（机械工程专业论文）盾构施工状态参数信息处理及网络化传输系统研究.pdf

摘要 摘要 随着盾构技术的迅速发展，为了进一步满足信息化施工的要求，盾构施 工过程的监控管理的作用日益显得重要，对提高盾构施工质量有着决定性的 影响。 本文结合课题的实际要求，在对当前监控管理的研究现状进行详细调研 的前提下，提出了建立盾构旖工监控管理系统的重要性和必要性。主要研究 内容如下： 首先完成了盾构施工监控管理系统的硬件设计，提出了在施工过程中常 见的监控结构框架，根据不同的硬件特点，选择适合的网络传输方案，完成 了盾构刀盘前方井下控制室地面控制室公司总控制中心之间 及时可靠的数据传输。利用无线网络原理和中心回转接头的改造，实现了把 盾构前方探测雷达数据到传输井下控制室，通过地面控制室p c 与盾构p l c 的通讯，把各种施工参数信息送到地面施工现场，建立基于g p r s 网络的数 据传输平台，达到了施工现场和公司总控制中心之间信息交互的目标，为专 家远程监控提供了条件。 其次运用基于b s 模式和面向对象的方法，开发了操作方便、运行稳定、 易维护及安全性良好的盾构施工监控管理系统软件，在v i s u a lb a s i c 6 0 和 s q ls e r v e r 2 0 0 0 的编程环境下，结合多种编程技术合理的设计了施工参数信 息数据库，并实现了在w e b 上的应用，对盾构施工过程起到了很好的指导 作用。 然后对本系统进行了综合分析，建立了盾构施工参数信息处理模型，对 旅工过程中的预警设置和故障诊断进行了深入研究。 最后对本文作了详细总结，并且对系统今后的研究方向作了展望。 关键词：盾构，监控系统，施工，b s 模式，g p r s 网络 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs h i e l dt e c h n o l o g y , i ti s g e t t i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tt om o n i t o ra n dm a n a g et h ec o n s t r u c t i o no fs h i e l dm a c h i n ef o r s a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n t h ee f f e c t i v em o n i t o r i n g m a n a g e m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o nw i l lp l a yac r i t i c a lr o l et oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ec o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h es i g n i f i c a n c ea n dn e c e s s i t yt ob u i l dm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo f s h i e l dm a c h i n eb a s e do nt h ep a r t i c u l a rr e s e a r c ho ft h i sf i e l d t h em a i nc o n t e n t s o ft h er e s e a r c ha r el i s t e da sf o l l o w f i r s t l y , i td e s i g n e dt h eh a r d w a r eo ft h en e e d s ，a n dc h o s et h er e l i a b l ed a t a t r a n s m i s s i o nn e t w o r km o d ew h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so ft h e c o n s t r u c t i o n s t h en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nf r o mt h ef r o n to fs h i e l dm a c h i n et o u n d e r g r o u n dc o n t r o lr o o m ，f r o mu n d e r g r o u n dc o n t r o lr o o mt og r o u n dc o n t r o l r o o m ，f r o mc o n s t r u c t i o ns c e n et og e n e r a lc o n t r o lc e n t e ro ft h ec o