盾构掘进姿态自动控制技术研究与应用.pdf
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1、引用格式:简鹏,杨晨,游宇嵩,等.盾构掘进姿态自动控制技术研究与应用J.隧道建设(中英文),2023,43(10):1795.JIAN Peng,YANG Chen,YOU Yusong,et al.Research and application of automatic control technology for shield tunneling attitudeJ.Tunnel Construction,2023,43(10):1795.收稿日期:2022-08-03;修回日期:2023-06-27基金项目:国家重点研发计划重点专项(2018YFB172500)第一作者简介:简鹏(19
2、90),男,河南郑州人,2017 年毕业于成都理工大学,地质工程专业,硕士,工程师,现从事隧道工程施工及隧道掘进机智能化等研究工作。E-mail:929002958 。盾构掘进姿态自动控制技术研究与应用简 鹏,杨 晨,游宇嵩,荆留杰,臧家琪,徐受天(中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450000)摘要:为解决盾构施工过程中姿态控制的滞后性及缺乏理论支撑的难题,基于盾构纠偏原理、人工经验及专家知识等规则,设计盾构最佳纠偏曲线模型,建立姿态模糊控制器,提出一种盾构施工的姿态自动控制方法。该方法可解决传统模糊控制中输入参数超出其基本论域的问题,当姿态偏差值和趋势值在偏差允许范围内,直接启动模糊控
3、制器输出油缸压力差并进行姿态控制;当姿态偏差值和趋势值超出偏差允许范围,构建最佳纠偏曲线模型,模糊控制器的输入参数为盾构位姿相对于最佳纠偏曲线的偏差值和趋势值,根据输出的油缸压力差进行盾构姿态纠偏。设计盾构掘进姿态自动控制系统,并在盾构施工现场进行测试应用,结果表明:基于模糊理论及最佳纠偏曲线的控制策略可实现盾构姿态的自动控制。关键词:盾构姿态;自动控制;模糊控制;纠偏曲线DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.10.016文章编号:2096-4498(2023)10-1795-06中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):R Re
4、 es se ea ar rc ch h a an nd d A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f A Au ut to om ma at ti ic c C Co on nt tr ro ol l T Te ec ch hn no ol lo og gy y f fo or r S Sh hi ie el ld d T Tu un nn ne el li in ng g A At tt ti it tu ud de eJIAN Peng,YANG Chen,YOU Yusong,JING Liujie,ZANG Jiaqi,XU Shoutian(
5、China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Control of shield tunneling attitude is challenging due to its hysteresis and lack of theoretical support.The authors address this issue by developing an optimal correction curve model for the sh
6、ield by leveraging manual expertise and expert knowledge.An attitude fuzzy controller is established to propose an automatic attitude control method.This method effectively addresses the problem of traditional fuzzy control systems exceeding the basic theory domain in terms of input parameters.When
7、the attitude deviation and trend values fall within the allowable range,the fuzzy controller can immediately initiate the output of cylinder pressure differences to regulate the attitude.However,if these values exceed the acceptable deviation range,an optimal deviation curve model is employed.The in
8、put parameters for the fuzzy controller are then determined based on the shields attitude deviation and trend relative to the optimal deviation curve,allowing for correction through adjustments in cylinder pressure differences.Furthermore,to validate this approach,an automatic control system for shi
9、eld attitude is designed and tested at a shield construction site.The results demonstrate the successful implementation of automatic shield attitude control,leveraging fuzzy theory and the optimal correction curve.K Ke ey yw wo or rd ds s:shield attitude;automatic control;fuzzy control;correction cu
