专利名称：盾构掘进过程中的轨迹姿态复合控制方法
技术领域：
本发明涉及全断面隧道掘进自动控制方法，尤其是涉及一种盾构掘进过程中的轨 迹姿态复合控制方法。
背景技术：
盾构是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备，具有开挖切削土体、输送 土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。推进系统承担着整个盾构机的顶进任务，要求 完成盾构机的转弯，曲线行进，姿态控制，纠偏以及同步运动，使得盾构机能够按照事先 设定好的路线前进，是盾构机的关键系统。盾构掘进轨迹姿态的准确控制能够确保盾构沿设计轴线准确掘进，避免超挖或欠 挖，是保证工程进度和施工质量的关键。目前采用的纠偏控制方法主要有选择相应区域推 进液压缸，调整各分区推进液压缸推进压力和推进速度；利用设备上的仿形刀对相应区域 的土体进行超量挖掘；使用盾构铰接装置使盾构机本身在中部产生一定角度的折角；通过 管片的多次选型排版、转弯环(包括左、右转弯环)的多次调整布设；采用左右对称背衬注 浆，对盾尾预置的多个注浆孔进行压注。现有研究存在的问题轨迹偏移是影响隧道轴线精度的最直接因素，姿态偏离是 轨迹产生偏离的主因。如果姿态偏离量大，势必造成轨迹偏离，并会给轨迹调整带来困难， 使纠偏频繁且影响隧道轴线精度。盾构掘进过程中主要关注量为轨迹偏移量，轨迹偏移量 超标才开始纠偏，而且没有对纠偏路径进行具体的最优化设计，不能快速纠正轨迹姿态偏 差，纠偏过程不能同时消除位置偏差和角度偏差。针对上述纠偏控制方法存在的问题，很多学者进行了广泛的研究，提出了基于各 种智能控制器的纠偏控制方法，但是都没有对纠偏路径进行明确的最优化设计，而且纠偏 过程中不能同时消除位置偏差、角度偏差。因此研究盾构机在复杂地层施工中的一套完整 的轨迹姿态复合控制技术对提高全断面隧道施工自动化水平，提高隧道成型质量，加快施 工进度有着重要的现实意义。
发明内容
为克服上述纠偏控制方法中的不足，本发明的目的在于提供一种盾构掘进过程中 的轨迹姿态复合控制方法。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是
本发明采用姿态和轨迹都设定阈值进行控制，即使轨迹尚未达到纠偏阈值，只要姿态 偏离超限就及时进行位姿调整，以免导致轨迹偏移加剧；当盾构向前推进过程中，通过测 量、计算求取盾构机当前位置偏差Si,角度偏差θ i，若Si <轨迹姿态复合控制器位置偏差 阈值S。min和QiS轨迹姿态复合控制器角度偏差阈值θ。min时，或SiS实际隧道施工位置 允许偏差Smin和θ i=0时，则盾构机继续推进；若盾构机当前位姿不满足上述两不等式关系 时，则通过最优化轨迹姿态纠偏路径，自动调整各分区推进液压缸的压力和推进位移，达到同时消除掘进过程中产生的位置偏差、角度偏差，使盾构机实际掘进路线控制在隧道设计 轴线范围内。所述的最优化轨迹姿态纠偏路径为当盾构机当前掘进轨迹姿态偏离设定阈值 时，有下列四种情况
1)若盾构机当前掘进位姿为位置偏差为正，在此设定盾构机质心位于实际隧道设计 轴线右侧时位置偏差为正，盾构机质心位于实际隧道设计轴线左侧时位置偏差为负，角度 偏差为0，盾构机要想以最短时间完成姿态纠偏，并同时消除位置偏差、角度偏差，需先计算 出具体的位置偏差值、若Si小于盾构机最小转弯半径^llin,则盾构机先以Rmin左转，直至 盾构机质心离隧道设计轴线距离为IASi时，然后以Rmin右转，此时盾构机可以以最短时间 内运动到隧道设计轴向上；
2)若盾构机当前掘进姿态为位置偏差为0，角度偏差为正，在此拟定以隧道设计轴线 或其平行线为中心，盾构机右偏时角度偏差为正，左偏时角度偏差为负，则盾构机先以Rmin 左转，经过左转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏；
3)若盾构机当前掘进姿态为位置偏差和角度偏差均为正，则盾构机先以Rmin左转，经 过左转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏；
4)若盾构机当前掘进姿态为角度偏差为负，位置偏差为正，盾构机先以Rmin右转，推 进过程中不断检测左右分区推进液压缸水平位移差，直至其位移偏差为0，经过右转调整 后，再转化成第一种情况再进行纠偏；
当盾构机当前掘进姿态与上述四种情况相对于隧道设计轴线方向对称时，其轨迹姿态 纠偏路径与上述过程完全相同。本发明具有的有益效果是