m p a n ya r e a v a i l a b l e t 1 i er a d a rd e t e c t i o nd a 组i nt h ef r o n to fs h i e l dm a c h i n ea c h i e v e dt h e u n d e r g r o u n dc o n t r o lr o o mw i t hw i r e l e s sn e t w o r ka n dt h er e c o n s t r u c t i o no ft h e c e n t r a lr o t a t i n gp a r t ，a n dt h m u g ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ci ng r o u n d c o n t r o lr o o ma n dt h ep l co fs h i e l dm a c h i n e ，w es e n tt h ec o n s t r u c t i o n i n f o r m a t i o nt ot h eg r o u n ds c e n e w eb u i l dad a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r mw i t ht h e b a s eo fg p r sn e t w o r kt o g e tt h ep u r p o s eo fm u t u a lc o n t a c tb e t w e e nt h e c o n s t r u c t i o ns c e n ea n dt h ec o m p a n ya n df o re x p e r t st om o n i t o rr e m o t e l y s e c o n d l y , b a s eo n t h eb sm o d ea n d o b j e c t o r i e n t e dm a n n e r , i ta l s o d e v e l o p e d t h es o f t w a r eo fm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo fs h i e l dm a c h i n e ， w h i c hi so p e r a t e de a s i l y , r u ns t a b l 5m a i n t a i n e de a s i l y , a n dh a sg o o ds e c u r i t y w i t h i nt h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n to fv i s u a lb a s i c6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 ，i t d e s i g n e dt h ed a t a b a s eo fc o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o na n dp u ti n t oa p p l i c a t i o no n w e b t h es y s t e mh a sag o o dg u i d ef u n c t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fs h i e l d 1 1 a b s t r a c t m a c h i n e t h e n ，i tc a r r i e do u tt h es y n t h e s i sa n a l y s i st ot h es y s t e m ，p r o p o s e dt h em o d e l o fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，a n dt h ed e e p l yr e s e a r c ho nb e f o r e h a n da l a r ma n d f a i l u r ed i a g n o s i sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n f i n a l l y , t h e r ea t et h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e ra n dt h er e s e a r c hp r o s p e c to f t h i sf i e l d k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，c o n s t r u c t i o n ，b sm o d e l ， g p r sn e t w o r k 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位敝作者签名：委出 、 。