浅析机电工程自动化在盾构施工工程的应用与展望

浅析机电工程自动化在盾构施工工程的应用与展望

彭新

（中传检测（广州）科技有限公司，广东广州，511400）

摘要：机电工程中的电气及自动化技术可以应用在多个不同的领域，比如农业、工业、国防等，这些都是国家建设的命脉，因此电气及自动化技术在机电工程中发挥着重要的作用。电气及自动化技术能够通过计算机控制自动设备的运行，提高电气自动化的效率，使机电工程更加网络化、智能化。基于此，本篇文章对机电工程自动化在盾构施工中的应用与展望进行浅析，以供参考。

关键词：机电工程；自动化工程；盾构施工应用；展望

引言

机电自动化制造技术离不开计算机技术的支持，在计算机技术及电子信息技术的带动下，各类机械设备（如盾构机等）的功能不断完善，并实现了较为理想的自动化应用，这对于提高产能有着积极的影响，使机械设备制造业始终保持了足够的先进性，不仅能够为机械设备生产企业带来可观的经济效益，并且能够促进全社会生产力实现质的飞跃。

1机电工程的特点

从理论上讲，机电一体化技术与信息处理设施的运行效果有着密切的关系，为了保证机电一体化的可持续发展，首先要优化更新相关的信息处理设施，提供信息、保护输入，严格控制系统的稳定性和外部因素对相关设施的干扰，从根本上实现机电一体化可持续发展的目标。在研究机电工程技术的过程中，了解到所设计的电机本身属于驱动结构，在我国广泛应用于各个行业。

2机电工程自动化发展的现状

2.1施工人员的技术水平不高

电气及自动化技术是机电工程中重要的技术，要想发挥自动化技术在盾构施工中的特长，就必须提升施工人员的技术水平。但是当前施工人员的技术水平有限，很多都是来自农村地区的农民工，自身文化素质水平不高，也没有经过施工单位的系统化培训，未掌握自动化技术的操作知识，无法保障自动化技术操作的技术规范性。而且工作人员未树立活到老学到老的意识，守旧的思想意识难以适应科技时代的更新速度，导致难以发挥自动化技术的优势。

2.2操作难度较大

由于盾构机等是大型工程机械，结构系统较为复杂，操作难度较大，需具备较强专业水平的专业人员进行操作。其自动化操作技术发展迅速，为使此项技术水平得到充分发挥，在自动化系统中应采用更为严格的标准化技术。这一方面可以使设备运行更为规范可靠，但同时造成了操作系统过于复杂的局面，对设备日常运行及管理产生了一定影响。此外，因盾构机等自动化设备设计较为宽泛，不具备普遍适用性，致使在不同使用环境下其具体表现有所区别，一旦出现操作失误，极易对生产系统造成较为明显的影响。如不能采取标准化操作系统，则不利于自动化设备平稳运行。

3盾构施工智能化的发展历程

盾构法自1818年问世，经过200多年的发展，已历了手掘式盾构、机械化盾构、电子化盾构和信息化盾构4个阶段，下1个阶段的盾构如何定义虽未最终确定，但可以肯定的是一定与智能化有关。

3.1常态化自动巡航盾构

常态化自动巡航盾构是自动巡航盾构的常态化阶段，即盾构始发掘进完成后，在正常掘进的大部分工作中，按设定的盾构施工参数持续定常掘进施工，同时可根据实时获取的施工参数，自动修正下一时间的施工，最终完成长距离的定常掘进。只有当盾构机遇到自身无法解决的问题时才呼叫人工干预，以解决盾构机自身无法解决的问题或故障。常态化自动巡航盾构可在大部分地层内长时间或长距离掘进施工，无需人工干预，只在特殊条件下需要人员进行干预。

3.2智能掘进盾构

智能掘进盾构的控制系统完全模拟人脑，具有独立自主的判断意识，无需人工干预即可解决遇到的所有问题，完成整个区间隧道的施工。在盾构始发阶段，智能盾构依据机械手自动完成盾尾油脂涂抹、负环管片拼装与加固、自动封堵洞门；在正常掘进阶段，智能盾构可根据地层和刀盘刀具磨损情况自动检修换刀；在盾构接收阶段，智能盾构可自主完成管片拉紧、洞门封堵等。

3.3自动巡航掘进

通过隧道无人运输系统将管片、浆液及各种材料运至指定位置，自动智能卸载存放，盾构机控制系统从数据库中选取合适的盾构掘进参数控制盾构机开始刀盘切土、螺旋出土、皮带运输、千斤顶伸长、壁后同步注浆、盾尾注油脂等流程掘进，待一环掘进完成后开始管片自动智能抓取对位、螺栓安装紧固等工作。完成一环管片拼装后重复上述步骤，继续进行盾构机自动巡航施工，直至某段线路完成盾构自动巡航施工或遇特殊情况后退出自动巡航状态。

图1土压平衡盾构结构机主机部分

4电气自动化在其他机电工程中的应用

4.1机电工程中供电系统的自动化

机电工程中供电系统是极其重要的组成部分，供电系统中自动化的技术主要是智能技术的应用。智能技术中最主要的就是人工补偿技术的应用，主要指的是:提升供电电网中的功率因数，降低变压器和输送电线路的损耗，提升电的自动化水平，为供电系统的运行创造一个良好的环境。在这一过程中，正确地选用无功补偿装置，可以最大范围的减小电网的损耗，提升供电系统的运行质量。这种智能技术相比较人工技术，具有提升供电系统工作效率的优势，为机电工程中供电系统的正常工作提供准确的依据。