明显降低轨迹偏移量，减少轨迹纠偏频率，大幅提高隧道纠偏效率，同时消除掘进过程 中产生的位置偏差、角度偏差，避免不必要的超挖和欠挖，提高隧道成型质量。
图1是盾构掘进过程中轨迹姿态复合控制流程图。图2是盾构机平行位于隧道设计轴线右侧时的纠偏路径示意图。图3是盾构机位于隧道设计轴线上，但存在角度偏差时的纠偏路径示意图。图4是盾构机位于隧道设计轴线右侧，且位置、角度偏差均为正时的纠偏路线示 意图。图5是盾构机位于隧道设计轴线右侧，且位置偏差为正、角度误差为负时的纠偏 路径示意图。图6是盾构机正常掘进时角度偏差允许范围示意图。图7是盾构机正常掘进时位置偏差允许范围示意图。图8是盾构掘进过程中左右分区各一对液压缸控制系统方框图。图广7中1、隧道设计轴线方向，2、盾构机掘进最小转弯半径，3、盾构机质心实际 运动轨迹，4、盾构机，5、盾构机轴线。图8中控制器C11 (s)，C21(s)用于补偿系统压力调节阀(比例溢流阀)的非线性特 性，实现推进力的精确控制，控制器C21(S), C22(S)用于实现各分区推进液压缸位移的精确控制，C3(S)用于求取相应分区推进液压缸下一环掘进位移值，a为比例溢流阀和放大器总 死区值，K为比例溢流阀和放大器总增益，G (s)为比例溢流阀开环传递函数分母多项式，P1 为某一区系统输出压力，P2为另一区系统输出压力，ΔΡι，ΔΡ2为相应分区压力给定值与系 统输出压力之差。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。盾构掘进过程中轨迹姿态复合控制流程图如附图1所示，本发明采用姿态和轨迹 都设定阈值进行控制，即使轨迹尚未达到纠偏阈值，只要姿态偏离超限就及时进行位姿调 整，以免导致轨迹偏移加剧；当盾构向前推进过程中，通过测量、计算求取盾构机当前位置 偏差Si,角度偏差Qi，若SiS轨迹姿态复合控制器位置偏差阈值S。min和QiS轨迹姿态复 合控制器角度偏差阈值θ。min时，或SiS实际隧道施工位置允许偏差Smin和Qi=O时，则盾 构机以目前推进参数继续推进；若盾构机当前位姿不满足上述两不等式关系时，则通过最 优化轨迹姿态纠偏路径，并通过拟定的最优化纠偏路径自动调整各分区推进液压缸的压力 和推进位移，达到同时消除掘进过程中产生的位置偏差、角度偏差，使盾构机实际掘进路线 严格控制在隧道设计轴线范围内。盾构掘进过程中的最优化轨迹姿态纠偏控制路径图如附图2 7所示。图中盾构机 纠偏路径为盾构机质心的运动轨迹。在这里我们拟定，以隧道设计轴线为中心，盾构机质心 位于轴线右侧时位置偏差为正，位于左侧时为负；角度偏差以隧道设计轴线或其平行线为 中心，右偏时为正，左偏时为负。隧道施工允许位置偏差值Smin= α S。min (轨迹姿态复合控制 器位置偏差阈值)，比例因子α彡1.1，控制器角度偏差阈值9。min=arcos (Rmin-Scmin)/Rmin, Qfflin (隧道施工允许角度偏差值)=arcos (Rmin-Smin)/Rmin，Rmin为盾构机最小转弯半径。所述的最优化轨迹姿态纠偏路径为当盾构机当前掘进轨迹姿态偏离设定阈值 时，有下列四种情况
若盾构机当前掘进姿态如图2所示位置偏差为正，在此设定盾构机质心位于实际隧 道设计轴线右侧时位置偏差为正，盾构机质心位于实际隧道设计轴线左侧时位置偏差为 负，角度偏差为0，盾构机要想以最短时间完成姿态纠偏，并同时消除位置偏差、角度偏差， 需先计算出具体的位置偏差值Si小于盾构机最小转弯半径^llin,则盾构机先以Rmin左 转，直至盾构机质心离隧道设计轴线距离为IASi时，然后以Rmin右转，此时盾构机可以以最 短时间内运动到隧道设计轴向上；
若盾构机当前掘进姿态如图3所示位置偏差为0，角度偏差为正，在此拟定以隧道设 计轴线或其平行线为中心，盾构机右偏时角度偏差为正，左偏时角度偏差为负，则盾构机先 以Rmin左转，经过左转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏。若盾构机当前掘进姿态如图4所示位置偏差和角度偏差均为正，则盾构机先以 Rfflin左转，经过左转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏。若盾构机当前掘进姿态如图5所示角度偏差为负，位置偏差为正，盾构机先以 Rmin右转，推进过程中不断检测左右分区推进液压缸水平位移差，直至其位移偏差为0，经过 右转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏。调整完毕后盾构机正常掘进轨迹姿态如图6，图7所示。
