u a l l ya n dt h ep r a c t i c a lr o u t ew i l la c c o r dw i t ht h ed e s i g nr o u t em u c h b e t t e r c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a ld e m a n d , t h i st h e s i sn 1 妇at h o r o u g h l yr e s e a r c ho nt h e i n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l l e r , t h em a i nc o n t r i b u t i o n s0 r e ： f i r s t l y , e x p o u n dt h es t a t u so fs h i e l dm a c h i n e , s 啪u pt h ef a c t o r st h a ta f f e c t d i r e c t i o nc o n t r o lo fs h i e l dm a c h i n ea n dr e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb c 咖- o e nt h e s e f a c t o r sa n dt h es h i e l dm a c h i n e sd i r e c t i o n i n t r o d u c et h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h e e a r t r hc o n d i t i o na ta n yd i s t a n c e s e c o n d l y , b u i l dd a t a b a s ea n dd i gt h er u l ei nt h eh i s t o r i c a ld a t au s i n gt h es o f t w a r e s q ls e r v e ra n dm i c r n s o f le x c e l ，a m e n dt h eg r o s st h r u s to fj a c kd e d u c e db yt h e t h e o r ya n df i n do u tr u l eo f t h et h r u s ti ne a c h j a c k 1 1 1 cc o n t r o l l e rc a na n a l y s et h ee a r t h d i r e c t i o na ta n yd i s t a n c ea n dc a l c u l a t et h ep r e d i c t i o nt h r u s to f e a c h j a c k t h i r d l y , i n t r o d u c et h et h e o r yo f t h z z yc o n t r o lt oc o r r tt h ep a r t i a ld i f f e r e n c e b y a n a n l y s i n gt h es t r u c t u r eo f t h ec o n t r o l l e r , c h o o s et h ef a c t o ro f i n p u ta n do u t p u tv a r i a n t a n dt h ef u z z yr u l e , b u i l tt h eo f f i i n ef u z z yt a b l eu s i n gt h es o f t w a r em a t l a b ，d e s i g n t h ef u z z yc o n t r o l l e rw h i c hi sa p p l i e dt oc o r r e c tt h ed i r e c t i o no f s h i e l dm a c h i n e f i n a l l y , d e s i g nt h es o f t w a r eo fc o n t r o l l e ru s i n gv i s u a lb a s i cw h i c hc a l ls e tt h e p r e d i c t i o nt h r u s tb a s e do nt h ee a r t hc o n d i t i o na n dt h ed e v i a t