盾构机自动控制技术现状与展望

摘要：盾构机是用于开挖隧道等地下施工的专用工程机械。由于地质条件、工况的不确定性以及掘进装备的高度复杂性，导致其施工安全问题仍然是世界性的重大技术难题。为了防止地表塌陷等灾难性事故发生，实现盾构机安全、高效掘进施工，施工过程的全自动化、智能化是盾构技术发展的必然趋势。简要介绍国内外盾构机的发展状况，重点论述盾构掘进系统及位姿自动控制技术的研究进展与现状，结合工程实际以及未来的发展趋势，分析在掘进系统的控制模型与控制策略、运动轨迹的动态规划与位姿控制、控制系统的集成与优化等方面存在的问题，并提出改进意见，尤其对掘进系统的刀盘、推进、排渣等多子系统的控制问题，提出协调控制策略。管道切割机，相贯线切割机
关键词：盾构机 土压平衡 掘进系统 位姿 协调控制

0 前言

盾构机是一种在地下工程施工中开挖软弱地质的专用工程机械，主要由盾体、刀盘驱动系统、推进系统、排渣系统、管片拼装系统、同步注浆系统以及盾尾密封系统等构成，适用于隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道工程。现代盾构机是集机、电、液、控制、信息技术于一体的智能化大型工程机械装备，具有开挖切削土体、输送渣土、拼装隧道衬砌、测量导向和纠偏等功能[1]。随着发达国家经济、科技的发展，大量地下工程投入建设，促使盾构技术取得了长足的发展，而我国还处于盾构机的引进消化吸收阶段。现代盾构技术的发展一直围绕地面沉降控制、掘进过程和位姿的自动控制、隧道衬砌和质量三个方面开展研究。现代高新技术的应用使得盾构掘进时的地面沉降控制、推进速度控制、测控导向和自动衬砌等变得越来越容易[2-4]，自动化程度大大提高，但多数施工控制仍需人工操作。由于地质情况的复杂多变，掘进装备设计或操作不当，导致地表隆起或塌陷、隧道掩埋和人员伤亡等重大事故时有发生。因此，隧道掘进施工是一个高风险的行业，其施工的安全、效率问题仍是世界性的重大技术难题[5-7]。所以，为使盾构机高精、高效，安全施工，实现整个盾构掘进装备高度的自动化、智能化，最终实现无人值守将是盾构技术发展的必然趋势。因此，盾构机自动控制技术的研究成为近年来自动化领域一个新的热点。本文阐述了
盾构机的发展概况，重点论述了盾构掘进系统及位姿的自动控制研究现状，最后，指出了目前存在的问题，并对解决的方法进行了探讨。

1 国内外盾构机的研究概况

       盾构技术的问世至今已有190 多年的历史，起始于英国，发展于日本、德国。20 世纪初，盾构技术开始在英、美、德、法、日等国推广。近30 年来，盾构工法得到了快速发展，成绩卓著，尤其是日本发展非常迅速[8-9]。盾构设备经历了手掘式、挤压式、半机械式和机械式的发展，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越好。20 世纪70 年代日本和英国分别开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土压力的两种新型掘进机—土压平衡盾构机和泥水加压平衡盾构机，使盾构掘进技术发生了一次新的飞跃。德国、美国、加大拿等国家也相继研制成功土压平衡式盾构，并成功应用于现场施工。20 世纪80 年代以来，日本无论是新型盾构工法的开发(双圆、三圆、椭圆形、矩形、球体盾构和母子盾构等)，还是盾构机的制作数量、盾构法建造的隧道的长度、承包国外盾构隧道工程的数量和地区等，均名列世界前茅[10-11]。同时，英、美、法等国家也在积极发展盾构技术。英法两国已集英、法、日、美、德等国的先进盾构施工技术于一体，联合建造了世界上最长的第一条英吉利海峡隧道。随着各个国家经济、科技的发展，大量地下工程投入建设，促使盾构掘进机的需求逐步增加。据统计全球已累计生产盾构机8 000 多台，主要生产厂有日本三菱重工、川崎重工、德国海瑞克等。在盾构机技术性能方面，日本和德国处于世界领先水平，其先进性主要表现如下[12-15]。管道切割机，相贯线切割机
       (1) 基本实现了掘进、衬砌、排土等施工工艺的全机械化和自动化，以及自动检测、自动纠偏和故障诊断等功能。
       (2) 地层适应性广，可用于硬岩、砂砾层、卵石层、砂土层和软土层等各种地质，并且施工隧道长距离化、大直径化，掘进断面形状多样化，尺寸变化范围较大。管道切割机，相贯线切割机
      (3) 盾构机朝微小和超大两个方向发展，径向尺寸从0.2～18.0 m，目前己生产出圆形、矩形、双圆、三圆、球型、子母型盾构和复合盾构等。
      (4) 科技含量越来越高，普遍采用液压驱动和电液比例控制技术，具有大功率、变负载、低能耗的特点；广泛采用遥控技术、激光雷达导向技术、GPS 测量技术、摄象及视觉信号处理技术和现场总线控制技术等现代高新技术成果。管道切割机，相贯线切割机
     我国盾构技术的研究从20 世纪50 年代开始，由于受到各种因素的制约，未能取得明显进步，直至20 世纪90 年代才取得了一些进展。自主研发了挤压式盾构、气压式盾构，重点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化与研究工作[16]。目前，国内许多企业，如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团和北方重工集团等单位相继开展了盾构设备的研制和相关施工技术的研究，制造了多种形式的盾构机。但国产盾构机仅适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集、管线复杂、地质条件复杂的地区。而且，盾构机、电、液控制系统的研究与开发相对滞后，控制技术已经成为制约我国盾构机技术发展的主要瓶颈技术之一[17]。可以说，我国现代盾构掘进装备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境要求设计制造适用盾构的能力。管道切割机，相贯线切割机

