一、引言

在現(xiàn)代工程建設(shè)領(lǐng)域，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)作為一種關(guān)鍵技術(shù)，正發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。無論是大型地下箱涵模具的頂進(jìn)施工，還是橋梁、建筑物的頂升與糾偏作業(yè)，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)都憑借其卓越的性能，為工程項目的順利實施提供了堅實保障。

以大型地下箱涵施工為例，傳統(tǒng)的千斤頂集群頂進(jìn)技術(shù)在面對大噸位、大跨度、大截面積的箱涵時，往往顯得力不從心，難以滿足現(xiàn)代工程施工對高精度、高效率和高安全性的嚴(yán)格要求。而同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，徹底改變了這一局面。它采用液壓缸集群、計算機(jī)控制和同步累積頂進(jìn)的技術(shù)特點，極大地提高了施工的自動化程度，有效縮短了施工周期，顯著增強(qiáng)了工程的安全可靠性，成為了以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)施工技術(shù)的重大突破。

在廣州路下穿京九鐵路隧道工程中，施工團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用了 “智能頂進(jìn)同步控制系統(tǒng)”。面對黏沙地層和營業(yè)線安全的雙重壓力，該系統(tǒng)通過 12 臺 400 噸油頂和激光位移傳感器，實現(xiàn)了毫米級精度控制，最終軸線偏差不超過一張 A4 紙的厚度，遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，通過優(yōu)化工藝和強(qiáng)化管理，項目比原計劃提前 45 天完成頂進(jìn)任務(wù)，為后續(xù)施工爭取了寶貴時間 ，有力推動了該重點民生工程的順利進(jìn)行。

由此可見，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工程建設(shè)中具有舉足輕重的地位。為了更深入地了解其工作原理和運行機(jī)制，有必要對其體系結(jié)構(gòu)展開全面而深入的探討。

二、三級分層集中控制方式總覽

同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)采用的 3 級分層集中控制方式，猶如一套精密的指揮體系，為整個系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行奠定了堅實基礎(chǔ)。這種控制方式將系統(tǒng)劃分為遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層、中轉(zhuǎn)層和現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層三個層次，每個層次各司其職，又緊密協(xié)作，共同完成同步頂進(jìn)的控制任務(wù)。

遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層作為整個系統(tǒng)的 “大腦”，承擔(dān)著任務(wù)管理和調(diào)度的核心職責(zé)。主控制器和主控計算機(jī)在這里發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它們?nèi)缤?jīng)驗豐富的指揮官，對整個系統(tǒng)的運行進(jìn)行全面把控。操作人員可以通過主控制器和主控計算機(jī)，便捷地進(jìn)行箱涵模具頂進(jìn)的各項控制操作，無論是啟動、停止，還是速度調(diào)節(jié)、姿態(tài)調(diào)整，都能精準(zhǔn)下達(dá)指令。同時，主控制器和主控計算機(jī)還與監(jiān)視計算機(jī)相連，就像為指揮官配備了一雙敏銳的 “眼睛”，能夠?qū)崟r監(jiān)控箱涵模具頂進(jìn)的運行狀態(tài)。通過交互的人機(jī)界面，系統(tǒng)將箱涵模具當(dāng)前的頂進(jìn)狀態(tài)和控制參數(shù)清晰地展示出來，如頂進(jìn)速度、位移量、油壓等關(guān)鍵信息一目了然，方便操作人員隨時掌握情況，做出決策 。

中轉(zhuǎn)層則扮演著 “橋梁” 和 “中繼站” 的重要角色，在遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層和現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層之間架起了溝通的橋梁。每臺中轉(zhuǎn)控制器分別與 5 臺液壓泵站控制器相連接，同時與 2 只容柵位移傳感器相連，形成了一個高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。它一方面接收從液壓泵站控制器傳送的液壓缸狀態(tài)信號、油壓信號以及容柵傳感器檢測的箱涵模具測量點位移等數(shù)據(jù)，就像一位信息收集員，將來自現(xiàn)場的各種信息匯聚起來；另一方面，中轉(zhuǎn)控制器又與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，及時向主控制器發(fā)送液壓缸狀態(tài)、油壓、箱涵模具測量點位移等信號，同時接收主控制器下達(dá)的控制步序號、位移差值、比例－積分－微分（PID）初值及增益、變頻電機(jī) PWM 調(diào)節(jié)值等控制信號。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后，中轉(zhuǎn)控制器再將這些控制信號準(zhǔn)確地輸出給對應(yīng)的液壓泵站控制器，實現(xiàn)了控制信號的高效傳遞和協(xié)調(diào)，極大地提高了控制效率和可靠性 。