6 年3 月l 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：霎i 矬名 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 繇要幽 ob 年；只 第1 章绪论 1 1 选题意义及课题来源 11 1 课题背景 第1 章绪论 现代社会飞速发展，城市面貌也是曰新月异，然而城市中的地面交通拥堵 及汽车尾气所造成的环境污染问题却日趋严重，于是世界上许多国家和地区的 大型城市都把目光转向地下轨道交通，轨道公共交通体现出的优越性很好地缓 解了地面交通的严重拥挤状况和尾气污染问题“。 自上世纪八十年代始，上海的轨道交通建设得到了巨大的发展，建设规模 越来越大。规划中的上海轨道交通路网共有1 7 条线，总运营里程将达到8 0 0 公 里，而其中市区范围内的基本路网均由地下线路构成。目前，上海轨道交通一 号线、二号线、三号线和四号线已相继投入正式运营；轨道四号线合拢段、二 号线西延伸线、一号线北延伸线、六号线和八号线正在建设；据悉，至2 0 1 0 年 前，上海还将新建轨道交通七号线、十号线、 十一号线、十二号线和十三号线。世博之前， 上海将建成4 0 0 公里以上的轨道交通基本网 络，基本形成一个国际型大都市所拥有的便 捷的公共交通网。就全国范围而言，地铁工 程建设方兴未艾，目前正在建设地铁工程的 j 城市有北京、天津、广州、深圳、南京，武。 汉、重庆，而规划有轨道交通( 包括地铁) 建设工程项目的城市已达二十六个之多。包 括正在筹建中的苏州、杭州、沈阳、成都、 青岛、西安等城市。其中大多采用了盾构法 区间隧道建设工法。除此之外，盾构法隧道 醐1 1 上海隧道交通线路图 施工在诸如地下供水隧道、合流污水管道、供电和通讯电缆隧道、煤气管道等 方面的应用也日渐普及。盾构法以其独特的优越性在城市交通及市政工程中发 挥着作用。据不完全统计，我国今后二十年内，各类隧道所需投入的各类盾构 第1 章绪论 1 1 选题意义及课题来源 111 课题背景 第1 章绪论 现代社会飞速发展，城市面貌也是同新月异，然而城市中的地面交通拥堵 及汽下尾气所造成的环境污染问题却同趋严重，于是世界上许多国家和地区的 大型城市都把目光转向地f 轨道交通，轨道公共交通体现出的优越件很好地缓 解了地【f 【交通的严重拥挤状况和尾气污染问题。 自上世纪八十年代始，上海的轨道变通建设得到了巨大的发展，建设规模 越来越大。规划中的上海轨道交通路网共有1 7 条线，总运营里程将达到8 0 0 公 里，而其中市区范围内的基本路网均由地下线路构成。目前，上海轨道交通一 号线、二号线、三号线和四号线已相继投入诈式运营t 轨道四号线合拢段、二 号线西延伸线、一号线北延伸线、六号线和八号线正在建设；据悉，至2 0 1 0 年 前，上海还将新建轨道交通七号线、十号线、 。 十一号线、十二号线和十j 号线。世博之l ；i ， 上海将建成4 0 0 公里以上的轨道交通基本网 络，基本形成一个国际型大都市所拥有的便 捷的公共交通网。就全国范围而言，地铁工 程建设方兴未艾，目前正在建设地铁工稗的 城市有北京、天津、广卅【、深圳、南京，武 汉、重庆，而规划有轨道交通( 包括地铁) 建设工程项目的城市已达二十六个之多。包 括正在筹建中的苏州、杭卅i 、沈阳、成都、 青岛、西安等城市。其中大多采用了盾构法 区间隧道建设工法。除此之外，盾构法隧道 幽1l 上海隧道交通线路图 施工在诸如地下供水隧道、合流污水管道、供电和通讯电缆隧道、煤气管道等 方面的应用也口渐普及。盾构法以其独特的优越性在城市交通及市政工程中发 挥着作用。据不完全统计，我国今后- 十年内，备类隧道所需投入的各类盾构 挥着作用。据不完全统计，我国今后二十年内，各类隧道所需投入的各类盾构 第l 章绪论 机的总量将达到2 0 0 0 台之多。盾构技术将在我国迅速生根开花并结出硕果”1 。 世界上不少发达国家，如欧美一些国家和f 1 本，较早地在地下隧道施工中 应用了盾构掘进机，由此也带动了科研人员对盾构法施工中引发的各种问题进 行深入的研究，大大推动了盾构法的完善和发展。随着自动控制的广泛应用， 一些学者对盾构掘进的自动控制进行了研究。随着盾构机技术的发展，由手工 操作到辅以计算机监控，机械化施工不断地得到发展和完善，盾构技术也日趋 成熟。近年来，为了实现城市地下隧道_ 旌工的高效及安全性，盾构掘进机的自 动化技术得到了发展。自动化技术应用于盾构法施工的目的之一就是使盾构机 尽量准确地沿着设计路线自动推进，保证尽量小的开挖面扰动，从而保证施工 质量和安全，加快施工进度，节省人力、物力。盾构推进时，其姿态控制的好 坏与周围环境的影响程度有很大的关系。大规模地铁建设的同时也带来了不少 问题。