i o nt h r u s tb a s e do nt h e p a r t i a ld i f f e r e n c e n 伦c o n t r o l l e ri sc o n f i r m e db yt h es i m u l a t i 0 1 1 k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e , c o n t r o l l e r , t r u s to f j a c ld a t aa n a l y s i s ， f u z z yc o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：吴弗 唧年；月，z 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月e l 砷年，月 关韦 形日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声鹈：所呈交豹学位论文，慧本人在导筛指导下，迸锫 研究工作所取得的成果。除文中融经注明引用的内容外，本学位论文 静磅究成暴不惫含铗谤链大麓襻豹、基公开发表或者没有公开发表酶 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的萁他个人和集 体，均已在文孛竣明确方式标暌。零学位论文爨毯性声嚼豹法德责任 由本人承担。 签名：吴弗 厕年弓f ji 日 ， 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 “1 9 世纪是桥的世纪，2 0 世纪是高层的世纪，2 1 世纪将是地下空间的世纪。” 城市地下空间在加强城市功能，改善城市环境，实现城市集约化和可持续发展 中将发挥越来越重要的作用。 地铁隧道是地下空间开发利用的重要组成部分，进入2 1 世纪以来，为了减 轻地面交通的负担，改善城市交通，我国各大城市掀起地铁建设的高潮。仅上 海而言，规划中的上海轨道交通路网共1 7 条线，总运营里程将达到8 0 0 公里， 而其中市区范围内的基本路网均由地下线路构成。预计在2 0 1 0 年世博会之前， 上海将建成4 0 0 公里以上的轨道交通基本路网，初步具备一个国际大都市所拥 有的便捷的公共交通网。就全国范围而言，地铁工程建设方兴未艾，目前正在 建设地铁工程的城市有北京、天津、广州、深圳、南京，武汉、重庆，而规划 有轨道交通( 包括地铁) 建设工程项目的城市已达二十六个之多包括正在筹 建中的苏州、杭州、沈阳、成都、青岛、西安等城市其中大多采用了盾构法 区间隧道建设工法。除此之外，盾构法隧道簏工在诸如地下供水隧道、合流污 水管道、供电和通讯电缆隧道、煤气管道等方面的应用也日渐普及盾构法以 其独特的优越性在城市交通及市政工程中发挥着作用。据不完全统计，我国今 后二十年内，各类隧道所需投入的各类盾构机的总量将达到2 0 0 0 台之多。盾构 技术将在我国迅速生根开花并结出硕果“1 。 1 2 盾构的概念及发展状况 1 2 1 盾构施工的基本原理 盾构施工是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边 进行隧道掘进、出渣，并在盾构机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而 在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方法。 第l 章绪论 盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾形钢 壳。“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体图1 1 为土压平衡盾构机主 体示意图嘲啪 1 刀盘2 切口环3 推进千斤顶4 驱动装置5 支撑环6 盾尾7 管片拼装机 8 螺旋输送机9 盾尾密封 图1 1 土压平衡盾构机主体示意图 盾构机主体主要由刀盘、盾壳、驱动装置、螺旋输送机、管片拼装机、推 进油缸等几大部分组成。盾构的掘进是靠盾构前部的旋转掘削刀盘掘削土体， 掘削土体过程中必须始终维持掘削面的稳定；靠舱内螺旋输送机出土，靠中部 的推进千斤顶推进盾构前进：靠后部的管片拼装机拼装管片；随后再由尾部的 背后注浆系统向衬砌与地层问的缝隙中注入填充浆液，以便防止隧道与地面的 下沉。保证掘削面的稳定、盾构沿设计路线的高精度推进( 即盾构的方向、姿 态控制) 、衬砌作业的顺利进行是盾构掘进技术的三大要素。 