現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層是整個控制系統(tǒng)的 “執(zhí)行者”，包括液壓泵站控制器、液壓泵站、頂進(jìn)液壓缸和油壓傳感器等設(shè)備。這些設(shè)備如同戰(zhàn)場上的士兵，嚴(yán)格按照上級指令執(zhí)行任務(wù)。液壓泵站控制器負(fù)責(zé)控制液壓泵站的運行，它可以與對應(yīng)的中轉(zhuǎn)控制器實時交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液壓泵站相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和上傳，同時根據(jù)接收到的控制信號對液壓泵站進(jìn)行自動控制，也可以在必要時進(jìn)行手動控制，如啟動液壓泵、控制頂進(jìn)液壓缸的伸縮和流量調(diào)節(jié)等。液壓泵站為頂進(jìn)液壓缸提供動力，頂進(jìn)液壓缸則直接作用于箱涵模具，推動其前進(jìn)。油壓傳感器實時監(jiān)測油壓信號，并將其反饋給液壓泵站控制器和中轉(zhuǎn)控制器，為系統(tǒng)的控制提供重要依據(jù) 。

這種 3 級分層集中控制方式，通過各層次之間的緊密配合和高效協(xié)作，實現(xiàn)了同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的智能化、自動化控制。它不僅提高了施工的精度和效率，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為大型地下箱涵等工程的順利施工提供了有力保障。

三、遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層：掌控全局的大腦

（一）組成與功能

遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層作為同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的核心中樞，猶如人類大腦對身體各項機(jī)能的掌控，其組成與功能至關(guān)重要。這一層主要由 1 臺主控制器和主控計算機(jī)構(gòu)成 ，它們共同承擔(dān)起整個系統(tǒng)的任務(wù)管理和調(diào)度重任，是整個系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵所在。

主控制器就像是一位經(jīng)驗豐富、決策果斷的指揮官，具備強(qiáng)大的邏輯運算和控制能力。它時刻關(guān)注著系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，對來自各個方面的信息進(jìn)行快速分析和處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法，精準(zhǔn)地發(fā)出各種控制指令。這些指令如同指揮官下達(dá)的作戰(zhàn)命令，指導(dǎo)著整個系統(tǒng)的運行，確保每個任務(wù)都能有條不紊地進(jìn)行 。

主控計算機(jī)則是整個系統(tǒng)的信息處理中心，它擁有高性能的處理器和大容量的內(nèi)存，能夠快速處理海量的數(shù)據(jù)。主控計算機(jī)與主控制器緊密協(xié)作，一方面接收主控制器傳來的各種數(shù)據(jù)和指令，進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理；另一方面，它還負(fù)責(zé)與操作人員進(jìn)行交互，為操作人員提供一個便捷、直觀的操作界面。操作人員可以通過主控計算機(jī)，輕松地對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，實現(xiàn)各種復(fù)雜的操作任務(wù) 。

在箱涵模具頂進(jìn)的過程中，主控制器和主控計算機(jī)負(fù)責(zé)對頂進(jìn)的速度、方向、力度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確控制。它們根據(jù)預(yù)先設(shè)定的頂進(jìn)方案，實時調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，確保箱涵模具按照預(yù)定的軌跡和速度順利頂進(jìn)。當(dāng)遇到突發(fā)情況時，如土壤阻力突然增大、箱涵模具出現(xiàn)偏移等，主控制器和主控計算機(jī)能夠迅速做出反應(yīng)，及時調(diào)整控制策略，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行應(yīng)對，保證頂進(jìn)過程的安全和穩(wěn)定 。

（二）人機(jī)交互與數(shù)據(jù)處理

主控制器和主控計算機(jī)與監(jiān)視計算機(jī)的連接，構(gòu)建起了一個高效的人機(jī)交互與數(shù)據(jù)處理平臺。通過以太網(wǎng)等通信方式，它們之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸和共享，為操作人員提供了全方位的監(jiān)控和管理手段 。

監(jiān)視計算機(jī)就像是一雙敏銳的眼睛，實時關(guān)注著箱涵模具頂進(jìn)的運行狀態(tài)。它通過與主控制器和主控計算機(jī)的連接，獲取到箱涵模具當(dāng)前的頂進(jìn)狀態(tài)和控制參數(shù)等關(guān)鍵信息，并將這些信息以直觀、清晰的方式展示在操作人員面前。監(jiān)視計算機(jī)通常配備有高分辨率的顯示屏和人性化的操作界面，操作人員可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備，輕松地對系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制 。

