盾構(gòu)機在地鐵隧道施工中的掘進姿態(tài)控制方法

摘要：論述了盾構(gòu)機掘進姿態(tài)預(yù)測、軌跡糾偏規(guī)劃、算法尋優(yōu)偏差控制等方面盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制方法，以實際工程為例，通過應(yīng)用本文所述控制方法進行了盾構(gòu)機位姿糾偏的模擬實驗，實驗結(jié)果表明，本文所述控制方法能夠控制盾構(gòu)機按給定的軌跡進行跟蹤糾偏，提升了盾構(gòu)機運行過程中的響應(yīng)速度，達到了盾構(gòu)機姿態(tài)控制要求，獲得了較好糾偏效果。

關(guān)鍵詞：地鐵工程；盾構(gòu)機；隧道掘進；姿態(tài)控制

0 引言

相比于傳統(tǒng)的掘進技術(shù)，盾構(gòu)機具有隧道掘進和管片拼裝兩種工作狀態(tài)，適用于不同地下隧道工程施工[1]。同時盾構(gòu)機能夠在不同地質(zhì)環(huán)境中達到較好施工效果。在通過對盾構(gòu)機盾構(gòu)姿態(tài)、角度參數(shù)等信息進行調(diào)整后，能夠得到盾構(gòu)部位不均勻沉降的原因。通過分析受力原因，改變盾構(gòu)前后盾構(gòu)機姿態(tài)相差數(shù)據(jù)，糾正盾構(gòu)機偏離隧道軸線的趨勢。在掘進過程中，掘進軌跡與鐵路設(shè)計軸線重合，能夠較好控制盾構(gòu)機的姿態(tài)。這樣可以提升施工效果，在各類建筑工程中也被廣泛應(yīng)用[2]。通過結(jié)合特殊設(shè)計，實現(xiàn)地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實現(xiàn)對于軌跡跟蹤精度的提升。同時盾構(gòu)機能夠調(diào)整滾轉(zhuǎn)角的糾偏，使得在每次掘進過程中，在拼裝管片時需要不斷調(diào)整與改變刀盤角度，這樣能夠有效控制糾偏，提升方法應(yīng)用過程中的實時性，避免人工調(diào)節(jié)產(chǎn)生局部受力過大的情況。

通過對盾構(gòu)機的姿態(tài)進行調(diào)整，能夠使得盾構(gòu)機的掘進過程中更加順暢。盾構(gòu)機在掘進過程中姿態(tài)對于地鐵隧道走向十分重要，如果盾構(gòu)機在進行隧道掘進過程中，沒有將兩臺盾構(gòu)機的掘進精度進行調(diào)整，會導(dǎo)致管線在對接中出現(xiàn)問題，使得隧道施工結(jié)果無法達到預(yù)期[3]。本文以東莞地鐵1號線大濕區(qū)間為背景，針對盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)基巖凸起情況，對盾構(gòu)機在地鐵隧道施工中的掘進姿態(tài)的控制方法進行研究，并結(jié)合實際工程開展模擬實驗和分析。

1 盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制方法

1.1 盾構(gòu)機掘進姿態(tài)預(yù)測

1.1.1 應(yīng)用小波變換法

在盾構(gòu)機掘進過程中，需要分析其受力狀況、調(diào)整其盾構(gòu)姿態(tài)。結(jié)合盾構(gòu)機在掘進中的自身條件，建立其掘進姿態(tài)預(yù)測模型。應(yīng)用小波變換法（時頻分析法）對數(shù)據(jù)進行去噪處理。將信號分解成不同分辨率水平的子頻譜。提取盾構(gòu)數(shù)據(jù)特征，增加一個存儲時間序列信息的單元來解決RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）缺陷。時間序列通過算法進行分解的公式如下：

x（t）=A（t）+D（t） （1）

式（1）中：x（t）為時間序列，A（t）為原始信號，D（t）為分解過程中的噪聲信息。根據(jù)分辨率達到數(shù)據(jù)序列，將噪聲信號去除后重構(gòu)為新的信號。