1 2 2 盾构旋工技术的特点 区别于明挖法等隧道施工技术，盾构施工技术有如下的特点： ( a ) 对城市的正常功能及周围环境的影响很小，不受地面交通、河道、 航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能够较经济合理地保证隧道安全施工。 2 第1 章绪论 除在盾构竖井处需要一定的施工场地外，隧道沿线不需要施工场地；施工中几 乎没有噪声和振动，对周围环境没有干扰；在松软地层中，开挖埋置深度较大 的长距离、大直径隧道，具有经济、技术，安全、军事等方面的优越性。 ( b ) 盾构机是适合于某一特定区间的专用设备。盾构机必须根据施工隧 道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造 ( c ) 施工精度要求高管片的制作精度几乎相当于机械制造的程度，目 前每片的误差要求在0 5 t m 以内；在盾构施工过程中对隧道轴线的偏离、管片 拼装精度也有很高的要求 ( d )盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退， 因此，盾构施工的前期工作非常重要，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能 通过实施施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。 ( e ) 盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程 控制信息化，掘进速度较快，旌工劳动强度较低。 1 2 3 盾构的发展动向 盾构技术目前已成为构筑城市交通及市政工程的主要施工方法，其发展动 向的基本出发点是：对环境无污染、更安全、工期更短、造价更低、旌工领域 更宽、施工布局更合理。归纳起来，发展动向的特点是大深度化、高地下水压、 大口径化、长距离化、施工机械化、省力化、自动化、智能化、施工高速化、 断面异圆化具体做法是m ： ( a ) 完善当前已问世的新工法、新工艺的技术细节，使之提高成熟。 ( b ) 推出崭新概念的工艺、工法、材料。 ( c ) 加快盾构施工技术的自动化进程。对盾构掘进施工中现有姿态数据 的测量和分析，对影响盾构姿态的地质条件进行探测，寻找影响盾构掘进姿态 的参数及其变化规律，制定一整套针对掘进过程中的精确动态测量系统和自动 化咨询控制系统，实现盾构掘进工程中的信息化、智能化、自动化。 第1 章绪论 1 3 盾构姿态的自动控制 1 3 1 盾构施工系统自动化现状 随着自动控制的广泛应用，一些学者对盾构掘进的自动控制进行了研究， 从手工操作到辅以计算机监控，机械化施工不断地得到发展和完善，盾构技术 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。自动化技术之一就是使盾构机尽量准确地沿设计 路线自动推进。盾构推进时，其姿态控制的好坏与周围环境的受影响程度有很 大的关系如果控制得好，地表的沉陷或隆起就会较小；反之则会引起较大的 地表变形，危及地面构筑物的安全。以前，对盾构掘进机的姿态控制主要还是 依据人的经验，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。采用自动化技术能更有效的实现盾构 姿态的控制，使其实际的行进路线与设计路线尽量一致，提高施工质量。 1 3 2 盾构姿态自动控制研究现状 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 ( 1 ) 酒井邦登等人1 9 8 7 年将卡尔曼滤波理论( k a l m a nf i l t e rt h e o r y ) 应用于盾构控制。使用的数学模型为自回归模型( a u t o r e g r e s s i y e ( a r ) m o d e l ) ， 它是建立在统计的基础上的，用下式来预测盾构位置。 耳= q 玉一l + 8 1 扣i y l = 岛y i - 。+ s j 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 4 第1 章绪论 受到很大的限制。 ( 2 ) 桑原洋等1 9 8 8 年讨论了模糊控制在盾构掘进控制中的适用性。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= 订再摹另等翥螽誉骂等笔鑫笺雾要 ( 3 ) 板场通夫1 9 9 2 年对他所在的飞鸟建设株式会的盾构自动掘进管理系 统进行了介绍。他们的盾构自动方向控制系统f l e x ( f 1 e x i b l ec o n t r o l l e d s h i e l de x c a v a t i o ns y s t e m ) 由三部分组成：自动测量系统，姿态控制系统，线 形管理系统。