在人機(jī)界面上，各種數(shù)據(jù)和信息以圖表、曲線、數(shù)字等形式呈現(xiàn)，一目了然。操作人員可以實時查看箱涵模具的頂進(jìn)速度、位移量、油壓等參數(shù)的變化情況，還可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，了解頂進(jìn)過程的全貌。通過人機(jī)界面，操作人員還可以對系統(tǒng)進(jìn)行各種設(shè)置和調(diào)整，如修改頂進(jìn)參數(shù)、啟動或停止某個設(shè)備等，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的靈活控制 。

系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄和存儲功能。主控制器和主控計算機(jī)將箱涵模具頂進(jìn)過程中的所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了詳細(xì)記錄，并存儲在大容量的硬盤或其他存儲設(shè)備中。這些數(shù)據(jù)不僅為后續(xù)的工程分析和總結(jié)提供了重要依據(jù)，還可以用于故障診斷和追溯，幫助技術(shù)人員快速定位和解決問題 。

在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，通過遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層的人機(jī)交互界面，操作人員能夠?qū)崟r掌握箱涵模具的頂進(jìn)情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)速度出現(xiàn)異常波動時，操作人員立即通過人機(jī)界面查看相關(guān)數(shù)據(jù)，并與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行對比分析。根據(jù)分析結(jié)果，操作人員迅速在人機(jī)界面上調(diào)整了頂進(jìn)參數(shù)，下達(dá)了新的控制指令。主控制器和主控計算機(jī)接收到指令后，及時對液壓泵站和頂進(jìn)液壓缸進(jìn)行控制，使箱涵模具的頂進(jìn)速度恢復(fù)正常，確保了工程的順利進(jìn)行 。

四、中轉(zhuǎn)層：承上啟下的關(guān)鍵樞紐

（一）硬件構(gòu)成

中轉(zhuǎn)層在同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)中占據(jù)著承上啟下的關(guān)鍵位置，其硬件構(gòu)成是實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸與控制信號協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。這一層主要由 2 臺中轉(zhuǎn)控制器組成，它們就像兩個繁忙的交通樞紐，將來自不同方向的信息進(jìn)行匯聚、整理和轉(zhuǎn)發(fā) 。

每臺中轉(zhuǎn)控制器分別與 5 臺液壓泵站控制器相連接，這種連接方式構(gòu)建了一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。液壓泵站控制器負(fù)責(zé)控制液壓泵站的運行，它們實時采集液壓泵站的各種數(shù)據(jù)，如液壓缸的工作狀態(tài)、油壓等信息。中轉(zhuǎn)控制器通過與液壓泵站控制器的連接，能夠及時獲取這些數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了豐富的信息來源 。

中轉(zhuǎn)控制器還分別與 2 只容柵位移傳感器相連。容柵位移傳感器作為一種高精度的測量設(shè)備，能夠?qū)崟r檢測箱涵模具的位移信號。中轉(zhuǎn)控制器通過與容柵位移傳感器的連接，獲取箱涵模具測量點的位移數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于精確控制箱涵模具的頂進(jìn)位置和姿態(tài)至關(guān)重要 。

在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，中轉(zhuǎn)層的硬件設(shè)備穩(wěn)定運行，為整個同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的正常工作提供了有力支持。2 臺中轉(zhuǎn)控制器準(zhǔn)確地接收來自 10 臺液壓泵站控制器和 4 只容柵位移傳感器的數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)的及時傳輸和處理，使得工程能夠順利進(jìn)行 。

（二）數(shù)據(jù)通信與協(xié)調(diào)作用

中轉(zhuǎn)控制器在同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)中，猶如一位經(jīng)驗豐富的協(xié)調(diào)員，在數(shù)據(jù)通信與協(xié)調(diào)方面發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用 。

中轉(zhuǎn)控制器承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收的重任。它接收從液壓泵站控制器傳送的液壓缸狀態(tài)信號、油壓信號以及容柵傳感器檢測的箱涵模具測量點位移等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)反映了現(xiàn)場設(shè)備的實時運行狀態(tài)，是系統(tǒng)進(jìn)行精確控制的重要依據(jù)。中轉(zhuǎn)控制器就像一個信息收集站，將這些來自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)匯聚起來，為后續(xù)的分析和處理做好準(zhǔn)備 。