盾构掘进过程中左右分区各一对液压缸控制系统方框图如图8所示。在相应的液 压推进系统中，通过位移传感器实时获取各分区推进液压缸每一环的位移信号Xl，X2，并与 隧道设计轴线进行比较，求取盾构机当前位置偏差、角度偏差，并依据上述最优化纠偏路径 求取相应分区推进液压缸下一环掘进位移值Xd2，各区依据位移偏差信号大小求取下一 环所需推进压力Pdl，Pd2，同时调节变量泵出口压力，以及流经比例流量控制阀的流量，使其 与负载需求相适应，其它各区比例溢流阀调定压力和流过比例流量控制阀流量不变，即可 实现盾构机轨迹姿态复合控制。在这里有四点需要特殊说明的是1、当盾构机当前掘进姿态与图纩图5相对于隧 道设计轴线方向对称时，其轨迹姿态纠偏控制策略与上述过程完全相同；2、按照上述控制 策略完成盾构机纠偏后，其最终掘进路径不一定要求和隧道设计轴线方向完全相同，只要 位置偏差和角度偏差在误差允许范围内即可；3、本发明提出的轨迹姿态复合控制技术是在 严格控制推进压力的前提下，通过控制推进力来控制推进位移，可保证开挖面水土压力平 衡，严格控制地表沉降量；4、为简化推进液压系统控制方框图结构，图8中只选取了左右分 区各一对液压缸进行说明。
权利要求
1.一种盾构掘进过程中的轨迹姿态复合控制方法，其特征在于采用姿态和轨迹都设 定阈值进行控制，即使轨迹尚未达到纠偏阈值，只要姿态偏离超限就及时进行位姿调整，以 免导致轨迹偏移加剧；当盾构向前推进过程中，通过测量、计算求取盾构机当前位置偏差 Si,角度偏差Qi，若Si彡轨迹姿态复合控制器位置偏差阈值S。min和Qi彡轨迹姿态复合控 制器角度偏差阈值θ。min时，或Si彡实际隧道施工位置允许偏差^llin和Qi=O时，则盾构机 继续推进；若盾构机当前位姿不满足上述两不等式关系时，则通过最优化轨迹姿态纠偏路 径，自动调整各分区推进液压缸的压力和推进位移，达到同时消除掘进过程中产生的位置 偏差、角度偏差，使盾构机实际掘进路线控制在隧道设计轴线范围内。
2.根据权利要求1所述的一种盾构掘进过程中的轨迹姿态复合控制方法，其特征在 于，所述的最优化轨迹姿态纠偏路径为当盾构机当前掘进轨迹姿态偏离设定阈值时，有下 列四种情况1)若盾构机当前掘进位姿为位置偏差为正，在此设定盾构机质心位于实际隧道设计 轴线右侧时位置偏差为正，盾构机质心位于实际隧道设计轴线左侧时位置偏差为负，角度 偏差为0，盾构机要想以最短时间完成姿态纠偏，并同时消除位置偏差、角度偏差，需先计算 出具体的位置偏差值、若Si小于盾构机最小转弯半径^llin,则盾构机先以Rmin左转，直至 盾构机质心离隧道设计轴线距离为IASi时，然后以Rmin右转，此时盾构机可以以最短时间 内运动到隧道设计轴向上；2)若盾构机当前掘进姿态为位置偏差为0，角度偏差为正，在此拟定以隧道设计轴线 或其平行线为中心，盾构机右偏时角度偏差为正，左偏时角度偏差为负，则盾构机先以Rmin 左转，经过左转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏；3)若盾构机当前掘进姿态为位置偏差和角度偏差均为正，则盾构机先以Rmin左转，经 过左转调整后，再转化成第一种情况再进行纠偏；4)若盾构机当前掘进姿态为角度偏差为负，位置偏差为正，盾构机先以Rmin右转，推 进过程中不断检测左右分区推进液压缸水平位移差，直至其位移偏差为0，经过右转调整 后，再转化成第一种情况再进行纠偏；当盾构机当前掘进姿态与上述四种情况相对于隧道设计轴线方向对称时，其轨迹姿态 纠偏路径与上述过程完全相同。
全文摘要
本发明公开了一种盾构掘进过程中的轨迹姿态复合控制方法。采用姿态和轨迹都设定阈值进行控制，即使轨迹尚未达到纠偏阈值，只要姿态偏离超限就及时进行位姿调整。当盾构工作时通过测量、计算求取盾构机当前位置偏差Si，角度偏差θi，若Si≤轨迹姿态复合控制器位置偏差阈值Scmin和θi≤轨迹姿态复合控制器角度偏差阈值θcmin时，或Si≤实际隧道施工位置允许偏差Smin和θi=0时，则盾构机继续推进；反之，则通过最优化轨迹姿态纠偏路径，自动调整各分区推进液压缸的压力和推进位移，达到同时消除掘进过程中产生的位置偏差、角度偏差，使盾构机实际掘进路线控制在隧道设计轴线范围内，避免不必要的超挖和欠挖，提高隧道成型质量。
文档编号E21D9/093GK102102522SQ20101061341
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者刘志斌, 杨华勇, 段小明, 谢海波, 龚国芳 申请人:浙江大学