10、rve0 引言 盾构法隧道施工过程中,对于盾构的姿态控制有极高的要求,然而由于地质条件复杂、测量环境恶劣等因素,使得盾构的掘进方向很难与隧道设计轴线保持一致,常常会出现水平或者垂直偏差过大,从而对项目的工期、成本和安全造成重大影响1。当前,盾构掘隧道建设(中英文)第 43 卷进过程中依然是依靠人工进行推进控制,由主司机根据导向测量系统的反馈值来调节油缸压力,这种依赖人工经验的操作方法具有较大的局限性,很难保证隧道的成型质量。为保证盾构隧道成型质量及施工过程的安全性,提高盾构施工智能化水平2,国内外众多学者对盾构姿态控制进行了深入研究。国外关于盾构姿态智能控制的研究主要分为 2 个阶段:第 1
11、阶段以理论研究为主,代表学者有酒井邦登、桑原洋、仓冈豊、清水贺之、Grima 等3,分别采用卡尔曼滤波理论、模糊控制技术、神经网络等方法对盾构姿态控制进行了有意义的探索。第 2 阶段以生产应用为主,日本清水建设开发了智能盾构操作系统,通过人工智能算法建立了 AI 模型,可实现管片自动选型和盾构自主掘进4;马来西亚 MMC 公司基于大量历史掘进数据进行学习建模,结合盾构经验控制方法及规则,开发了盾构自主掘进系统,该系统可实现盾构姿态和推进过程的自动控制,但是这种基于数据驱动的控制模型需要大量的训练样本,而且无法解决掘进姿态突发事故。虽然国内开展盾构相关研究时间较晚,但是亦取得了丰硕的成果。刘成等
12、5从水平和垂直2 个方向考虑盾构的姿态控制问题,分析了最小纠偏半径、纠偏力矩的相应公式,建立了盾构水平方向的纠偏曲线模型,并对其进行了模拟。龚国芳等6基于模糊 PID 方法,提出一种盾构掘进姿态的控制策略,可实现盾构掘进轨迹、掘进速度的准确控制,并通过仿真和试验验证了其控制效果。张爱军7运用 BP 神经网络模型对掘进速度、刀盘转速、刀盘转矩、油缸压力差等参数对盾构隧道轴线偏移量的影响进行了深入研究,得到了盾构施工参数对姿态控制的影响及其规律。邵诚俊等8研究了盾构的多个子系统,得到了关于水平方向的姿态纠偏系统模型,并且分析设计了相应的控制器进行控制研究。李洋9以最短纠偏轨迹为目标,利用改进的人工
13、蜂群算法优化盾构纠偏模型,开展了地铁隧道盾构姿态智能控制的研究,为盾构纠偏提供辅助决策。刘肖楠10提出一种基于粒子群算法优化的 PID 控制器参数的纠偏控制策略,设计了以液压推进系统的纠偏控制器,可以实现纠偏控制的快速响应。虽然已有众多学者做了相关研究,但是目前国内对于盾构姿态自动控制方面的研究依然处于理论阶段,所提出的控制策略和方法基本没有在现场得到规模化应用。本文基于模糊控制及最佳纠偏曲线模型,研究盾构的姿态自动控制技术,并在现场进行测试应用,以期为姿态控制提供坚实的基础。1 最佳纠偏曲线模型建立 盾构纠偏是通过调整分区液压油缸压力或其他手段控制盾构的掘进方向,使盾构的掘进轨迹逐渐靠近隧道
14、设计轴线(designed tunnel axis,DTA),最终与设计轴线重合,同时确保纠偏后盾构切口方向与 DTA 重合。盾构纠偏轨迹如图 1 所示。图 1 盾构纠偏轨迹图Fig.1 Shield deviation correction trajectory目前,盾构姿态纠偏曲线模型主要有3 种:1)以3次抛物线为基础的纠偏曲线模型;2)以连续反向圆曲线为基础的纠偏曲线模型;3)以对称螺旋曲线为基础的纠偏曲线模型10。纠偏曲线的本质是一种最优路径规划,设计一条满足各种约束条件的盾构始末状态相连的运动轨迹,需满足的约束条件实际上就是对最小纠偏半径的约束。本文采取连续反向曲线的纠偏模型,纠偏
15、原理如图 2 所示。图 2 盾构纠偏原理图Fig.2 Principle of shield deviation correction1.1 最小纠偏半径确定 盾构掘进的姿态控制过程中,使纠偏轨迹最短所采用的纠偏半径称为最小纠偏半径,盾构在曲线纠偏时半径不能小于最小纠偏半径,否则易引起盾尾间隙减小,甚至造成管片破损。因此,为保证盾构正常掘进,需要保证纠偏时的曲线半径大于最小纠偏半径。最小纠偏半径由盾尾间隙、推进油缸行程差等因素共同决定,需要同时考虑多参数的影响。1.1.1 盾尾间隙决定的纠偏半径 R1 盾尾间隙是指盾尾与管片之间的距离,纠偏过程中若纠偏半径过小,超过盾尾间隙范围,会使管片与盾尾
16、接触而产生干涉,严重时会引起盾尾挤压管片,甚至导致管片破损。对于盾尾间隙决定的纠偏半径计算,已有学者进行研究,参考其研究成果11-12,得到纠偏半径R1=R+2+l22。(1)6971第 10 期简 鹏,等:盾构掘进姿态自动控制技术研究与应用式中:R 为管片半径,m;为靠近转弯中心一侧的盾尾间隙,m;l 为管片宽度,m。1.1.2 油缸行程差决定的纠偏半径 R2 盾构转向时,曲线外侧油缸行程比内侧的大,使得推进油缸产生行程差。在实际盾构施工中,一般要求油缸行程差不超过 50 mm,对应的最小纠偏半径R2=2RFls0.05=40RFls。(2)式中:RF为推进油缸半径,m;ls为盾构刀盘切口至
17、盾尾的距离,m。最小纠偏半径除受到上述因素的影响外,还受到盾构几何尺寸所允许的最小转弯半径 R3、隧道设计转弯半径决定的最小转弯半径 R4的限制,因此可得最小纠偏曲线半径Rmin=max(R1,R2,R3,R4)。(3)1.2 纠偏曲线模型 由图 2 可知,线段 OD 是隧道设计轴线(DTA),直线 AB 是盾构当前位置,弧 BCD 是纠偏曲线,纠偏起点B 所在的纠偏曲线方向和当前盾构前进方向相切,纠偏终点 D 所在的纠偏曲线切线方向和设计路线相切,弧 BC 和 CD 是半径相同的圆曲线。纠偏曲线模型的半径是上述所得最小纠偏半径 Rmin,可保证盾构在最短路程内靠近隧道设计轴线。假设此时盾构
18、AB 与设计路线 OD 的夹角为,切口水平偏差为 h,即点 B 到直线 OD 的垂直距离为 h,令第 1 段纠偏圆曲线 l1的圆心角为,第 2 段纠偏圆曲线 l2的圆心角为,纠偏曲线要使盾构在最短时间内安全地从当前位置向隧道设计轴线靠近,根据上述要求可得出盾构最佳纠偏曲线模型见式(4)。l1:(x-Rminsin)2+(y-Rmincos+d)2=Rmin2,0 x2Rminsin(2-);l2:x-2Rminsin2sin(2-)-Rminsin 2+y-Rmin()2=Rmin2,2Rminsin2-()x。(4)式中:x、y 为盾构纠偏路径各点相对于隧道设计轴线的坐标值;、为未知量,可由
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