中轉(zhuǎn)控制器與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將接收到的數(shù)據(jù)及時發(fā)送給主控制器。這些數(shù)據(jù)包括液壓缸狀態(tài)、油壓、箱涵模具測量點位移、當(dāng)前步序號反饋、脈寬調(diào)制（PWM）值以及報警等信號。主控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行評估和決策，下達(dá)相應(yīng)的控制指令 。

中轉(zhuǎn)控制器還從主控制器接收控制步序號、位移差值、比例－積分－微分（PID）初值及增益、變頻電機(jī) PWM 調(diào)節(jié)值等控制信號。在接收到這些控制信號后，中轉(zhuǎn)控制器通過對數(shù)據(jù)的深入分析處理，將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的液壓泵站控制器能夠識別的控制信號，并準(zhǔn)確地輸出給液壓泵站控制器。通過這樣的過程，中轉(zhuǎn)控制器實現(xiàn)了控制信號的高效傳遞和協(xié)調(diào)，確保了現(xiàn)場設(shè)備能夠按照主控制器的指令準(zhǔn)確運行 。

在箱涵模具頂進(jìn)過程中，當(dāng)箱涵模具出現(xiàn)偏移時，容柵位移傳感器檢測到位移偏差數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給中轉(zhuǎn)控制器。中轉(zhuǎn)控制器迅速將這一數(shù)據(jù)連同其他相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。主控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出需要調(diào)整的控制參數(shù)，如位移差值、PID 增益等，并將這些控制信號發(fā)送給中轉(zhuǎn)控制器。中轉(zhuǎn)控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，將控制信號輸出給對應(yīng)的液壓泵站控制器，液壓泵站控制器根據(jù)控制信號調(diào)整液壓泵站的運行，控制頂進(jìn)液壓缸的伸縮，從而實現(xiàn)對箱涵模具姿態(tài)的調(diào)整，使其恢復(fù)到正確的頂進(jìn)軌跡 。

中轉(zhuǎn)控制器通過高效的數(shù)據(jù)通信與協(xié)調(diào)作用，將眾多的測量信號和控制信號進(jìn)行了良好的整合與協(xié)調(diào)，極大地提高了同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的控制效率和可靠性。它是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行、實現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為大型地下箱涵等工程的順利施工提供了堅實的技術(shù)保障 。

五、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層：系統(tǒng)指令的執(zhí)行者

（一）設(shè)備組成

現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層作為同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，是將控制指令轉(zhuǎn)化為實際動作的關(guān)鍵所在。這一層主要由液壓泵站控制器、液壓泵站、頂進(jìn)液壓缸和油壓傳感器等設(shè)備組成，它們相互協(xié)作，共同完成箱涵模具的頂進(jìn)任務(wù) 。

液壓泵站控制器是現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層的核心控制設(shè)備之一，它如同一位精準(zhǔn)的指揮官，負(fù)責(zé)對液壓泵站進(jìn)行精確控制。在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，共使用了 10 臺液壓泵站控制器，每臺液壓泵站控制器分別對應(yīng)控制 1 臺液壓泵站。這些控制器具備強(qiáng)大的運算和控制能力，能夠根據(jù)接收到的控制信號，迅速做出響應(yīng)，實現(xiàn)對液壓泵站的各種操作控制 。

液壓泵站則是整個系統(tǒng)的動力源泉，為頂進(jìn)液壓缸提供穩(wěn)定的高壓油，使其能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的推力，推動箱涵模具前進(jìn)。每臺液壓泵站上都安裝有 1 臺液壓泵站控制器和 1 只油壓傳感器，形成了一個緊密協(xié)作的工作單元。在實際工作中，液壓泵站通過內(nèi)部的液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，產(chǎn)生高壓油，然后通過管道將高壓油輸送到頂進(jìn)液壓缸中 。

頂進(jìn)液壓缸是直接作用于箱涵模具的執(zhí)行部件，它就像一個大力士，憑借強(qiáng)大的推力推動箱涵模具按照預(yù)定的軌跡頂進(jìn)。在箱涵頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)液壓缸的伸縮動作直接決定了箱涵模具的頂進(jìn)位移和速度。通過控制頂進(jìn)液壓缸的工作狀態(tài)，如伸縮速度、推力大小等，可以精確控制箱涵模具的頂進(jìn)過程 。