2 盾构机自动控制技术的研究现状

       控制理论以及高新技术的应用使盾构掘进过程与位姿控制、地面沉降控制、测控导向和衬砌等的自动化程度逐渐提高，下面详细阐述相关控制技术的研究状况。管道切割机，相贯线切割机

2.1 盾构机掘进系统的自动控制管道切割机，相贯线切割机
2.1.1 控制模型的建立管道切割机，相贯线切割机

掘进系统主要由刀盘、推进、排渣等子系统构成，对于其控制模型的研究，最初都是以试验为手段或建立经验模型。荷兰代尔夫特岩土工程研究所采用试验方法分析了密封舱压力梯度的分布情况，并建立了主要掘进参数与盾构施工要素间的经验函数；日本学者根据统计的盾构隧道施工中密封舱压力的控制值，给出了确定压力的经验公式[18-20]。文献[21]采用BP 神经网络建立了盾构机掘进过程的开挖面土压平衡控制模型，但建模时并没有考虑到地质条件等因素的影响。所以，BENARDOS 等[22]在考虑了地质以及工程地点条件的同时，采用人工神经网络建立了推进速度的控制模型。作为实现盾构掘进机结构与性能优化设计的重要手段，有些学者利用模型试验或现场的施工数据对掘进过程进行分析，并建立了经验模型[23-24]。施虎等[25]重点分析了其他掘进参数对土仓压力这一土压平衡盾构施工中极为关键的参数的影响，并且利用自适应神经模糊理论建立了基于排土控制的盾构土压平衡控制模型

pe = f (F,v,ns ) (1)
式中 pe ——盾构土仓压力
F ——盾构机的总推力
v ——盾构推进速度
ns ——螺旋输送机转速

       随着对密封舱压力控制机理的深入认识，有些学者开始从机理分析角度进行建模。SUGIMOTO 等[26]提出了盾构机推进过程中动态载荷的理论模型；为了检验该模型的有效性，SRAMOON 等[27]将模型应用于实际的隧道施工中，将实际采集到数据与数值仿真的结果进行比较，检验了模型的性能。王洪新等[28]基于模型试验，对掘进过程进行了详细的机理分析，推导了土压平衡盾构掘进的连续性方程、物理方程和力学平衡方程，在此基础上得到了开挖面土压平衡方程和土压平衡盾构推进的总的力学方程，建立了土压平衡盾构掘进的数学物理模型，并且给出了几个施工参数之间的本质关系，为土压平衡盾构掘进时的地面沉降控制提供了新的思路。在此基础上，王洪新等[29]又推导出了出土率与螺旋输送机转速、推进速度之间的定量关系，并且针对掘进时盾构机前方土体的挤压程度提出了挤压率ε 的概念，对推进时地表变形控制有一定的指导意义。李笑等[30]在一定假设的基础上，推导了盾构总推力、推进速度、螺旋输送机转速以及土仓压力等掘进参数间的关系，给出了土压平衡盾构掘进的数学模型

式中 n0 ——为螺旋输送机转速
Ff ——推进时的总阻力
——有效压缩系数
λ ——等效系数
cep ——土舱外部泄漏系数
η ——排土效率
A ——螺旋机有效断面面积
T ——螺旋机螺旋叶片螺距
Ve ——土仓容积
R ——刀盘半径