1.1.2 應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入盾構(gòu)機在掘進施工過程中的灰度圖像。并且在模型中設(shè)定輸入層的長寬像素值。對卷積層進行映射，將濾波器與局部連接后得到權(quán)重矩陣，將原始圖像卷積到對應(yīng)的特征映射中。其卷積方法的公式如下：

（2）

式（2）中：αij為卷積方法，x為輸入圖像，w為權(quán)重矩陣，?為激活函數(shù)。

通過映射后提取圖像的特征。運用池化層對映射后的特征結(jié)果進行采樣，運用全連接層進行結(jié)果預(yù)測。在預(yù)測過程中，引入LSTM（長短期記憶遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）對盾構(gòu)機在掘進過程中的姿態(tài)進行預(yù)測。

向模型中輸入變量為盾構(gòu)機運行參數(shù)，并設(shè)定在某一段時間內(nèi)的參數(shù)數(shù)據(jù)，來預(yù)測步距。當(dāng)預(yù)測步距等于預(yù)測長度時，能夠使得模型連續(xù)滾動預(yù)測。通過預(yù)測可以實現(xiàn)輸入盾構(gòu)機運行過程中的初始數(shù)據(jù)，輸出盾構(gòu)姿態(tài)在未來過程中發(fā)生變化的趨勢，能夠起到對未來姿態(tài)偏差進行預(yù)判的作用。

1.2 盾構(gòu)軌跡糾偏規(guī)劃

1.2.1 盾構(gòu)軌跡糾偏的重要性

在盾構(gòu)機掘進過程中，需要測量當(dāng)前位置信息，從而獲得該位置中的角度偏轉(zhuǎn)數(shù)值。設(shè)定盾構(gòu)機的軸線方向，在水平方向中運用俯仰角表示盾構(gòu)機的誤差角度。在盾構(gòu)機掘進過程中，需要對其俯仰角進行控制。如果沒有得到有效控制，則盾構(gòu)機在豎直方向中的姿態(tài)就會產(chǎn)生偏移，會造成盾構(gòu)施工中發(fā)生地面沉降。盾構(gòu)機在掘進過程中的位姿示意如圖1所示。

1.2.2 盾構(gòu)軌跡糾偏方法

在盾構(gòu)機掘進施工中，需要通過判斷來實時調(diào)整其位置。對測量到的數(shù)據(jù)進行判斷，才能得到盾構(gòu)機是否按照給定軌跡運行、是否產(chǎn)生偏移。所以通過位姿測量能夠有效進行盾構(gòu)控制。

在測量過程中使用全站儀，通過發(fā)出激光被標(biāo)靶接收，在任意時間內(nèi)進行測量[4]。使用傾角儀來測量盾構(gòu)機的俯仰角。利用坐標(biāo)系，根據(jù)盾構(gòu)機具體的位置移動坐標(biāo)，計算得到盾構(gòu)掘進過程中首尾兩端的坐標(biāo)值。根據(jù)給定線路，對坐標(biāo)進行比較后獲得對應(yīng)的偏差，根據(jù)偏差可以進行軌跡糾偏規(guī)劃。

1.2.3 盾構(gòu)軌跡糾偏種類

在進行軌跡糾偏規(guī)劃時，需要根據(jù)實時姿態(tài)測量的結(jié)果判斷糾偏的不同種類。如果在偏差允許范圍內(nèi)，則不用展開糾偏。在實際施工中，為了滿足盾構(gòu)施工時的最小轉(zhuǎn)彎半徑，需要進行余量保留。考慮到在地鐵行駛時，遇到拐彎處能夠產(chǎn)生一定的向心力，所以為了減少掘進風(fēng)險，選擇曲線進行軌跡糾偏規(guī)劃。