油壓傳感器作為系統(tǒng)的 “壓力監(jiān)測員”，實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)中的油壓信號，并將這些信號反饋給液壓泵站控制器和中轉(zhuǎn)控制器。油壓傳感器利用壓阻效應(yīng)，將油壓的變化轉(zhuǎn)化為電信號，然后通過信號傳輸線路將這些電信號傳輸給相關(guān)設(shè)備。在某工程中，當(dāng)油壓傳感器檢測到油壓異常升高時，會立即將信號反饋給液壓泵站控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法，采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整液壓泵的轉(zhuǎn)速、控制閥門的開度等，以保證液壓系統(tǒng)的正常運行 。

（二）控制方式與數(shù)據(jù)交互

液壓泵站控制器具備手動和自動兩種控制方式，為系統(tǒng)的操作提供了靈活性和可靠性 。

在手動控制模式下，操作人員可以通過控制器上的操作按鈕，直接對液壓泵站進(jìn)行控制。例如，操作人員可以手動啟動或停止液壓泵，控制頂進(jìn)液壓缸的伸縮動作，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量等。這種控制方式在設(shè)備調(diào)試、維護(hù)以及一些特殊情況下非常實用，操作人員可以根據(jù)實際情況，靈活地對設(shè)備進(jìn)行操作 。

在自動控制模式下，液壓泵站控制器則根據(jù)中轉(zhuǎn)控制器發(fā)送的控制信號，自動對液壓泵站進(jìn)行控制。中轉(zhuǎn)控制器與液壓泵站控制器之間通過數(shù)據(jù)通信線路實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換。中轉(zhuǎn)控制器接收從液壓泵站控制器傳送的液壓缸狀態(tài)信號、油壓信號等數(shù)據(jù)，同時向液壓泵站控制器發(fā)送控制步序號、位移差值、比例－積分－微分（PID）初值及增益、變頻電機(jī) PWM 調(diào)節(jié)值等控制信號 。

液壓泵站控制器接收到這些控制信號后，會對其進(jìn)行分析和處理，然后根據(jù)控制信號的要求，對液壓泵站的各個部件進(jìn)行精確控制。例如，當(dāng)中轉(zhuǎn)控制器發(fā)送來調(diào)整頂進(jìn)速度的控制信號時，液壓泵站控制器會根據(jù)信號中的要求，調(diào)整變頻電機(jī)的 PWM 調(diào)節(jié)值，從而改變液壓泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)輸出流量的控制，進(jìn)而調(diào)整頂進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度，達(dá)到控制箱涵模具頂進(jìn)速度的目的 。

在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，當(dāng)箱涵模具需要按照預(yù)定的速度和軌跡頂進(jìn)時，液壓泵站控制器在自動控制模式下，能夠準(zhǔn)確地接收中轉(zhuǎn)控制器發(fā)送的控制信號，并根據(jù)這些信號對液壓泵站進(jìn)行精確控制。通過實時監(jiān)測液壓缸的狀態(tài)和油壓信號，液壓泵站控制器能夠及時調(diào)整控制策略，確保箱涵模具的頂進(jìn)過程平穩(wěn)、精確，滿足工程施工的要求 。

通過手動和自動兩種控制方式以及與中轉(zhuǎn)控制器的高效數(shù)據(jù)交互，液壓泵站控制器保證了現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層的穩(wěn)定運行，為同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的精確控制提供了有力支持 。

六、同步頂進(jìn)控制的實現(xiàn)機(jī)制

（一）參數(shù)修正與速度控制

同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)宛如一臺精密的儀器，能夠依據(jù)容柵傳感器檢測的箱涵模具位移信號和油壓傳感器的油壓（推力）信號，實時對頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行修正，確保整個頂進(jìn)過程的精準(zhǔn)與穩(wěn)定。

容柵傳感器作為位移檢測的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理基于容柵的電容變化。當(dāng)箱涵模具發(fā)生位移時，容柵傳感器內(nèi)部的電容隨之改變，通過對這種電容變化的精確測量和轉(zhuǎn)換，就可以得到箱涵模具的實時位移數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被迅速傳輸至控制系統(tǒng)，為頂進(jìn)參數(shù)的調(diào)整提供了重要依據(jù) 。

油壓傳感器則專注于監(jiān)測液壓系統(tǒng)中的油壓信號，它利用壓阻效應(yīng)，將油壓的變化轉(zhuǎn)化為電信號。當(dāng)液壓系統(tǒng)的油壓發(fā)生波動時，油壓傳感器能夠敏銳地捕捉到這些變化，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號傳輸給控制系統(tǒng)。油壓信號反映了頂進(jìn)過程中所受到的阻力大小，對于判斷頂進(jìn)狀態(tài)和調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)具有重要意義 。