       同时，LI 等[31]采用了功率键合图理论建立了土压平衡盾构模拟系统的模型，并进行了仿真，这为盾构机的性能分析以及最优化设计提供了一种新方法。有些文献还利用有限元法建立了盾构掘进过程的二维或三维数字模型，并在以此进行了施工参数的控制分析[32-34]。

       部分学者对掘进控制系统的子系统进行了深入研究。WU 等[35]建立刀盘驱动系统泵控电动机的二阶模型，并设计了能够自适应调整刀盘转速的控制器。房猛[36]在分析盾构掘进机推进液压系统压力和速度复合控制原理的基础上，建立了推进系统压力控制环节的数学模型。江玉生等[37]利用土压平衡原理，建立了土压平衡盾构螺旋输送机的力学模型，推导出螺旋输送机底部压力在静力平衡条件下的力学表达式。为了精确控制密封舱以及螺旋输送机内的压力，并建立二者的关系模型，DANIELE 等[38]采用了原型试验装置模拟了排渣系统排出改性后渣土的全过程。MERRITT 等[39-40]在分析螺旋输送机工作机理的基础上，建立了螺旋输送机的理论模型，并且文献[40]中的模型能够准确描述整个输送机内的压力梯度和旋转转矩的变化。管道切割机，相贯线切割机

2.1.2 掘进系统的控制策略

       盾构机掘进系统的控制，多数是采用智能控制方法。桑原洋等[41]于1988 年研究了模糊控制在盾构掘进控制中的适用性，并且在文中首次提出了单向推进度的概念。仓冈丰等[42]于1991 年采用模糊控制理论，研制了盾构机自动控制系统，并成功地应用在福市高速铁道1 号线延伸部。DIEULOT 等[43]构建了一个复杂的多变量土压平衡控制系统，采用复合式的模糊PID 控制策略，控制盾构土压平衡。但是，对于系统的动态特性和稳定性是无法保证的。因此，LI 等[44]提出了采用模糊免疫控制策略，设计了一种模糊免疫自调整PID 控制器，应用于具有时变、时滞的非线性掘进控制系统中，试验证明系统具有良好的动态特性和稳定性。管道切割机，相贯线切割机
       对于模糊控制，专家经验很难从复杂过程中利用所有的输入输出数据来调整规则和隶属度函数。因此，YEH[21]提出了采用BP 神经网络建立了盾构掘进过程的开挖面土压平衡控制系统，系统中的控制机制包含的寻优函数能够给出最优的推进速度和螺旋输送机转速，在一定程度上实现了对千斤顶推力和螺旋输送机转速的智能控制，使掘进过程中开挖面达到平衡状态。胡珉等[45]又将盾构推进的过程划分成7 个阶段，每个阶段用一个神经网络进行模拟，在此基础上构造成多级神经网络，拟合盾构法隧道施工中施工参数与地面沉降之间关系的数学模型，最后采用遗传算法进行施工参数的优化匹配，并提出了相应的控制方案。施虎等[25]基于排土控制分析，利用自适应神经模糊控制策略，控制螺旋输送机转速，使盾构达到土压平衡。XING 等[46]提出了一种智能化的专家控制系统，引入了模式识别和驱动功率效率的评价方法，在自动识别地质条件变化的基础上，自适应改变刀盘的驱动功率。
       有些学者将经典控制理论应用到了掘进系统子系统的控制中。文献[35]对刀盘驱动系统采用了极点配置自调整自适应控制方法，仿真试验的结果表明系统具有较强的自适应性和鲁棒性。TATEYAMA 等[47]通过对盾构机运动及其所受压力分布情况之间关系的研究，提出了一种盾构机推进系统的自动控制方法。房猛[36]在分析盾构掘进机推进液压系统压力和速度复合控制原理的基础上，建立系统压力控制环节的数学模型，采用了PID 控制算法并分析了其对系统压力控制性能的改善。SHI 等[48]采用压力和流量速度的反馈控制，设计了一个内环和外环控制器来控制推进系统；为了实现推进液压缸的同步控制，YANG 等[49]提出了具有偏差修正的主从式同步PID控制策略，与常规PID 控制相比，得到了更好的控制效果。胡国良等[50]对盾构螺旋输送机的排土控制策略作了详细介绍，并提出了采用自整定PID 控制技术实现了螺旋输送机的自动排土控制。管道切割机，相贯线切割机

