顶管掘进机泥水平衡系统优化算法研究

摘要：针对目前顶管掘进机存在的智能化程度低、控制精度差等问题，将模糊控制的思想引入到顶管机泥水平衡控制中，提出了最优压力比的动态控制理念。工程应用显示，该方案能够取得较好的施工效果，可带来明显的经济效益和社会效益。

关键词：非开挖技术；顶管掘进机；模糊控制；优化算法

中图分类号：U415.5文献标志码：B

0引言

非开挖技术是利用岩土钻掘的技术手段，在地表以最少的开挖量或不需开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术。顶管掘进机（简称顶管机）是非开挖技术中铺设新管线的施工机械。目前，在中国地下水丰富的南方地区主要采用泥水平衡型顶管机，该类顶管施工中的关键要素为泥水管理问题。本文结合佛山市里水镇和顺片区首期截污工程Ⅰ标段的工程实践，将模糊控制思想引入泥水平衡控制中，提出新式的顶管机控制方案。

1泥水平衡型顶管机工作原理

泥水平衡型顶管机在施工过程中，用水力或机械切削泥土，再用水力输送弃土，同时利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力。因此，泥水平衡式顶管施工关键要素是施工中的泥水管理问题。传统的顶管机泥水管理系统存在智能化程度较低、对施工人员依赖度高及可靠性较差等问题。

许多研究与实践表明，顶进速度需要根据现场土质情况确定，一般在6～25 m・h-1之间，淤泥质土强度小，土压力小，顶进速度较大；而砂质土强度居中，土压力一般，顶进速度值稍慢；粘土强度大，土压力大，顶进速度最小。

为适应频繁变化的岩石类型和强度，需要不断调整顶进速度，保证其尽可能在最优压力比下工作。而在顶管机掘进过程中，由于地层不断变化，土压力也呈动态变化。因此，宜采用定性的、不精确的语言规则加以描述，如“若顶进速度达不到最优压力比的要求，则应适当增加顶进速度”等[2]。基于此，提出泥水平衡顶管设备最优压力比的理念，即实时调整顶进速度，以适应已确定的泥水压力和变化的地质条件，并运用模糊数学理论建立最优压力比的动态控制模糊数学模型，从而将顶管机的控制过程智能化，提高工作效率和工程质量。

2最优压力比的动态模糊控制方法

根据上述最优压力比的动态控制原理及模糊控制理论，在顶进过程中主要通过控制顶进速度来实现对最低掘进比能的控制。设计输入变量为顶进速度S，经模糊系统推理，输出该顶进速度下的压力比值Pn/（Ps+Pt） ，然后计算实际Pn/（Ps+Pt） 与最优Pn/（Ps+Pt）的差值的绝对值Pn/Δ（Ps+Pt） ，并判断其是否小于容许值。若不满足条件，根据[Pn/Δ（（Ps+Pt）]S模糊关系（由模糊推理决定）计算需调整的顶进速度（ΔS），反馈调整顶进速度，实现对顶管机的最优控制。整个控制过程为单输入、单输出的控制。3模糊控制的应用

建立模糊规则前，先根据施工地质勘探报告和排出的岩碴判断工程所处的地层类型，然后根据现场监测的掘进数据，对关键掘进参数进行分析计算，以确定顶进速度控制范围、切深控制范围及切割比能分布[3]。其中，切割比能的分布是确定最优压力比的重要依据，最低切割比能对应最优压力比，由推力作用比能SEf和顶进速度作用比能SEs组成，按式（1）计算掘进过程中的切割比能。SE=SEf+SEs=FNA+2FRASPn（1）式中：A为刀盘切割的面积；FN、FR 分别为刀具的法向作用力和切向作用力；Pn为刀盘每转切深；S为刀盘转速。根据不同地层条件下的顶进速度和Pn/（Ps+Pt）的范围，对其进行模糊化[4]，产生若干模糊子集，建立输入输出各子集之间的模糊映射关系（即模糊规则）。顶管机在粘土、砂质土和淤泥质土地层条件下掘进时，均将其顶进速度和Pn/（Ps+Pt）划分为7个模糊子集，由此建立的模糊推理规则分别见表1～3。

4.1工程概况

工程设计范围为佛山市里水镇和顺片区首期截污工程Ⅰ标段。污水干管采用顶管法施工，顶管管材用Ⅲ级钢筋混凝土内衬改性PVC管DN800，长为1 2672 m。污水次干管主要采用明开挖施工的方法，管材采用503 m长的ERPP模压排水管DN400～DN600，以及111 m长的钢带增强内螺纹波纹管。本区域根据规划的要求，沿线分流制污水直接排入污水干管，通过转输，最终排往和顺污水处理厂。

4.2水文地质条件

施工场地内钻探揭露的地层有：人工填土、第四系冲积层、残积层及石炭系基岩。本工程顶管施工在淤泥质粉粘土和淤泥质粉砂土层中进行，该部分土质较为松散，含水量较高，具有流塑性，在顶管施工过程中如果泥水平衡控制不好，容易造成地面塌陷或者地面隆起。在本工程中，投入两套顶管设备进行顶管施工。其中一套顶管设备采用传统的控制方式，另外一套顶管设备进行了控制系统的改造，引入模糊控制算法进行泥水平衡控制。

4.3控制策略的确定

根据本工程的地质报告，顶管顶进断面为淤泥质粉粘土和淤泥质粉砂土，故采用淤泥土质模糊控制方案，顶进过程中引入模糊控制算法的顶管设备自动控制顶管速度为20～25 m・h-1。

4.4施工成果

经过2个月的紧张施工，两套设备共完成了1 2672 m的顶管施工，完成的工作情况如表4所示，改造后的设备施工偏差如图2所示。

5结语

本文利用模糊控制思想，提出了新式的顶管掘进机施工管理方案，并分析了新方案在实际工程中的使用情况，从而为解决目前设备智能化程度低、施工进度慢等问题提供了理论依据，并通过实践证明新方案可以提高施工管理的工作效率和工程质量。

参考文献：

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[3]赵丁选，杨力夫，李锁云，等.国内外非开挖定向钻机及其智能控制技术[J].吉林大学学报，2005，35（1）：4448.

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