盾构近距离施工的IMC-PID控制模型研究

第25卷增2岩石力学与工程学报Vol.25Supp.22006年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2006收稿日期：2005–11–21；修回日期：2006–04–20作者简介：廖少明(1966–)，男，博士，1988年毕业于同济大学地下建筑与工程系，现任副教授、硕士生导师，主要从事地铁盾构隧道设计优化及信息化施工控制方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]盾构近距离施工的IMC-PID控制模型研究廖少明1，汪敏2，侯学渊1(1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.上海市政工程设计研究总院，上海200092)摘要：针对盾构近距离施工中变形控制的特点，以变形控制为目标，采用系统控制论的思想和方法，提出一种基于内模控制的IMC-PID参数整定方法的盾构施工控制方法。分析研究盾构施工控制中正面土压力和盾尾注浆两个关键参数对紧邻隧道变形影响的全过程控制模型APLOC。仿真结果显示，此控制模型具有很好的稳定性和鲁棒性。实际控制效果明显，相邻隧道变形控制在5mm之内。关键词：隧道工程；盾构；近距离施工；变形；IMC-PID控制中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)增2–4132–07STUDYONIMC-PIDCONTROLMODELOFSHIELDADJACENTCONSTRUCTIONLIAOShaoming1，WANGMin2，HOUXueyuan1(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignGeneralInstitute，Shanghai200092，China)Abstract：Accordingtothefeaturesofcontrolinshieldadjacentconstruction，thecontrolmodelofthewholeprocess—APLOChasbeenestablishedbasedonIMC-PIDcontrollerwithconsiderationoftheeffectsofearthbalancepressureatworkfaceandshieldtailgroutingparameterongrounddeformation.TheinfluencesoftheearthpressureandthegroutingparameteronthegroundandtheadjacenttunnelsettlementhavebeenstudiedandanalyzedbyAPLOC.Simulationresultsshowthattheproposedcontrollermodelhasthefeaturesofexcellentstabilityandrobustness.Themaximumsettlementoftheadjacenttunnelissuccessfullycontrolledwithin5mmmakinguseofthiscontrolmodel.keywords：tunnellingengineering；shield；adjacentconstruction；deformation；IMC-PIDcontrol1引言土木建筑工程施工控制的概念，是由J.T.PYao[1]于1972年提出的，其基本思想是依靠结构物与控制系统间的优化匹配，从强度控制上共同抵御外荷载，进而控制其变形、位移在允许的限值以内。事实上，这也是当前土木建筑工程各个领域进行施工控制的基本出发点。在我国，地下工程施工控制的研究始于20世纪90年代，主要是围绕东部沿海城市深基坑开挖引起土工公害等环境效应问题而展开的，尤以上海饱和软黏土为地质背景的地下工程施工控制为最，经历了强度控制、变形控制与系统控制3个阶段[2]。强度控制，指对各种支护结构、改良地基土等辅助工法的设计与研究。变形控制，其基本思想是要求支护结构在满足强度安全的前提下，还要满足变形、位移限值等使用要求，常用方法包括经验公式法、安全系数法、数值分析法以及反分析法。系统控制是将地质、工程与环境视为一个相互作用的系统，应用控制论、系统论等理论方第25卷增2廖少明等.盾构近距离施工的IMC-PID控制模型研究•4133•法达到满足施工控制的目的[3]。目前有关智能控制的定义、理论、结构等尚无统一的系统描述。1971年著名学者K.S.Fu从发展学习控制的角度正式提出智能控制这个新兴的学科领域。随着智能控制的广泛应用，一些学者对盾构法工程的智能控制进行了研究。九井邦登等(1987年)将卡尔曼滤波理论应用于盾构控制，使用的数学模型是建立在统计的基础上的自回归模型，由于计算非常繁杂，并且要进行大量的回归工作，它的适用性受到很大限制。桑原洋等(1988年)讨论了模糊控制在盾构掘进中的适用性，在以往工程经验的基础上得到模糊控制规则，并提出了“单向推进度”的概念。国内部分学者[3，4]以上海软土隧道施工的经验为基础，研制开发了面向盾构掘进对周围环境影响和防治的专家系统，在工程实践中取得了良好的效果。李建华[5]采用模糊–随机制论预测盾构施工引起的地层移动，基于随机场理论、随机有限元、模糊概率测度和数理统计方法，对软土隧道工程中的不确定性问题进行了较深入的探讨。白李妍和张弥[6]以地表最大允许沉降值作为目标控制值，采用系统优化方法设计了一个用于制定隧道工程环境影响控制策略(施工技术措施)的动态优化模型，但仍以力学数值模型为基础，是一种间接控制。2控制对象模型分析在目前盾构施工变形的人工控制中，工程技术人员根据以往的实践经验，已明确了以下两点基本的控制策略：(1)调整盾构土仓压力值来稳定开挖面，从而对盾构正面稳定性及前方的变形起到控制作用；(2)调整盾构尾部的同步注浆参数(注浆量和注浆压力)来弥补由于盾尾建筑空隙等原因产生的地层损失，从而减小盾尾附近的沉降值。