中国水利水电第五工程局有限公司 四川成都 610000
摘要：本文基于传感器信息采集、程序控制及顶管施工纠偏技术原理，开发了一套顶管机智能操作系统，实现初始参数设置、实时状态监测、自动纠偏、报警等功能；开发了自动纠偏算法，基于NPD1650型泥水平衡式顶管机实现了智能操作系统应用。在实际工程中的应用结果表明，顶管机智能操作系统稳定性和准确性高，能有效纠正偏差。
关键词：顶管机；智能控制；自动纠偏
1.前言
阜阳市城区水系综合整治（含黑臭水体治理）工程位于安徽省西北部阜阳市境内。中国水电五局参与建设的标段包括泉北片区和颍东片区一期及二期工程；其中包括132.28公里截污管道工程。本工程截污管道均采用钢筋混凝土管，顶进方式为泥水平衡式顶管，管径为DN800～DN2200mm，掘进过程中，采用激光导向控制系统。
顶管施工以其适用土质广、施工精度高、使用管径范围大、综合成本低、环境污染小等优点而被广泛应用于管道施工工程中。由于地层土质变化、千斤顶推力不均、已拼管节轴线误差等因素影响，管体容易产生姿态偏差。现有的顶管机通过控制台面板进行手动操作控制，完全依靠操作人员手动调整纠偏油缸完成纠偏。这样就使得纠偏施工存在一定的滞后延时性，且受操作人员的影响较大，施工中纠偏不及时、管节发生偏差等情况时有发生，此情况对管道后续影响较大，运维期间易发生渗漏等问题甚至导致管道破坏。人工操作纠偏已不能满足超长顶管或曲线顶管施工质量的控制要求。
2.顶管机智能操作系统设计
2.1原机系统
该项目基于NPD1650型泥水式顶管机进行智能操作系统设计。NPD1650型泥水式顶管机如图1所示，其纠偏系统由摄像头、靶心、4 个纠偏油缸、倾角传感器、驱动泵站和电控箱等组成。人工操作方式是通过摄影图像人为观察激光点在靶心的位置，然后结合油缸上的电阻式位移传感器数据和倾角传感器数据，进行手动纠偏。
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图1 NPD1650型泥水式顶管机
2.2 NPD1650型泥水平衡式顶管工艺介绍
该项目顶管施工主要采用泥水平衡式顶管，由主顶油缸向前推进微型掘进机，掘进机头进入止水圈，穿过土层到达接收井。在掘进过程中由电动机提供能量，转动切削刀盘进入土层，挖掘的土质、石块等在切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在舱内与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在顶进中，采用复杂的土压平衡装置来维持水土平衡，使其始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到掘进机的尾套处，与掘进头连接，第一节管道顶至预定位置以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，此过程不断重复，直至所有管道被顶入土层，施工完毕后形成一条永久性的地下管道。
当工作井完成以后，经调试完毕的液压系统，顶管掘进机通过运输至工地，安装就位至导轨上，微型掘进设备还包括，操纵室和遥控台、液压动力站、后方主顶、泥水循环装置，激光定位装置，减摩剂搅拌注入装置，泥水处理装置。
2.3 自动纠偏系统设计
自动纠偏系统由激光发射器、光靶和控制系统等组成。其中，光靶采用LPS激光定位传感器。LPS激光定位传感器可检测变化的远程激光光束在X和Y方向上具体位置，并以RS232 串口形式输出，最大可接受500 米的激光光束而不影响测量精度，并能抑制外部光源干扰，具有良好的抗振动和抗冲击能力。
控制系统分为中央控制柜（主PLC）和就地控制柜（分PLC）。中央控制柜位于地面上操作台内，用于与上位机进行通讯，接收操作指令。就地控制柜位于顶管机头内，用于控制纠偏系统开启和纠偏油缸电磁阀开闭，并测量纠偏油缸伸长量和传感器输出参数。中央控制柜和就地控制柜通过通讯模块进行通讯。
