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摘要：为了满足大众出行的基本需求，缓解地上交通拥堵情况，我国正在大力开发以及兴修地下隧道以及巷道工程。盾构机是地下工程中最常运用的一种机械设备，其主要运用在隧洞的开发掘进环节，而且发挥着不可代替的作用。为了有效地避免地下施工作业的危机，盾构机现在趋向于自动化以及智能化控制，可以说现在的盾构机是集信息、机电以及自动控制与液压等技能为一体的新式智能化机械设备，不只能够对土体予以发掘和运送，还能够对施工实施导向指引与纠正误差。近些年，我国正在大力推动盾构机自动控制技能的开展，可是实践施工中自动控制的盾构机仍是离不开人员的操作，因而，需求进一步加强完善和优化。
关键词：盾构机自动控制；技术现状分析；展望
1盾构机主要关键部件
盾构机的关键部件，指的是确保盾构机能够正常工作的重要部件或系统，包括刀盘刀具、主轴承及主驱动、推进机构、螺旋输送机、管片拼装机、盾壳以及后配套设备等，一旦关键部件发生严重故障或失效，会引起盾构机停机，不仅影响工期，还可能引发严重的安全事故。
1.1刀盘和刀具
刀盘作为盾构与开挖面直接接触的部件，是整个盾构机中零部件最多也是最重要的部件之一。刀盘一般是厚钢板焊接结构，为了便于加工制造与运输，刀盘一般由若干块部件拼合，用高精度螺栓定位固接后再焊接而成，钢板与焊缝均要通过无损探伤才能使用。
根据刀盘剖面形状，可以将其分为平面型、锥面型和球面型刀盘。平面型刀盘刀具刃口包络面呈平面，结构简单，加工方便，对围岩的稳定性影响较小，适合用于开挖地质条件不太稳定的隧道；球面型刀盘刀具刃口包络面呈部分球面，球面型刀盘可以有效提高盾构机的定向性能与稳定性能，但是工艺复杂，并且对于地质条件不稳定的隧道工程来说并不适合，通常只用于开挖硬岩隧道；锥面刀盘刀具刃口包络面呈截锥面，特点介于平面与球面刀盘之间。
1.2螺旋输送机
土压平衡盾构机的排土和土压平衡的建立主要通过螺旋输送机来实现。一般螺旋输送机倾斜安装在前盾的底部与管片拼装机之间，与盾构中心轴线呈一定角度。螺旋输送机一般由螺旋轴和筒壁组成，螺旋轴前端伸入刀盘与前盾之间的土仓，作业时螺旋轴旋转，螺旋叶片将土仓中的渣土沿螺旋线提升至螺旋输送机尾部出渣口刚。土压平衡盾构依靠土仓压力与掌子面土压力的平衡来稳定开挖面。而土仓土压力的调节就是靠螺旋输送机的转速来调节，因此螺旋输送机对维持开挖面稳定十分重要。
螺旋轴作为螺旋输送机中最重要的零部件，主要由空心或实心圆筒(即芯轴)和焊接在其上的螺旋叶片组成。由于螺旋轴与渣土和筒壁直接作用，十分容易磨损，因此螺旋叶片径向外端，焊接有连续的耐磨合金块，以减少叶片径向磨损。
2盾构机自动控制技术现状
2.1掘进系统
(1)模型创建
盾构机掘进体系由多个子体系组成，例如刀盘、推动以及排渣等，针对掘进操控，其研究工作前期是将实验和模型创立为中心的。掘进体系的模型创立办法有很多种，例如运用BP网络创立开挖面的土压平衡操控模型，但在具体的建模过程中并未充分考虑地质条件。因而，在充分考虑地质条件以及工程地址等要素的基础上，运用人工神经网络创立了盾构机推动速度自动操控模型。
（2）系统控制对策
针对盾构掘进体系的控制，大多运用智能操控的方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆LI等充分运用模糊免疫操控的对策，设计出一种全新的可主动调理操控器，在非线性体系中予以应用，经过实验得知，体系稳定性和动态特性均杰出。针对模糊操控，运用专家经验难以从相对复杂的进程中使用悉数数据对规则与从属度函数实施调整。为此，YEH等使用了BP神经网路创建一个开挖面的平衡操控战略，战略中的寻优函数能够给出最佳的速度主张，在很大程度上完成了推力及转速的主动化操控，确保开挖面完成平衡的目标。
2.2位姿控制