各子系统的任务如下表： 表1 1 盾构自动方向控制子系统任务表 对盾构机位置和方向实时( r e a l t i m e ) 测鼍： 自动测量系统 位置的确定：应用激光光波式自动测最装置测量位置 方向的确定：应用陀螺仪和测斜仪测量方向 对盾构机姿态的实时控制： 运动特性的确定；根据每一环的掘进数据来确定盾构机的运动特性 姿态控制系统 目标方向角的设定：根据设计线路来确定目标方向角 方向的控制：掘进千斤顶和超挖刀自动操作使盾构沿目标方向角前进 管理盾构机的线形： 线形管理系统 基本计划线的设定：对盾构掘进时的基本计划线进行设定管理 掘进轴线的设定：根据基本计划线自动设定最优掘进线路 ( 4 ) 清水贺之等人从1 9 9 2 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。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i 2 所示： 5 整! 童笙鲨一 一 图l2 模型试验设备及模型 培篱昙篡篓鬈萎芸要篙慧篓生嚣篙詈嚣要施加篡鬈 矩，使盾构横摆角和纵摆角及位置偏离量发生变化同州地1 1 侧里“。”一 如图1 3 所示： 鼍 蔓 c t x l o 。- 聃分 、_ j 。 妇0 黧絮淼嚣型嚣鬈鬻肝颀牲的 扭矩之间的关系，最后得到盾构在土中运动朗还明幌7 里即。 警= 根m ( 1 1 ) 韶 ” 华：k f 2 l m + 置， 韶 将该关系作为数学模型，进行自动控制系统设计。控制系统基本构成图如图l 4 6 第1 章绪论 图1 4 控制系统流程图 从图1 4 可以看出盾构的位置、扭转角与盾构千斤项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 ( 5 ) 浦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。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旌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1 2 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。 ( 6 ) 在我国，由于盾构机掘进技术较晚进入，大部分时间都在应用这些大 型设备，对其在使用过程中的问题研究较少。到近几年，随着建设方对施工质 量和工作效率的重视，以及对环境的重视，根据各施工单位反映的情况，一些 研究机构开始针对盾构机掘进施工过程中的问题开展研究，并为实现控制自动 化作了部分努力，然而收效甚微，原因是各施工现场采集的数据量大，规律性 差，我国地质条件差别较大，导致采集到的盾构推进数据不具有代表性等原因。 值得庆幸的是，各施工单位十分注重现场数据的采集，这为进一步精确的研究 提供了条件”1 。 1 4 本课题的背景、意义和主要内容 本课题来自上海地铁盾构设备工程有限公司的盾构科研改造项目：智能信 7 第l 章绪论 息化盾构施工辅助系统技术研究，其目的是实现盾构掘进机施工的智能化和信 息化其创新之处在于对盾构姿态的控制是建立在开挖面前方的地质情况信息， 在专家库控制器的分析处理得到控制参数，结合自动测量系统的定位完成姿态 控制操作根据课题的研究目的，本文所做的具体工作如下： ( 1 ) 分析研究了影响盾构位置及姿态的因素，探讨了盾构纠偏的一般措施。 在此基础上，详细介绍了盾构智能控制的原理，并对控制系统各部分的组成、 原理进行了讨论 ( 2 ) 在理论推导千斤顶推力的基础上，结合大量的历史实际施工数据，建 立施工数据的历史数据库，挖掘工程历史数据的规律，并介绍了任一平面距离 土层分布情况的插值计算法，实现在不同地质条件下，对盾构千斤顶推估推力 的设定。 c 3 ) 介绍了模糊控制基本知识和基本概念，并着重对模糊控制系统的核心 模糊控制器进行设计，得出姿态纠偏模糊控制器应设定的推进千斤顶的纠 偏控制量。 ( 4 ) 进行控制器软件的设计编写，实现控制器对不同地质条件下千斤顶推 估推进压力的设定以及盾构姿态存在偏差时推进千斤顶纠偏推力的设定，最终 实现在盾构推进过程中，控制器对盾构姿态的实时控制。 第2 章盾构姿态智能控制原理 第2 章盾构姿态智能控制原理 盾构在掘进过程中受到开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、地下 土层变化及其他方面的影响，盾构的实际推进轴线为一蛇行线路。因此盾构的 姿态控制就是通过雷达探测和自动测量系统随时掌握正在掘进中的盾构前方的 土质情况以及盾构的位置和姿态，下达调整盾构机姿态应启动的千斤顶的模式 从最佳角度位置移动盾构机使其蛇行前进的曲线与隧道轴线尽可能接近，以保 证隧道的顺利贯通。 