1.2.4 軌跡糾偏規(guī)劃方式

在符合地鐵行駛要求的前提下，設(shè)定糾偏路段為AB和BC，其軌跡糾偏規(guī)劃方式如圖2所示。

設(shè)定糾偏曲線的長度為rmin。如果AB長度等于該值時，則說明糾偏長度為最短。通過設(shè)計不同的曲線進行不同間距之間的直線擬合，能夠提升控制精度，完成對軌跡糾偏路線的設(shè)計[5]。在盾構(gòu)機運行安全約束條件下，操縱盾構(gòu)機在直線段進行施工，能夠降低掘進難度。

1.3 算法尋優(yōu)偏差控制

1.3.1 運用PSO算法

對盾構(gòu)機掘進過程中的姿態(tài)進行控制，需要運用PSO（粒子群優(yōu)化）算法，設(shè)定種群粒子的數(shù)量為n，全局最優(yōu)步長為c，個體粒子的最優(yōu)步長為cq。使個體能向其他更好的微粒進行學(xué)習(xí)，調(diào)整目標(biāo)點的飛行位置。如果cq取值較大，使得粒子向目標(biāo)位置前進的時間較短，會造成目標(biāo)位置偏移；如果cq值較小，也會存在一定偏移。

1.3.2 動態(tài)改變慣性系數(shù)

通過動態(tài)改變慣性系數(shù)，在搜索初期設(shè)定系數(shù)為b。通過在搜索范圍中進行計算，能夠確定目標(biāo)的大致區(qū)域。在搜索過程中，不斷進行尋優(yōu)，調(diào)整b值，使得能夠在局部區(qū)域中完成算法尋優(yōu)。在保證算法的收斂時，得到速度更新公式為：

（3）

式（3）中：w為不同時間段中的慣性系數(shù)，t為結(jié)束時間。在搜索范圍中，通過計算得到所有個體的位置，獲得其搜索速度。并對粒子進行適應(yīng)度值計算。

1.3.3 通過積分運算函數(shù)調(diào)整偏差

設(shè)定時間與誤差的絕對值為R，則其積分運算函數(shù)表示為：

（4）

式（4）中：R為時間與誤差的絕對值，t為結(jié)束時間。

考慮到實用性，函數(shù)能夠抑制誤差，將其代入函數(shù)可得到粒子的位置結(jié)果。將與之前位置進行比較，如果較優(yōu)則進行位置更新[6]。將所有個體均代入到函數(shù)中求值，并獲得全局最優(yōu)解。

設(shè)定控制的模糊規(guī)則，結(jié)合實際情況進行不斷修正，調(diào)整盾構(gòu)機的響應(yīng)速度。對不同偏差情形，按照控制規(guī)則進行提取，當(dāng)偏差較大或過小時需要及時糾偏。在實際施工中，如果掘進過程中左側(cè)油壓較大，則需要控制鉸接角為正，使得盾構(gòu)機向左偏轉(zhuǎn)，通過調(diào)整位置和角度偏差，即可完成姿態(tài)控制。

2 實例分析

2.1 工程概況

東莞市城市軌道交通1號線一期工程大朗站-濕地公園站區(qū)間屬于剝蝕殘丘地貌，地勢整體呈現(xiàn)西北向東南逐漸降低趨勢。鉆探結(jié)果顯示，局部里程段內(nèi)中、微風(fēng)化混合花崗巖埋深較淺。在區(qū)間兩端、在設(shè)計孔深范圍內(nèi)鉆孔，中、微風(fēng)化混合花崗巖埋藏相對較深，存在基巖凸起。基巖凸起附近，基巖面起伏較大，軟硬不均現(xiàn)象嚴(yán)重，對盾構(gòu)機掘進及隧道穩(wěn)定性影響較大。且基巖凸起段中、微風(fēng)化混合花崗巖突入隧道內(nèi)，巖石飽和抗壓強度值約在20～155MPa范圍內(nèi)，最大值為155MPa。