4.2机电工程中配电站的自动化

机电工程中配电站是指有配电功能的配电站，具有变换电压、分配电能的作用。在机电工程的配电站中应用自动化技术可以实现自动化的功能，实时监测配电站的故障，降低配电站的损耗，提升配电站的效率。配电站中的自动化技术的应用，主要是起到实时监测的作用，将各种设备的运行状况及时的掌控，有利于及时发展设备运行的故障，预知设备运行的未知隐患，保障配电系统能够高效的运行。

5机电工程自动化工程应用的发展趋势展望

隧道掘进机应用正从城市轨道交通领域逐步向铁路、水利水电、公路、市政、综合管廊、地下空间开发、能源等领域扩展，应用的市场范围越来越大，在重点区域、重点领域、重点工程将有广阔的市场前景。根据中国工程机械工业协会的盾构机相关“十四五”规划，预计未来盾构机产业建设将加快，行业总体体量将持续增长，中国盾构机行业发展机会更大，并且盾构机租赁市场的发展，竞争的持续增强，预计未来行业集中度仍将持续提升，行业内企业业务结构也将更为多元化。根据增长趋势，预计2021-2026年我国盾构机行业市场规模将呈中低增速发展，到2026年我国盾构机市场规模约为181亿元。（《中国盾构机行业发展前景预测与数据分析报告》）

5.1控制模型创建

地面沉降主要是由于盾构机土仓的压力不平衡，因此是当前研究者的主要方向，对盾构机械的实际技术进行了相关研究。当前，中国尚未形成更可靠的控制模型，因此难以实现广泛的应用，技术也不够完善。对此，研究人员在今后的研究中需要进一步深化对应机构的耦合比研究，形成以密封舱室压力平衡为整体目标的模型，通过广泛运用各种控制方法控制密封舱室，实现地面沉降精度标准。

5.2掘进系统协调控制

目前需要事先确定压力参数，以实施地压控制，并在实施过程中针对沉降等设施进行优化调整。此外，每个子系统的操作都是独立的，大多数系统都需要手动调整。可以看出，这种调整方法很难满足当前技术发展的要求，因为它具有明显的向后特点。事实上，盾构机土仓的压力最终是由每个子系统的耦合决定的。因此，为了确保其设备的控制精度，该系统必须全面协调和控制多个子系统，以便更有效地监测子系统的运行情况，最终确保变量的及时改进和优化。以某地区某地铁工程盾构区间为例，该工程盾构隧道通过手动控制中心实现，技术人员计算前土压力，得到最终结果。在整个工程实施过程中，需要在盾构上下前方位置建立地压和水压测量系统，同时在盾构施工前建立岩土工程勘探系统。当刀盘转动螺旋机将土仓掉落的渣土输送至皮带机传送带时，推进油缸的撑靴座顶住管片向前移动，其运动可以通过盾构机液压油压力来控制。先前设定的正地压将决定此时开挖和开挖的速度，并人工控制，整个系统显示高度协调。

5.3对位置姿态进行控制以及运动轨迹开展动态规划

当前盾构管片控制的形式主要基于人的逻辑思维，其专家经验形成了编程系统。相关的模糊控制方法可以用于实现智能控制要求，也可以直接手动操作。但是，由于缺乏记录的资料，在复杂地质发生时很难准确预测，也没有取得实际结果。因此，应对当前姿态的具体影响因素进行综合分析研究，形成控制模型，找出最优姿态的控制规律。此外，还应分析多目标优化算法，以实现动态规划的目标，使盾构姿态和轨迹跟踪能够实现自动控制的目标。

5.4操作便捷化

机电工程自动化工程最显著的优势在于精简了人工操控环节，使得人力生产成本大大降低。盾构机在施工掘进过程中就可以通过机械手臂自动智能抓取对位管片、螺栓安装紧固等工作，提高管片安装的质量，所以在技术研发过程中，应该牢牢把握这宗旨，以系统及设备操控的简易便捷为目标，以设备操作流程的简化为任务，优化工程设计。

5.5柔性化

机电工程自动化工程的柔性化发展，包括两个层面的含义：1）机电工程自动化系统的柔性化，通过系统的模块化设计，提升生产控制的可裁剪性，满足各类复杂生产制造的要求;2）群控系统的柔性，即在集成化控制的基础上，系统可根据不同零部件加工的要求，自动调控下料及加工程序，全面优化群控功能，提升资源利用率。

5.6模块化发展

机电工程自动化技术有着极为可观的市场发展潜力，随着此项技术进一步完善，在各领域中均表现出良好的适配性。尤其在国内信息化水平快速提高的背景下，机电自动化技术正在向着模块化方向发展，仅需设计出适合本行业技术的模块，即可充分利用机电自动化技术，实现本行业内的技术更新。盾构机上液压系统和电气系统均可通过集成化模块设计，在设备出现故障时，直接采取模块更换的方法，可以大大提高隧道掘进施工的效率。通过采取模块化发展思路，使各产业之间的信息共融更为紧密，为信息技术产业合作发展提供了理想平台，能够降低技术发成本，加快信息技术产业协调发展。

结束语

机电工程自动化技术伴随着科技发展而兴起，在机械制造、智能制造、建筑、设备检修等行业中获得了广泛发展空间，特别是在隧道掘进施工盾构领域市场前景极为可观。在机电工程中引入电气自动化技术后，进一步提升了机械设备生产效率，并且实现了合理控制设备生产成本的目标，这对于保持工业企业平稳健康发展有着极为重要的意义。对此，应在现有的基础上加大机电工程自动化技术的研发力度，勇于尝试及创新，使此技术能够全面得到推广，为我国各行业发展提供关键技术保障。

参考文献

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