控制系統(tǒng)在接收到位移信號和油壓信號后，會進(jìn)行一系列復(fù)雜而精準(zhǔn)的分析和處理。它會根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法，如比例－積分－微分（PID）控制算法，對頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實時修正。PID 控制算法通過對偏差的比例、積分和微分運算，能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)整控制量，使系統(tǒng)的輸出更加穩(wěn)定和精確 。

在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，當(dāng)箱涵模具在頂進(jìn)過程中遇到土壤阻力突然增大的情況時，油壓傳感器檢測到油壓迅速上升，并將這一信號反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的 PID 控制算法，對頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。它首先增加了頂進(jìn)液壓缸的推力，以克服增大的土壤阻力；同時，根據(jù)容柵傳感器檢測到的位移信號，適當(dāng)降低了頂進(jìn)速度，確保箱涵模具能夠平穩(wěn)地繼續(xù)頂進(jìn)，避免因過大的推力和速度導(dǎo)致箱涵模具姿態(tài)失控 。

在速度控制方面，系統(tǒng)通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)輸出流量，從而實現(xiàn)對頂進(jìn)液壓缸推進(jìn)速度的精確控制。變頻電機(jī)是一種高效的調(diào)速設(shè)備，它通過改變電源的頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)中，變頻電機(jī)與液壓泵相連，當(dāng)控制系統(tǒng)根據(jù)頂進(jìn)參數(shù)的需求調(diào)整變頻電機(jī)的頻率時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之改變，進(jìn)而帶動液壓泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。液壓泵轉(zhuǎn)速的改變直接影響了液壓系統(tǒng)的輸出流量，而液壓系統(tǒng)的輸出流量又決定了頂進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度 。

通過這種方式，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的施工工況和頂進(jìn)要求，靈活、精確地調(diào)整頂進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度，實現(xiàn)箱涵模具的同步推進(jìn)和負(fù)載均衡。在箱涵模具開始頂進(jìn)時，為了確保其平穩(wěn)啟動，系統(tǒng)會控制變頻電機(jī)以較低的頻率運行，使液壓系統(tǒng)輸出較小的流量，從而使頂進(jìn)液壓缸以較慢的速度推進(jìn)箱涵模具；當(dāng)箱涵模具進(jìn)入正常頂進(jìn)階段后，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的頂進(jìn)速度和實際的頂進(jìn)情況，適當(dāng)提高變頻電機(jī)的頻率，增加液壓系統(tǒng)的輸出流量，使頂進(jìn)液壓缸以設(shè)定的速度穩(wěn)定推進(jìn)箱涵模具 。

在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，施工團(tuán)隊根據(jù)工程要求，設(shè)定了箱涵模具的頂進(jìn)速度為每分鐘 5 厘米。在頂進(jìn)過程中，控制系統(tǒng)通過容柵傳感器和油壓傳感器實時監(jiān)測箱涵模具的位移和油壓信號。當(dāng)發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)速度出現(xiàn)波動時，控制系統(tǒng)立即對變頻電機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)整。如果頂進(jìn)速度過快，控制系統(tǒng)會降低變頻電機(jī)的頻率，減少液壓系統(tǒng)的輸出流量，使頂進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度減慢；如果頂進(jìn)速度過慢，控制系統(tǒng)則會提高變頻電機(jī)的頻率，增加液壓系統(tǒng)的輸出流量，使頂進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度加快。通過這種實時的調(diào)整和控制，箱涵模具始終保持在設(shè)定的頂進(jìn)速度附近，實現(xiàn)了同步推進(jìn)和負(fù)載均衡，確保了工程的順利進(jìn)行 。

（二）糾偏與姿態(tài)調(diào)整

在箱涵模具的頂進(jìn)過程中，由于各種復(fù)雜因素的影響，如土壤質(zhì)地不均勻、頂進(jìn)力分布不均衡等，箱涵模具可能會出現(xiàn)偏移、傾斜等姿態(tài)異常情況。為了確保箱涵模具能夠按照預(yù)定的軌跡順利頂進(jìn)，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)具備了強(qiáng)大的糾偏與姿態(tài)調(diào)整功能 。

系統(tǒng)通過控制兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量來實現(xiàn)糾偏操作。當(dāng)容柵傳感器檢測到箱涵模具出現(xiàn)偏移時，它會迅速將這一位移偏差信號傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)接收到信號后，會立即對偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，計算出需要調(diào)整的頂進(jìn)量差值 。