2.2 糾偏方法

運用本文所述控制方法進行盾構(gòu)位姿糾偏。盾構(gòu)機在進行豎直方向糾偏過程中，圓弧曲線糾偏能夠使盾構(gòu)機返回到隧道設(shè)計軸線上。在安排合理的糾偏路徑后，對盾構(gòu)機在豎直方向中的位姿進行調(diào)整。設(shè)定盾構(gòu)機出現(xiàn)A25模式姿態(tài)問題，并設(shè)定隧道的設(shè)計軸線為縱面的不同段參數(shù)，將各曲線段的參數(shù)進行計算后，運用MATLAB（矩陣實驗室）繪制成縱面曲線圖?？v面線形基本參數(shù)如表1所示。

綜合縱面線性方程繪制三維坐標(biāo)下的隧道設(shè)計軸線，通過曲線方程生成擬合點。在生成擬合點坐標(biāo)后表示為給定軌跡，對糾偏曲線進行仿真。

2.3 測試方法

為驗證本文所述盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制方法在實際工程中的仿真實驗是否具有較高準(zhǔn)確性，設(shè)置了3個測試小組。其中運用本文所述控制方法的為測試小組1，運用傳統(tǒng)方法的為測試小組2和3。在盾構(gòu)機掘進過程中，對不同分區(qū)的液壓缸進行姿態(tài)控制，設(shè)計仿真實驗、搭建實驗?zāi)Ｐ停瑢?個測試組的豎向位置糾偏曲線與給定軌跡進行比較，判斷是否符合姿態(tài)控制要求。

2.4 測試結(jié)果與分析

在A25模式姿態(tài)問題中，對3個測試組的豎向位置糾偏曲線的仿真結(jié)果如圖3所示。

通過圖3可知，測試小組1的軌跡與給定軌跡重合。而其他測試小組的軌跡與給定軌跡發(fā)生幅度偏移。這說明運用本文所述控制方法能夠有效保證糾偏曲線與設(shè)計軸線保持一致狀態(tài)，達到較好的姿態(tài)控制效果。糾偏半徑與實際半徑之差較小，在實際施工中能夠調(diào)整和減少誤差較大的姿態(tài)問題。

綜上所述，在盾構(gòu)機的控制中，能夠滿足實際的需求，通過控制策略使得盾構(gòu)機能夠按給定的軌跡跟蹤糾偏，達到較好的糾偏效果。通過對初始偏差的調(diào)整，使得偏差值以較快速度降為0。在控制中能夠保持較小的跟蹤誤差，提升了盾構(gòu)機運行過程中的響應(yīng)速度，達到了盾構(gòu)機的姿態(tài)控制要求。

3 結(jié)束語

本文從盾構(gòu)機入手，結(jié)合實際，探究了地鐵盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制方法。通過對盾構(gòu)機下坡掘進時的姿態(tài)進行校正，對糾偏力矩進行設(shè)定，有效避免了盾構(gòu)機偏移，能夠確保盾構(gòu)機在作業(yè)過程中荷載相對穩(wěn)定。但是方法中還存在著一些不足，在以后的研究中應(yīng)隨時優(yōu)化控制方法，提升控制的準(zhǔn)確性，以有效提高盾構(gòu)工程施工質(zhì)量。

參考文獻

[1] 王永鋒.雙導(dǎo)線在地鐵盾構(gòu)區(qū)間控制測量中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2022，53（9）：1191-1194.

[2] 吳敏敏，劉先行.風(fēng)化花崗巖地層中地鐵盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道建筑，2022，62（3）：132-135.

[3] 黃君.富水飽和砂性地層盾構(gòu)長距離連續(xù)掘進施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2021，50（5）：117-122.

[4] 章龍管，劉綏美，李開富，等.基于故障樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險預(yù)測[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（5）：21-29+55.

[5] 董宇.復(fù)合地層中土壓平衡盾構(gòu)機掘進狀態(tài)評估[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2021，18（8）：2114-2120.

[6] 董偉東，郭浩，羅海波，等.主動鉸接型盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量與姿態(tài)精密解算方法[J].測繪通報，2022（1）：149-154+158.