考虑增加的自动纠偏系统与原手动纠偏系统相互独立，4个纠偏油缸上另外安装传感器，配置双轴倾角传感器和独立电控系统。同时，自动纠偏系统带有手动纠偏功能，并与原手动纠偏保持一致。
2.4 自动纠偏算法设计
自动纠偏算法设计如下：
（1）默认启动纠偏范围为±1.5cm，并设置成在触摸屏上可修改，便于现场修改；
（2）自动纠偏逻辑定时控制纠偏油缸的伸缩，且其值可在触摸屏上设置修改，便于根据现场实际调整；
（3）纠偏油缸单次伸缩距离和最大累计伸缩距离也由触摸屏设置，便于根据现场不同土质的需求参数进行修改；
（4）顶推与纠偏同步进行，如顶推停止，则纠偏也不工作；
（5）纠偏控制采用小角度纠偏，纠偏以平稳过程实施，避免快速纠偏产生土应力的变化（符合规范GB50268的勤测量、勤纠偏、缓纠偏的要求），引起顶管施工困难，造成地面沉陷或隆起现象；偏离值较大时，也采用小角度缓慢纠偏，按照一定规律逐步控制纠偏油缸，不断调整到设计轴线。
3.智能顶管机操作系统的应用
3.1 智能顶管试验情况
该智能顶管系统于2019年6月12日至16日，在安徽阜阳市城区水系综合整治项目，老泉河水环境工程截流管道79#~80#施工中连续应用，管径为D1600mm，截流主管长度76m，管道埋深10.2m~11.3m，管道轴线临近老泉河河道，河宽度50m，河道水位高程27.5m，河水深度约3.6~4.0m，地下水位较高，顶管穿切土层为粉质粘土，该段管道采用顶管施工；顶管用钢筋混凝土管采用F型接口，单根管节长2.5m；顶管的工作井和接收井均采用钢筋混凝土沉井施工，80#工作井直径为8m，79#工作井直径为6m。
共完成31根管节顶推，其中6月12日完成7根管节顶推，6月13日完成8根管节顶推，6月14日完成7根管节顶推，6月15日完成6根管节顶推，6月16日完成3根管节顶推。
试验中异常处理：纠偏过程中如遇顶管突然下沉等导致不能有效接收激光的情况下，则触摸屏报警，需手动介入。若出现视频方案无法解决接收不到激光的问题，可通过加大激光靶的直径解决；当出现手动操作界面不能启动自动操作，此时界面将报警提示关闭自动启动按钮，返回主界面后再次启动自动操作系统；施工过程中出现纠偏油缸伸长量超过设定的最大伸出距离后，系统亦会报警提示立即停止自动操作系统进行手动纠偏。
在该次实验中，激光点水平坐标最大偏差为50mm，竖直坐标最大偏差为-33mm，水平坐标平均偏差为9.15mm，竖直坐标平均偏差为-9.59mm，符合规范要求偏差值。
3.2顶管机的应用
经过试验后对试验存在的问题进行优化解决后，顶管机在现场初步投入应用，现场应用 应用结果表明，自动纠偏系统实现了对顶管机机头姿态的实时测量、显示及自动纠偏，施工精度满足预定要求。该系统具有以下优点：
（1）自动化程度高，相比于手动纠偏，能够根据设定的系统参数进行纠偏，实时显示水平和竖直偏差；
（2）误差较小，能够实现预定施工精度，相比手动纠偏有效提高了精度；
（3）减轻了操作人员的劳动强度，减少了大量的手动纠偏工作；
（4）操作界面友好，系统的手动操作功能与原系统保持一致；
（5）结构简单、成本低，安装简便，使用后可拆除，对原系统无影响。
（6）手动功能和自动功能可相互切换，不影响原系统的手动操作。
4.结论
经过试验及现场实际应用实践证明了该文中所设计的顶管机智能操作系统是可行的，该系统配合LPS光靶技术，实现了顶管机实时纠偏和纠偏效果自动测量，能够增强对顶管施工的监测和控制，减少施工误差，提高工作效率。在施工现场进行顶管机自动纠偏试验及应用的结果表明，开发的顶管机智能操作系统能够实现顶管机自动纠偏施工，具有很好的稳定性和准确性。
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