以箱涵模具向左側(cè)偏移為例，控制系統(tǒng)會根據(jù)計算結(jié)果，控制右側(cè)液壓缸增加頂進(jìn)量，而左側(cè)液壓缸則適當(dāng)減少頂進(jìn)量。通過這種方式，在兩側(cè)液壓缸不同頂進(jìn)量的作用下，箱涵模具會受到一個向右的扭轉(zhuǎn)力，從而逐漸糾正偏移，恢復(fù)到正確的頂進(jìn)軌跡 。

在實際操作中，控制系統(tǒng)會根據(jù)偏差的大小和方向，精確地控制兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量。如果偏差較小，控制系統(tǒng)會微調(diào)兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量，使箱涵模具緩慢地回歸正軌；如果偏差較大，控制系統(tǒng)則會加大兩側(cè)液壓缸頂進(jìn)量的差值，快速糾正箱涵模具的偏移，確保其頂進(jìn)姿態(tài)的正確性 。

除了控制頂進(jìn)量進(jìn)行糾偏外，系統(tǒng)還會綜合考慮其他因素，如油壓信號、頂進(jìn)速度等，對箱涵模具的頂進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行全面調(diào)整。在某大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，當(dāng)箱涵模具出現(xiàn)偏移時，控制系統(tǒng)不僅根據(jù)容柵傳感器的位移偏差信號調(diào)整了兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量，還參考了油壓傳感器檢測到的油壓信號。由于土壤質(zhì)地不均勻，導(dǎo)致箱涵模具兩側(cè)的阻力不同，油壓信號也有所差異。控制系統(tǒng)根據(jù)這些油壓信號，對兩側(cè)液壓缸的推力進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，使兩側(cè)的頂進(jìn)力更加均衡，進(jìn)一步輔助了箱涵模具的糾偏和姿態(tài)調(diào)整 。

為了確保糾偏和姿態(tài)調(diào)整的準(zhǔn)確性和及時性，系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的控制算法和技術(shù)。如基于模糊控制的糾偏算法，它能夠根據(jù)不同的偏差情況和工況條件，自動調(diào)整控制策略，使糾偏過程更加智能化和高效。模糊控制算法通過對偏差、偏差變化率等多個因素的模糊化處理和推理，能夠快速、準(zhǔn)確地給出控制量，實現(xiàn)對箱涵模具頂進(jìn)姿態(tài)的精確控制 。

通過控制兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量進(jìn)行糾偏以及綜合考慮多種因素對頂進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)有效地保證了箱涵模具以正確的姿態(tài)、按照預(yù)定的軌跡順利頂進(jìn)，為大型地下箱涵等工程的高質(zhì)量施工提供了有力保障 。

七、系統(tǒng)優(yōu)勢與應(yīng)用前景

（一）優(yōu)勢總結(jié)

同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工程建設(shè)中展現(xiàn)出了諸多顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使其在各類工程項目中脫穎而出，成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

該系統(tǒng)在精度控制方面表現(xiàn)卓越。通過容柵傳感器和油壓傳感器的協(xié)同工作，能夠?qū)崟r獲取箱涵模具的位移信號和油壓信號，為系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)支持。基于這些高精度的傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制算法，如 PID 控制算法，對頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實時修正，實現(xiàn)了對頂進(jìn)速度和位置的精確控制。在廣州路下穿京九鐵路隧道工程中，通過 12 臺 400 噸油頂和激光位移傳感器實現(xiàn)毫米級精度控制，最終軸線偏差不超過一張 A4 紙的厚度，遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充分彰顯了其高精度控制的能力 。

同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)具有高度的可靠性。三級分層集中控制方式的設(shè)計，使得系統(tǒng)各部分之間分工明確、協(xié)作緊密。遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層作為系統(tǒng)的核心大腦，負(fù)責(zé)整體的任務(wù)管理和調(diào)度，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；中轉(zhuǎn)層則像一個可靠的橋梁，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效傳輸和協(xié)調(diào)，保證了控制信號的準(zhǔn)確傳達(dá)；現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層嚴(yán)格執(zhí)行控制指令，各設(shè)備之間相互配合，共同完成頂進(jìn)任務(wù)。系統(tǒng)還具備完善的故障診斷和報警功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性 。