2.2 位姿控制

      盾构机的位姿可用其偏离设计轴线的位置和夹角来描述，通过控制推进系统的液压缸来实现位姿控制。对于盾构机位姿控制的研究，日本走在了世界前列，发表了较多相关研究成果。SAKAI 等[51]于1987 年首次将卡尔曼滤波理论应用于盾构机的位姿控制，并且在统计学理论的基础上，建立了位姿的自回归预测控制模型，但是由于卡尔曼滤波理论非常繁琐，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。IMAI 等[52]设计了一种位姿控制系统，通过检测系统测量的位姿数据，控制系统自动选择液压缸的开—关模式，以此来控制盾构机的位置和角度。SAKAI 等[53]提出了在复杂地质环境下，盾构机行为以及方向的控制方法。江良嘉宏[54]设计了应用于某深长隧道施工中的自动控制系统，该系统是综合人工智能和模糊理论的新系统，它具有自动控制盾构机位置的功能，并高精度地完成了一个隧道的施工。胡珉等[55]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。针对盾构机控制的特点，李惠平等[56]提出了一种“先分后合”的模糊控制器的设计方法，这一方法可以大大减少控制规则的数量，从而极大地减少了确定这些规则的工作量，而且使控制器的性能易于调节。在此基础上，于睿坤等[57]研究了将LabVIEW 应用于盾构姿态模糊控制器的设计，并阐述了其可行性和优越性。最近，周奇才等[58]提出了盾构位姿的智能化控制方法，引入模糊控制理论，根据自动测量系统测得的实时偏差量，通过模糊控制器得出千斤顶纠偏控制量，最后，综合推估推力和纠偏推力，实现盾构推进姿态的自动控制。
        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。它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，所以控制精度不高并且控制规则的获得也较困难。因此，水贺之等[59-60]于1992 年开始应用现代控制理论对盾构掘进机的自动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，通过模型试验建立描述盾构运动的线性数学模型

     式中， 11 i K 、12 i K 、21 i K 、22 i K 为模型系数， iθ 为横摆角( ) i y = 或纵摆角( ) i p = ， iξ 为盾构型心偏离设计轴线的位置偏离量，M ji为盾构千斤顶产生的转矩。

       采用极点配置法进行控制系统的设计。但千斤顶产生的转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。MITSUTAKA 提出了盾构机推进过程中动态载荷的理论模型

式中 F ——盾构所受合力的矢量
M ——力矩的矢量
N ——采用盾构机坐标系
i ——盾构机所受的力的数量

      该模型考虑了推进过程中开挖面面积、刀盘旋转方向、盾尾间隙、盾体滑动、土体的松动以及动态平衡等情况，对影响盾构姿态的模型参数进行了敏感性分析，为实施精确的位姿控制奠定了基础[26]。管道切割机，相贯线切割机

2.3 管片的自动拼装

       早期的管片拼装由熟练技工进行手工作业，但手工作业存在着许多的弊端，严重影响施工质量。因此，世界各国都希望在管片拼装作业中引入自动化技术。1988 年，日本最早使用管片自动化拼装设备。随着自动拼装机器人的引入，管片自动化拼装技术得到了迅速发展。TANAKA[61]阐述了管片自动拼装机器人的使用，为了实现高精度的管片自动拼装，提出了采用激光裂隙照明小断面的方法和数字伺服控制技术。KOSUGE 等[62]针对盾构掘进系统的管片拼装控制，提出了一个任务导向力控制系统，并且设计了任务导向的坐标系统，最后给出了具有液压执行机构的并联机器人的混合动力控制算法，经试验证明该系统是有效的。随后，国际隧道协会第二工作组制定了各种隧道管片拼装的设计准则[63]。为了实现管片的粗定位和姿态在三个运动方向上微调，钱晓刚等[64]介绍了一种6 自由度混联机构的管片拼装机，整体机构串联中间包含一个2 自由度五杆机构，分析了正运动学和逆运动学方程，并通过数值仿真验证了其正确性。赵志杰等[65]基于通用管片与盾构隧道设计轴线的几何特征，利用多环组合的方法选取通用管片的拼装点位、制定切向纠偏路线，并基于Unigraphics 开发了管片的虚拟拼装系统，实现了通用管片三维动态虚拟拼装及拼装偏差报告的输出。目前，欧洲和日本等国已成功实施了管片的全自动拼装，包括管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。如BRAKSMA 等[66]建立了机器人操纵器的动态模型，利用反馈线性化技术设计了一个关于位置和力的混杂控制器，使机器人操纵器的关联结构具有7 自由度，用于管片的支护与拼装工作，实现了高精度、全自动化控制；CHENG 等[67]又对光纤传感系统应用于管片自动安装的可行性进行了试验性研究。管道切割机，相贯线切割机