2 1 盾构姿态的影响因素和纠偏方法 2 1 1 影响盾构位置及姿态的因素 在隧道施工中，盾构姿态的控制质量直接影响着隧道的工程质量。盾构在 脱离工作井导轨后，进入地层，随着工作面的不断开挖，盾构不断向前推进， 同时在尾部进行衬砌拼装与注浆因此盾构的位置直接决定了衬砌的位置，衬 砌位置及隧道走向能否符合设计要求，与盾构的操作质量直接相关。事实上， 盾构在土中推进时，导致偏离隧道设计轴线的因素很多，如土层不均匀，正面 四周阻力不一致，千斤顶顶力不一致，盾构重心偏于一侧等。影响盾构姿态的 因素归纳起来有以下几点”： 1 在盾构掘进过程中由于不同部位推进千斤顶参数设定与其实际所受阻力 的偏差将引起盾构机推进方向的偏差； 2 由于盾构上方覆土厚度的不同引起盾构机表面与土层间的摩擦阻力不同 引起的偏差； 3 开挖面的土质软硬不均也易引起盾构机方向的偏差； 4 受刀盘自重的影响盾构机也会有叩头的趋势； 5 衬砌管片环面倾斜使盾构机各区域内千斤顶推力作用方向不一致导致盾 构机方向的偏差； 6 壁后注浆压力分布不均时会使管片发生位移造成盾尾日j 隙分布不均匀致 9 第2 章盾构姿态智能控制原理 使盾构机推进方向的偏差； 7 其他人为操作引起的盾构机推进方向的偏差如盾构机司机操作失误、始 发架和反力架安装位置偏差、测量误差等 2 1 2 修正偏离的原则 盾构纠偏的基本原则如下咖： 1 偏离量增大之前及早修正； 2 在施工场地条件受限只能按现时方向掘进的场合下，通常可提前l o 2 0 m 对盾构偏离量进行预测实现对偏离量的控制； 3 遵循偏离量的管理值和允许值，确立修正措施。 图2 1 示出盾构偏离修正图，在进行盾构纠偏时，应充分考虑到上述三点， 根据盾构在推进方向上的偏离量，决定纠偏措施，既要保证纠偏效果，又要防 止纠偏过快而造成更大的偏离量。 2 1 3 盾构的纠偏措施 图2 1 盾构偏移修正图 在进行盾构姿态调整时，应根据机械性能和推进参数、土层特性、隧道轴 线线形，掘进指令等采用合理有效的方法进行。目前盾构操纵与纠偏主要采取 合理选取千斤顶编组并控制各区油压，合理控制盾构“蛇行”偏差，正确选用 刀盘正，反转模式，控制管片拼装质量，合理采用楔形衬砌环修正，采用注浆 1 0 第2 章盾构姿态智能控制原理 孔压力修正等方法嘲 1 合理选取千斤顶编组并控制各区油压 盾构的掘进是在千斤顶推力作用下完成的，合理选择盾构千斤顶的使用区 域、个数及推力，对于保证盾构沿设定的隧道理论轴线进行推进是至关重要的。 其推进方向是由采用多大的油压、施加在哪些位置来决定的，故掘进过程中必 须事先考虑曲线、坡度、蛇行修正等因素来决定千斤顶各区域的推力、个数及 富裕量。当盾构需要调整方向时，可调节每组千斤顶的工作油压，借此纠正或 控制盾构前进方向和坡度。 2 合理控制盾构“蛇行”偏差 为了保证盾构掘进有良好的姿态，蛇行曲线需要不断修正以接近隧道设计 轴线在推进施工中必须由每一环的实测结果，计算出盾构姿态及成环隧道中 心与设计轴线的偏差，绘制成图，并根据雷达探测盾构前方的地质情况，及时、 连续、缓慢的纠偏。每推进1 0 0 环，用高精度自动测量仪器如全仗仪测量校核 ( 1 ) 盾构平面线形的控制方法 如图2 2 所示，当盾构首尾位于轴线同一侧，并发现切口偏离轴线的数值小 于盾尾时，说明盾构运动轨迹有渐进设计轴线的趋势，此时可保持原有姿态推 进，反之应立即纠偏。在直线段纠偏时，应选取盾构当前位置点与隧道设计轴 线上远方的一点做一直线在曲线段纠偏时，应选取盾构当前位置点与隧道设 计轴线上远方的一点的连线同设计的曲线相切，然后再以这条新线为新的基线 来进行线形管理。 图2 2 平面轴线控制 ( 2 ) 盾构在纵坡线段时线形的控制方法 a 变坡法。此方法适用于盾构机在竖曲线段的推进。在每一环或一定距离 推进时，盾构机用不同的坡度进行，尽可能逼近隧道理论曲线的线形见图2 3 ： 第2 章盾构姿态智能控制原理 盾 隧道设计轴线( 虞) 图2 3 坡度变化时 b 稳坡法。此方法适用于盾构机在纵坡恒定段的推进为使盾构机的推进 轴线和隧道轴线线形保持一致，在纵坡段应采用稳坡法见图2 4 ： 图2 4 坡度恒定时 对盾构进行纠偏时，应注意以下事项： 1 在进入曲线推进前，应提前调整好盾构机的姿态，尽量减少盾构机推进 轴线与隧道理论轴线的夹角和偏移量。 2 加强对盾构机的姿态进行人工测量，校核盾构机自动测量系统的结果并 进行及时调整。 3 合理运用盾构机的仿形刀具，控制好超挖量，尽量使盾构机靠近曲线内 侧推进。 4 为防止拼装好的管片移动错位，要求千斤顶油缸推力差尽量减少，并尽 量缩短同步注浆浆液的胶凝时间，减少管片的损坏和变形，也可使千斤顶的偏 心推力有效地起作用，确保曲线推进的效果。 5 在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宣过快。 