为了实现盾构施工变形控制，必须根据事先监测到的数据，通过反馈调整盾构施工参数来实现对变形的控制。考虑到土压力与注浆参数的相对独立性，可以将控制系统简化为两个单输入单输出的子系统及一个系统协调控制器，即盾前变形控制器、盾后变形控制器及协调控制器。首先研究前两个单输入单输出控制对象。针对盾构施工的特点，以隧道环号为横轴(即采样周期为一环)，测点处的变形为纵轴，这样就可以将盾构施工的对象转化为传递函数模型，并用时域方法进行分析。根据盾构近距离穿越施工的不同阶段(穿越前、穿越时和穿越后)分别建立相应阶段的土压力差(实测土仓压力与通过理论计算得到的基准土压力之间的差值)、同步注浆参数与临近隧道变形的控制模型，从而为模糊控制器的论域分割和控制器参数设计打下基础。2.1控制对象模型及参数辨识单输入单输出模型的系统结构如图1所示。图1单输入单输出模型结构Fig.1Modelstructurewithsingleinputandoutput图中输入)(ku和输出)(ky是可观测的，其过程模型为)()()(111−−−=zAzBzG(1)其中，nnzazazazazA−−−−−+++++=L33221111)(nnzbzbzbzB−−−−+++=L22111)()(ke为噪声序列，它可以表示为)()()(1kezNkn−=(2)式中：)(1−zN为噪声模型，可以表示为)()()(111−−−=zCzDzN(3)其中，nnzczczczczC−−−−−+++++=L33221111)(nnzdzdzdzD−−−−+++=L22111)(系统模型参数的辨识方法一般采用梯度算法和最小二乘算法两类。由于许多用于系统辩识的方法都可演绎成最小二乘法，因此可以通过最小二乘法将许多辨识方法统一起来。设n阶系统的输入输出方程为·4134·岩石力学与工程学报2006年+−=−++−+)1()()1()(11kubnkyakyakynL)()()2(2knnkubkubn+−++−L(4)写为最小二乘格式，即)()()(TknkkY+=θh(5)其中，)()2()1({)(，，，，nkykykyk−−−−−−=LhT)}()2()1(nkukuku−−−，，，L当k=1，2，L，L时，式(5)可构成如下方程组：LLLnHY+=θ(6)其中，TTT)}()2()1({)}()2()1({)}()2()1({LhhhLnnnLyyyLLL，，，，，，，，，LLL===HnY设各待定参数估计值为)21(ˆˆnibaii，，，，L=，那么在时刻k的模型输出值)(kym可按下式求得：+−−−−−−−=)(ˆ)2(ˆ)1(ˆ)(21nkyakyakyakynmL)()(ˆ)2(ˆ)1(ˆ21knnkubkubkubn+−++−+−L(7)估计值)(kym和系统输出观测值)(ky之残差)(ke为)()()(kykykem−=(8)写成向量形式：)(ˆ)()()(Tkkkkθhye−=(9)其中，T11}ˆˆˆˆ{)(ˆnnbbaak，，，，，LL=θ衡量误差大小的准则函数为[]∑∑===−=LiLikkJ11T2Tˆ)()()ˆ(eehyθθ(10)将准则函数写为矩阵形式：)ˆ()ˆ()ˆ(TθθθLLLLHYHYJ−−=(11)设LSθθˆˆ=，则)ˆ(θJ最小，即0=∂∂LSJθθθˆˆ)ˆ((12)将式(11)代入式(12)可得，当LLHHT非奇异时，有LLLLLSYHHHT1T)(ˆ−=θ(13)由此就可得到控制对象各待定参数的估计。下文以上海轨道交通明珠二期张扬路—浦电路区间隧道施工为工程背景，通过实测数据对各控制对象进行具体分析和参数识别。2.2土压力差与地表变形的输入输出(IO)模型为了研究土压力差对已建隧道变形的影响，对于已建的隧道分别选取穿越前、穿越时和穿越后3个测点进行研究，并获得相应的3个控制对象模型。(1)盾构穿越前(approachobject，AO)控制模型选取邻近隧道穿越前测点XCJ20(对应工况为151环)为观测点，其土压力差与邻近隧道变形的关系实测数据如图2所示。环号图2盾构穿越前测点XCJ20处土压力差与邻近隧道变形实测图Fig.2UnbalancedpressureandtunneldeformationofmeasuringpointXCJ20beforeshieldarrival选取140～167环的土压力差为模型输入，邻近隧道变形为输出。利用系统辨识，可以得到AO控制模型为)()()()()(tetuzBtyzA+=214830.082.11)(−−+−=zzzA2123015.0605.1)(−−−=zzzB设采用零阶保持器，将此离散模型转化为连续模型：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫++=+=++=+=097.1624.1)(927.14767.0)(33011.080185.0)()()()()()()(22sssCssBsssAtesCtusBtysA(14)式中：)(sC为误差模型，下同。以相对于起点140环的环数差为横轴(以下同)，变形/mm土压力差/MPa第25卷增2廖少明等.盾构近距离施工的IMC-PID控制模型研究•4135•纵轴为变形相对于均值的差值，则可以得到图3所示结果。环号图3隧道变形实测与AO模型输出比较Fig.3MeasureddataandoutputresultsofAOmodel(2)盾构穿越中(passobject，PO)控制模型选取邻近隧道穿越时测点XCJ24(对应工况为158环)为观测点，选取139～175环的土压力差为模型输入，邻近隧道变形为输出，依上同理可得PO连续模型为151.1688.1)(281.26862.0)(19029.040283.0)()()()()()()(22++=+=++=+=sssCssBsssAtesCtusBt