3 存在的问题与展望

      盾构机的自动控制技术已经取得了很大进展，但由于盾构掘进装备是机械、土木、力学、控制、电气、材料和信息等多学科交叉的综合性前沿技术的集中体现，所以对于高度复杂的盾构掘进过程，要实现盾构机的全自动化、信息化施工，还有很大差距和诸多待解决的技术难题，作者认为应该在以下几个方面做进一步研究。管道切割机，相贯线切割机

3.1 以密封舱压力动态平衡为目标的控制模型的建立

      地面沉降的主要原因是密封舱压力失衡，因此，针对这个能够反映隧道盾构技术水平的关键技术[18-19]，国内外许多学者对密封舱压力平衡控制进行了研究。由于缺乏对密封舱压力动态平衡控制机理的深入认识且相关研究主要以试验为手段，尚未形成具有精确性和普适性的密封舱压力动态平衡控制模型，实用性的结果很少，因此密封舱压力控制技术尚不成熟。所以，未来要深入研究分析掘进系统中各子系统的控制机理及其关联耦合关系，建立掘进系统的以密封舱压力动态平衡为目标的控制模型，在此基础上采用先进的控制策略，自动控制密封舱压力，使地面沉降达到控制精度要求。

3.2 掘进系统的协调控制策略

       现有的土压平衡盾构机的土压控制一般是通过预先设定土仓内土压力值，在施工过程中根据地表沉降情况、密封舱压力变化等再分别调整推进、刀盘和排渣等各子系统的施工参数。此时，各子系统都是相互独立工作、多数是手工调节的，并且这种调整方式是“滞后式”的土压纠正[20]。但是由于密封舱压力是由推进、刀盘和排渣等各子系统相互耦合作用所决定的，因此，为了实现密封舱压力的高精、高效控制，掘进系统必须采用多子系统的协调控制策略，以最优的方式控制各子系统的运动，使控制变量进行全过程的实时调整和优化。因此，分析盾构机各子系统之间的耦合关系及控制参数与密封舱压力变化之间的映射关系，在此基础上，研究在冗余输入和多维过约束条件下，实现以密封舱压力平衡为目标的非线性强耦合掘进控制系统的协调控制，是盾构机自动控制所面临的重大技术难题。管道切割机，相贯线切割机

3.3 运动轨迹的动态规划与位姿控制

       现有的盾构机位姿控制理论和方法通常是模仿人的逻辑推理和决策过程，把专家或熟练操作者的操作和控制经验程序化，再采用模糊控制策略进行智能化控制或者直接是人工操作[59]。但是在没有施工记录及经验的情况下，遇到复杂的地质情况就很难预测和控制盾构的位姿，所以至今没有取得普遍的实用化成果。盾构掘进机的位姿控制实质上是一个非完整约束欠驱动系统的控制问题。因此，深入分析盾构机位姿的影响因素，建立盾构机的位姿控制模型，在此基础上研究盾构机在非完整欠驱动约束条件下位姿的全局可控和小时间局部可控性，以及最优姿态控制律的求取等，都是实现位姿自动控制所要解决的至关重要的问题；同时，研究盾构掘进过程运动目标轨迹的实时多目标优化算法，实现掘进过程运动轨迹的动态规划，也是实现盾构机位姿以及轨迹跟踪自动控制的重要基础。管道切割机，相贯线切割机

3.4 控制系统的集成与优化

      为了实现盾构机推进系统、刀盘系统、排渣系统、管片拼装系统、监控系统等各子系统信息的实时检测、通信和控制，同时考虑到盾构掘进机多驱动源、多组成单元、多执行元件、功率变化大的特点，因此在建立控制系统时必须以高性能、低能耗和低成本为目标。因此，要进一步研究多源驱动系统参数、盾构机控制性能和系统效率的相关关系，以及系统控制参数、过程变量与能耗的映射规律等，在此基础上，设计以掘进性能、节能为约束条件，适应不同地质情况的集掘进装备实时检测、信息融合和协调控制于一体的集成优化控制系统，这也是盾构机未来发展的必然趋势。

4 结论

        为了实现盾构机安全、高效掘进施工，施工过程的全自动化是盾构技术发展的必然趋势。随着科学技术与现代高新技术的迅速发展，盾构装备的自动化程度大大提高，尤其在掘进系统及位姿的自动控制方面，在理论研究与实际工程应用中都取得了很大进展。但是对于高度复杂的盾构掘进装备，实现完全的自动化、智能化还存在诸多技术难题和科学挑战，如对盾构掘进装备的自动导向纠偏技术、多子系统协调控制等关键问题需要进一步深入研究，尤其以安全、高效、节能为目标的大型盾构隧道掘进装备控制系统的集成优化问题是亟待解决的重大技术难题。

本文作者：刘宣宇、 邵诚