自動化程度高是該系統(tǒng)的又一突出優(yōu)勢。整個頂進(jìn)過程由計算機(jī)自動控制，操作人員只需在遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層通過人機(jī)界面下達(dá)指令，系統(tǒng)就能自動完成頂進(jìn)參數(shù)的調(diào)整、速度控制、糾偏等一系列操作，大大減少了人工干預(yù)，提高了工作效率，降低了人為因素帶來的風(fēng)險。在大型地下箱涵頂進(jìn)工程中，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的頂進(jìn)方案，自動控制液壓泵站和頂進(jìn)液壓缸的運行，實現(xiàn)箱涵模具的同步推進(jìn)和負(fù)載均衡，無需人工頻繁操作，有效縮短了施工周期 。

（二）應(yīng)用拓展

鑒于同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的眾多優(yōu)勢，其在不同工程領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

在地下箱涵施工領(lǐng)域，該系統(tǒng)已成為首選技術(shù)。無論是城市地下綜合管廊的建設(shè)，還是鐵路、公路下穿箱涵的施工，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)都能夠憑借其高精度、高可靠性和自動化程度，確保施工的順利進(jìn)行，提高工程質(zhì)量。在上海中環(huán)線工程虹橋路段的管幕法箱涵頂進(jìn)施工中，采用液壓同步頂進(jìn)技術(shù)，成功克服了傳統(tǒng)隧道施工技術(shù)的弊端，實現(xiàn)了箱涵的同步累積頂進(jìn)，為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了有力支持 。

在橋梁工程中，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)也有著重要的應(yīng)用。它可用于橋梁的頂升、平移、糾偏等作業(yè)，確保橋梁在施工和維護(hù)過程中的安全和穩(wěn)定。在橋梁支座更換工程中，通過同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)，可以精確控制橋梁的頂升高度，實現(xiàn)支座的快速、安全更換，減少對交通的影響 。

對于大型建筑物的移位和頂升工程，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在古建筑的整體平移保護(hù)工程中，利用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對建筑物的精確控制，確保在移位過程中建筑物的結(jié)構(gòu)安全和完整性。在現(xiàn)代高層建筑的糾偏扶正工程中，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)建筑物的傾斜情況，實時調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，使建筑物恢復(fù)到正常狀態(tài) 。

展望未來，隨著科技的不斷進(jìn)步和工程需求的日益增長，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)將不斷發(fā)展創(chuàng)新。一方面，系統(tǒng)將朝著更高精度、更高可靠性和更智能化的方向發(fā)展，進(jìn)一步提升控制性能和自動化水平。通過引入人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對施工過程的實時監(jiān)測和智能分析，提前預(yù)測潛在問題并采取相應(yīng)措施，提高施工的安全性和效率 。

另一方面，同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷拓展。隨著城市地下空間的開發(fā)利用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，該系統(tǒng)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如城市地鐵建設(shè)、地下停車場施工等。它還可能與其他先進(jìn)的施工技術(shù)相結(jié)合，形成更加高效、智能的施工解決方案，為推動工程建設(shè)行業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn) 。

八、結(jié)論

同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)以其獨特的 3 級分層集中控制方式，構(gòu)建起一個層次分明、協(xié)同高效的運行體系。遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層如同智慧的大腦，精準(zhǔn)掌控全局；中轉(zhuǎn)層似穩(wěn)固的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令的高效傳遞和協(xié)調(diào)；現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)層則如忠誠的執(zhí)行者，將控制信號轉(zhuǎn)化為實際動作，推動箱涵模具穩(wěn)步前行。

在參數(shù)修正與速度控制方面，系統(tǒng)借助容柵傳感器和油壓傳感器，實時獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過先進(jìn)算法動態(tài)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，實現(xiàn)對頂進(jìn)速度的精確把控，確保箱涵模具的同步推進(jìn)與負(fù)載均衡。而在糾偏與姿態(tài)調(diào)整上，系統(tǒng)巧妙控制兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量，綜合考慮多種因素，運用先進(jìn)算法，有效糾正箱涵模具的偏移，保障其按預(yù)定軌跡順利頂進(jìn)。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢顯著，高精度的控制能力讓施工誤差極小，高度的可靠性為施工安全穩(wěn)定保駕護(hù)航，高自動化程度大幅提升工作效率、縮短施工周期。其應(yīng)用前景也極為廣闊，在地下箱涵、橋梁、大型建筑物等工程領(lǐng)域大顯身手，隨著科技的發(fā)展，還將不斷拓展創(chuàng)新，與更多先進(jìn)技術(shù)融合，為工程建設(shè)行業(yè)注入強(qiáng)大動力，推動行業(yè)邁向更高水平的發(fā)展。