6 根据开挖面地层情况及时调整推进参数以调整推进方向，避免引起更大 的偏差。 7 蛇行的修正应以长距离缓慢修正为宜，如修正过急，蛇行线形反而更明 显。 1 2 第2 章盾构姿态智能控制原理 8 精确计算每一推进循环的偏移量与偏转角的大小，合理调整推进油缸的 推力、分区及组合方法。 2 2 盾构姿态控制系统的组成和原理 插值法+ 雷达 自 压力传感器 图2 5 盾构控制系统 图2 5 为盾构的整个控制系统，其工作原理是： 利用插值法和探地雷达探测结合的方法测出盾构前方的地质情况( 其中 雷达探测为另一子课题的研究内容，本文不做详述) ，把探测结果送入控制器， 分析计算在此地质情况下各区千斤顶所需的推估推力分布状况e ( i = 上、下、 左、右) 。 利用自动测量系统测量盾构的掘进偏差( 此为另一子课题的研究内容， 本文不做详述) ，把测量结果送入控制器，分析计算修正该偏差的各区千斤顶所 需的推力分布状况e ( i = 上、下、左、右) 。 第2 章盾构姿态智能控制原理 由地质情况所需的推估千斤顶推力分布状况和修正姿态所需推力分布状 况，计算各区千斤顶的目标推力值e4 - e ，把各区的目标推力值送入p l c p l c 按维持目标压力值的原则控制各区千斤顶的压力 由推力检出分区压力传感器检测出各区的压力值 在某一时刻，盾构某一区如上区千斤顶压力为局，此时根据她质条件上区 所需推估压力为e ，根据偏差上区所需纠偏压力为a f 。，即此时应维持上区千斤 顶压力为只+ a 只，这样上区千斤顶的压力变化为f = e + e f o ，a f 中包 含地质条件的变化引起的压力变化和纠正偏差所需的纠偏压力，因此比以往的 单单从纠偏角度忽视地质变化来调节千斤顶压力的做法更准确，而且还是以调 偏角为主，结合地质条件来进行姿态控制。连续反复上述操作，则盾构机不仅 可以保证在不同的地质条件下沿设计轴线前进的可能性大为提高，而且可以有 效修正由于很多复杂因素引起的姿态偏差 2 2 1 雷达探测系统 盾构前方的地质情况直接影响盾构姿态的变化，因此必须利用有效的手段 探测出盾构前方的地质情况，建立不同地质情况引起盾构姿态变化大小之间的 数据库，以及建立不同地质条件需要对盾构进行多大调整的分析库，从而对遇 到的地质情况与己掘进施工过程中所记录的数据形成对比，以确定控制系统中 所需的参数。本系统采用意大利d s 生产的i r s k 2 探地雷达“”，它主要由天 线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成，发射机的作用是产生已 知波形的射频，该射频是一种典型的正弦型脉冲，经分离器( 即收发开关，仅 对单基天线而言) 后传输给天线，再由天线将此电磁波定向辐射入地下系统 这种高频电磁脉冲离开天线后便成为发射信号，发射信号经由空气到达路面时， 一部分信号会透射地表继续向下传播，另一部分信号沿不同的方向反射这样 电磁波在地下系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发 生透射和反射，并且透射的雷达信号会越来越弱。 地下系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分，当相邻的结构 层材料的电磁特性不同时，就会在其界面问影响射频信号的传播，即发生透射 和反射。 在射频发射过程中，在发射机和天线之间由分离器联结，短期发射后，分 1 4 第2 章盾构姿态智能控制原理 离器切断发射机和天线的联结，把接收机和天线联结起来。分离器的作用在于 保护接收机的输入元件，使其不被发射机的高能输出损坏。 接收机的任务在于捕捉到微弱的反射信号并对其进行放大，然后将这些信 号传递给信号处理机信号的专门处理过程取决于探地雷达系统的应用程序， 但都会对接收信号数字化并存储在数字存储器上 反射信号经过放大并处理后即可获得所需信息，终端设备的作用就是将这 些信息显示出来。 图2 6 探地雷达探测模型 图2 6 为雷达安装在盾构上的探测模型，利用探地雷达进行地质情况探测， 确定地质情况，根据已建立的地质条件数据库系统，分析相关地质条件对盾构 姿态的影响程度，用于制定姿态控制的依据，可有效消除盾构机偏向、归避风 险，降低盲目施工造成的损失、节约资金及社会资源，带来巨大的社会综合经 济效益。 2 2 2 自动测量系统 盾构姿态的测量是检测盾构施工掘进过程中的行进状态，指明下一步盾构 掘进的应有姿态，通过实测既有状态与设计状态的对比，判断其掘进路线与设 计路线的差异。由于自动全站仪可遥控，实时，精度高，自动化等特点就使得 它成为对盾构机轴线进行监控的有力工具，它能够代替人工操作进行自动搜索、 跟踪、辨识和精确照准目标并且测量和获取角度、距离、三维坐标等信息，本 第2 章盾构姿态智能控制原理 系统采用徕卡t c a 2 0 0 3 全站仪进行盾构姿态的测量叭1 ，原理如图下所示。 ， 。 ， ：一一一，国茸括点冀，一一”4 器缨量括点2 窨 一_ ，- ， 。- _ ， 匝图 图2 7 自动全站仪自动测量系统 目标点3 ( 1 ) 测站测站用来放置自动全站仪，它的三维坐标值应该已知，而且要 具有良好的通视条件以及可与电脑连接( 无线通讯除外) ，一般放在比较稳固处 在地铁隧道实际应用中，一般放置在盾构机后方稳定的吊篮上 ( 2 ) 后视参考点。所谓参考点即其三维坐标值也已知或者已知测站与后视 点的方位，后视点应位于稳固不变处，参考点和基站的连线提供已知方位，确 定参考坐标系。可以通过坐标系原点及方位的设置将对目标点的坐标计算归至 到参考坐标系中，从而使模型更易懂、更简单。 ( 3 ) 目标点。根据计算和监控的需要，目标点要设置在盾构机上至少三个 特征点处，分布较开，而且要适合安放正对测站的棱镜通过对目标点棱镜的 观测和计算，然后得到目标点的坐标，以利于后续工作 ( 4 ) 电脑。该系统通过双向通讯电缆和自动全站仪相连接，由计算机软件 向仪器发出指令并控制仪器的操作，指挥自动全站仪进行自动测量，然后从全 站仪获取得到观测数据。如果是有线通讯，那么计算机应放置在测站附近，但 要注意保证计算机系统的稳定和数据线的顺畅无阻。 在盾构掘进过程中，通过自动全站仪测定三个预先设定在盾构机内的的目 标点的三维坐标，然后通过三维向量转换的方法，并结合初始设置的盾构机基 本参数来解算盾构机切口中心和盾尾中心的坐标。这样就得到了一条经过切口 中心和盾尾中心的盾构实际推进轴线。盾构机姿态的偏差量包括切口的水平偏 差和垂直偏差、盾尾水平偏差和垂直偏差四个偏差要素，以及俯仰角口、横摆 瞧 ，誊黼 哥。嬖 第2 章盾构姿态智能控制原理 角9 、扭转角y - - - 个姿态要素就可以通过把这条实际盾构掘进轴线与隧道设计轴 线相比较得出。通过微机软件处理，实时显示盾构机的姿态位置信息，包括水 平方向的偏差和偏角以及竖直方向的偏差和偏角 2 2 3 智能控制器 姿态的控制不再依赖人为经验，而是利用自动化测量系统得出的纠编量， 通过开挖面前方地质的专家系统的分析，修正纠编量，引入控制器，在掘进过 程中，控制器不断根据纠偏量和专家库提示进行智能修正，从而实现盾构姿态 控制的智能化 智能控制器是控制系统的核心部分，根据控制系统需要，本课题中的智能 控制器相当于工控机，由计算机基本系统和计算机过程l ，o 系统组成，其中计算 机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与c r t 、磁盘机、 打印机等通用外设组成。控制器的输入为前方地质条件和姿态偏差，输出为盾 构推进千斤顶的控制量，因此控制器的关键技术是：研究控制器的组成和结 构，提出控制器的设计步骤。确定控制器的输入与输出变量。研制控制器 的控制算法程序。 2 2 4 盾构液压推进系统 盾构掘进机具有传递功率大、负载多变、运动复杂、控制精度和可靠性要 求高、安装空间小和工作环境恶劣等特点。国外先进的盾构掘进机几乎都是靠 液压系统来实现动力的传递、分配与控制的。正确控制推进千斤顶的推力是盾 构掘进机能沿着设计路线准确推进的关键所在。但在实际过程中，由于土层土 质条件的复杂性和施工过程中诸多不可预见因素的作用，常出现盾构掘进机偏 离设计轴线的情况，而且盾构掘进机有时还要进行转弯或曲线行进，这些都要 靠合理调节推进系统不同分组的推进压力，以得到所需扭转力矩来完成盾构姿 态的调整要求。另外盾构掘进机推进还会引起地层扰动这也需要靠调节液压缸 的推进速度使开挖面土层达到稳定来实现。 推进系统所面临的上述问题要求液压系统能够在非线性变负载工况下实现 力和位移的复合控制，并要求具有较高的灵敏度和精度基于此，盾构掘进机 第2 章盾构姿态智能控制原理 推进液压系统在主油路上采用变量泵实现负载敏感功能，对于1 1 个执行元件液 压缸，将其分为几组，进行分组分区控制这样，在符合实际工作要求的前提 下，达到控制成本，简化结构的目的。同一区的千斤顶动作一致，各个区的控 制模块都相同，均由比例溢流阀、比例调速阀、= 位二通电磁换向阀和三位四 通电磁换向阀及相关配套的阀及检测元件组成。图2 8 为推进液压系统分组工作 原理图 1 二位四通换向阀2 、9 压力传感器3 二位二通电磁球阀4 比例调速阀5 比例溢流阀 6 三位四通电磁换向阀7 液压锁8 平衡阀1 0 液压缸 图2 8 推进液压系统分组工作原理图 盾构机推进时，所有三位四通电磁换向阀6 均处在右位推进工作状态，二位 二通换向阀3 处于关闭状态，远程压力阀根据操作人员的调整建立推进压力，压 力传感器9 检测到的压力信号和设定的压力信号进行比较，得到的信号传回p l c ， 最后反馈到比例溢流阀5 ，自动调节负载压力高低，保证液压缸的输出压力为所 需的设定值。