盾构机位姿能使用它的设计轴线来予以描述，经过液压缸的有效控制实施自动化位姿控制。针对盾构位姿控制，日本处在国际前列，其提出了许多研究的成果。IMAI等提出一种更为完善的位姿控制系统，经过对盾构位姿数据的测量，系统自动化选取液压缸敞开以及封闭模式，然后准确控制盾构角度与方位。
2.3管片拼装
盾构管片组装最早是由专业技工实施手工操作，这种组装形式存在许多不足，会对施工质量带来非常严峻的影响。对此，许多国家都在积极的探求管片组装的主动化技能。TANAKA等完成了对主动机器人的实践使用，为到达较高的精度，又提出数字伺服等先进的操控技能。
3盾构机自动控制技术存在的问题和发展趋势
3.1建立以密封舱压力动态平衡为目标的控制模板
密封舱压力失衡会导致地上呈现沉降不均的现象，而密封舱压力操控技能则是盾构机自动操控体系的关键技能，许多国内外专家都对此展开了深入的研讨。当前，关于盾构机密封舱压力操控的研究也只是仍是停留在认知初期以及实验的层面，还没有构成理论成熟、体系准确的操控模型，导致研究的成果不具备真实性以及实用性，然后形成我国盾构机密封舱压力平衡技能落后的局势。因而，在未来的研讨方向中，我们应该从剖析各个子体系中操控机理的联系着手，然后树立促进密封舱压力平衡的操控模型，再结合先进的自动操控技能，最后完成密封舱压力平衡的自动化操控层面，准确地操控地上的沉降数据。
3.2掘进系统的协调控制策略
在传统的盾构机土压操控体系中，一般都是先预设土仓的压力值，然后再剖析施工过程中密封舱压力的动摇情况以及地表下沉情况来各个子体系的工作参数，如刀盘体系、推动体系以及排渣体系等。各个子体系的工作机理都是彼此独立分隔的，此外也互不搅扰互不影响，而且大多数都是需要经过手动来调理，而这种手动调理正是较为滞后的土压纠正方法。密封舱平衡体系需求推动体系、排渣体系以及刀盘体系彼此联合作用来完成工作效益，因而，为了有效的提高这一关键技术的运用，需要在掘进体系中引入多个子体系调理操控机理，经过最优秀的操控机理来和谐各个体系的活动。归根结底，现在盾构机自动操控技术所面对的最大难题就是完成密封舱压力操控平衡，树立非线性的子体系耦合操控体系，这也是未来盾构机主要攻克以及开展的方向。
3.3运动轨迹的动态规划与位姿控制
当前，盾构机位姿系统的操控理论以及操控方式都是以人的逻辑思维与行为形式为基础进行，通过将操作者的操作过程与操控经历进行参数化与程序化以后，就能够使用模糊操控战略来实施主动化、智能化的操控。这一切都是树立在具有施工记录以及施工经历的前提下，若不具有这一有利条件，一旦遇到较为杂乱的地形环境与施工工序，盾构机的位姿操控就难以得到有效保证，这也是至今盾构机无法全面完结主动化操控的主要原因。若要完成主动化位姿操控，就要先剖析相关影响因素，再树立专业的操控模型，在非完整欠驱动的前提下完结部分的可控，最后再求取最优秀的位姿操控规则。此外，在研究掘进运动的运动轨道时，应该使用多目标优化算法，这样不只能够体现运动轨道的动态规则，还能够树立轨道主动跟踪系统。
总之，为保证盾构机施工安全和高效，自动化操控为盾构技能未来发展的必然走向。随着科技的进步，盾构技能及其配备具有很高的自动化水平，特尤其是在位姿操控等方面，在理论与实践中都得到了很大的进展。但是，对那些具有较高复杂性的盾构配备，在完成自动化操控方针的进程中会遇到许多难题。因而，将高安全性、高效性与节能性作为目的的盾构技能及其配备自动化操控系统集成与优化是当时亟需解决的技能难题。
参考文献：
[1]刘宣宇,邵诚.盾构机自动控制技术现状与展望[J].机械工程学报,2014(45)：178-180.
[2]杨华勇,龚国芳.盾构掘进机发展战略研究[J].机械工程学报,2015(24)：165-166.
[3]候德超.盾构机自动控制技术现状与展望[J].科技专论,2011(08)：36-37.
论文作者:赵琪
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/20
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