推进速度的大小可由液压缸内的位移传感器检测到的信号反馈到 比例调速阀4 ，从而调节比例调速阀4 中节流阀开度大小来实现。需要多个液压缸 同时动作时，二位四通电磁换向阀l 通电，主油路暂时断开，待2 个液压缸电信号 到位后，再使二位四通电磁换向阀1 断电，主油路导通，多个液压缸同时动作。推 一 一 卜|；，；l 第2 章盾构姿态智能控制原理 进缸的快速退回控制回路可实现液压缸的单独退回操作，快退时，所选液压缸的 三位四通电磁换向阀6 处于左位对液压缸有杆腔供油的位置，进油路上的二位二 通换向阀3 导通，短路比例流量阀4 ，采用大流量供油，实现快速返回。液压缸无 杆腔的回油经平衡阀流回油箱 在各个分组中，液压锁7 与具有y 型中位机能的三位四通电磁换向阀8 组成在 一起成为锁紧回路，可很好地防止液压油的泄漏。液压缸单独退回时，平衡阀4 能起到运动平稳的作用。 在盾构推进过程中，由于盾构的重量约为4 0 0 t ，在地质条件为富含水的粉 质粘土和粉质沙土的情况下，盾构机在重力的作用下有叩头的趋势，所以盾构 机在掘进时，应使底部推进千斤顶的推进压力高于顶部推进千斤顶的推进压 力。一般高2 3 m p a ，在土层较软时，可高达6 t m p a 。当盾构机在平曲线上掘 进时，要求盾构机左右两侧推进油缸的速度不同，所以盾构机在掘进时应使右 侧推进油缸的推进压力高于( 或低于) 左侧推进油缸的推进压力，以适应盾构机 左转或右转，设定值应根据平曲线半径的大小以及盾构机所处的实际位置决定。 2 3 本章小节 本章分析了影响盾构位置及姿态的因素，探讨了盾构纠偏的一般措施。在 此基础上，详细介绍了盾构智能控制的原理，并对控制系统各部分的组成、原 理进行了讨论。 1 9 第3 章不同地质条件下控制器设定的千斤顶推估推力 第3 章不同地质条件下控制器设定的千斤顶推估推力 盾构施工的特点决定了整个工程项目都在复杂多变的地层中进行，工程所 穿越的地层都不一样。各层土层的特性和物理指标都大不一样，必定受到各土 层物理性质的制约和影响。而盾构姿态的控制，有控制推进千斤顶的工作模式 ( 模式法) 和控制千斤顶推进压力( 压力法) 两种方法“4 。 模式法是靠选择推进千斤顶群的工作模式实现姿态控制的方法，即让千斤 顶群中的部分千斤顶工作，另一部分千斤顶停止工作，该方法存在如下一些问 题：当要求停止推进的千斤顶再次工作时，需间歇一段时间，工作效率低。 控制属阶跃性控制，存在较大的起伏纠偏时需要同时修正水平、竖直两 方向的姿态偏差，故控制精度不高。 压力控制推进系统是为了克服模式法的上述弊病而开发的一种较为理想的 方向控制系统。该系统把盾构的千斤顶分成几个分区，各区千斤顶的变化特点 是连续变化，而不是阶跃性变化。这种控制方式具有如下优点：因为通常全 部千斤顶参加推进，控制姿态时无千斤顶停止工作的现象，故效率高。尽管 千斤顶的推力存在一定的梯度，但推力变化平滑，所以管片上偏载荷极小，控 制精度较高。水平方向和竖直方向可以单独控制，实现自动控制方便因此 本章在理论推导千斤项推力的基础上，挖掘工程历史数据的规律，实现在不同 地质条件下，对盾构千斤顶推估推力的设定 3 1 盾构理论总推力的计算 从力学的观点，盾构的受力状态决定了它的姿态及其变化。盾构推进时， 通过位于工作面的旋转刀盘切削前方介质，同时依靠推进千斤顶的动力作用， 克服盾构与周围介质的摩擦阻力及正面土体阻力等作用阻力，向前推进。根据 地层和盾构机的形状尺寸参数，按下式计算出推力。1 ： 乃= e + e + 巧+ 只+ e 式中：f d 为盾构推力( k n ) ；f 1 为盾构外壳与周围地层的摩擦阻力( k n ) ； 第3 章不同地质条件下控制器设定的千斤顶推估推力 f 2 为盾构机推进时的正面推进阻力( 心i ) ：f 3 为切土所需要的推力( 1 斟) ；f 4 为 盾尾与管片之问的摩擦阻力( k n ) ；f 5 为后接台车的牵引阻力( 1 n ) 。 3 1 i 盾构外壳与地层摩擦阻力f 1 的计算嘲u 帕 m 水 平 水 土 压 力 p 攫直水土压力 图3 1 土压模型及计算示意图 盾构横断面上的作用土压模型图如图所示，通常可以认定作用在盾构外壳 整个上顶部位( 对应a b 弧段) 弧长为1 4 圆周长( 即警) 区域内的径向土压 ( 即竖直土压) 均为“： 见= 以岛 ( 3 1 ) f i i 式中：n 为地表至盾构外壳上顶区域内的不同容重的土层的层数；以为第i 层土体的容重( k n l m 3 ) ；h i 为第i 层土体的厚度( m ) 显然，盾构外壳底部( 对应c d 弧段) 1 1 4 圆周弧段( 弧长要) 内的地层 反压强度也为仉。设盾构的自重力w 在外壳底部产生的作用反力强度为则 以= 2 碰 ( 3 2 ) 设两侧面( 即b c 弧段、a d 弧段) 的水