首先，地下工程地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故 的突发性以及对环境影响的控制难度，决定了地下工程建设质量、安全性的控 制和管理的难度比地上工程高得多。 以上海地铁明珠线二期为例，沿线有1 7 个车站，覆盖了徐汇、卢湾、黄埔、 浦东、杨浦、虹口六个区，如何在大规模的地铁建设中，既能保证工程的质量、 安全，又能提高工程建设效率，缩短工程建设周期，成了亟待解决的问题。其 中盾构掘进机姿态的控制是这一目标实现的重要保障。如果控制得好，地下土 体扰动最小，地表的沉陷或隆起就会较小；反之则会引起较大的地表变形，危 及地面构筑物的安全。以前，在对盾构机线形保持进行操作时，大多是依靠操 作者的经验0 3 。盾构的控制受到操作者的能力、身体状况、情绪等个人因素的 影响，控制质量很难保证。随着盾构法向大深度、大断面、长距离发展，再加 上改善施工环境及劳动条件，提高旋工质量避免旌工危险及熟练工人不足等 原因，使得自动化技术的开发成为必需”。 从市场需求上看，我国盾构技术水平仍明显滞后于国民经济建设对盾构机 技术发展的要求，特别是大中型隧道建设所使用的盾构机，主要还是依赖进口。 为满足经济建设的需求，解决燃眉之急，据不完全统计，近年来我国已引进各 类盾构掘进机共计约7 0 台，因此，发展我国的盾构技术己成当务之急，必须在 引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，认真分析制约我国盾构技术发展的 关键性瓶颈技术，并组织力量，联合攻关，以加速我国盾构机的国产化步伐。 需攻克的关键性技术主要体现在盾构施工监控领域中有以下几个方面： 第1 章绪论 1 对盾构旌工前方土层的在线及远程监控技术； 2 对开挖面稳定控制、隧道施工质量监控技术等 3 掘进中导向与监控系统装置的研究； 4 施工中在线工况监测与事故预警系统的研究。 1 1 ，2 课题来源 本课题来自上海地铁盾构设备工程有限公司的盾构科研改造项目：智能信 息化盾构施工辅助系统技术研究。 浚公司是国内唯一一家专业从事为地铁区问隧道掘进提供盾构设备及其相 关服务的公司。公司现拥有各种类型的土压平衡盾构机2 0 台及高精度钢模7 l 套。公司成立以来已为上海市多条轨道交通线路的区间隧道工程建设提供了盾 构设备，其中包括已建成运营的地铁一号线、二号线，以及在建的共和新路高 架工程、明珠线二期和m 8 线工程。公司多工地同时开工的要求，使得建立盾构 监控管理系统显得日益紧迫。 盾构公司丰富的现场施工经验和宝贵的工程数据为本课题的顺利开展奠定 了扎实的技术基础。 1 2 课题研究内容及思路 智能信息化盾构麓工辅助系统技术研究的目的是实现盾构掘进机施工的智 能化和信息化。其预期效果要实现对盾构掘进过程中的姿态测量实现自动化、 对开挖面的地质情况探测实现专家系统化，通过对专家库的处理，为盾构姿态 控制的智能化提供依据，通过自动化测量的数据和地质探测的专家库分析结果 得出正确的盾构姿态，实现盾构姿态控制的智能化，同时将相关数据和信息和 数据利用文字、表格或图像形式利用网络进行传输，实现全程和实时监控即数 据信息网络化。其创新之处在于对盾构姿态的控制是建立在开挖面前方的地质 情况信息，在专家库控制器的分析处理得到控制参数，结合自动测量系统的定 位完成姿态控制操作。 该课题分为以下几个子项目： 姿态测量自动化 第1 章绪论 测量盾构已掘轴线与设计轴线的偏差以便及时纠偏，通过自动测量可以对 测量数据进行全程测量和自动记录，且其测量结果也可以通过网络进行实时观 察和监控。( 非本论文重点，不作赘述) 地质探测专家系统化 利用探地雷达进行开挖面前方的地质情况探测，判断前方土层情况，有利 于对这些异常或特殊的地质进行预警，以便及时作出处理意见，避免出现不必 要的灾难。要对可能出现的地质情况进行预处理和分析，它应具有一定的对比 和分析功能，从而对遇到的地质情况与已掘进施工过程中所记录的数据形成对 比，从而确定控制系统中所需的参数。( 非本论文重点，不作赘述) 姿态控制智能化 姿态的控制不再依赖人为经验，而是利用自动化测量系统得出的纠编量， 通过开挖面前方地质的专家系统的分析，修正纠编量，引入控制器，在掘进过 程中，控制器不断根据纠偏量和专家库提示进行智能修正，从而实现盾构姿态 控制的智能化。 数据信息网络化 为便于对现场情况的掌控，同时减少工作人员在现场的工作量，保证工作 人员的安全性的基础上提高工作效率，对盾构掘进过程的实时监控显得十分有 必要。数据信息网络化就是利用现代网络技术将各施工现场的情况数字化、表 格化、图像化、声音化，将盾构姿态测量结果、地质情况、控制结果和操作提 示表示出来，并利用网络传送到监控中心进行显示和记录，对特殊情况如地质 异常情况进行预警等。利用网络各施工工地可以互相传递数据和图像，保证各 方旖： 的协作正常。 本项目研究包括现有姿态的动态测量、盾构隧道开挖面前方的岩层地质因 素的动态探测，专家系统的判断识别，由控制器形成对隧道掘进姿态的参数， 相应调整盾构姿态，并将相关参数通过网络传给中央控制中心用于实时掌握盾 构施工情况。根据对研究对象和目标的分析，确定本课题包括四个方面的内容， 分别是盾构既有姿态的动态测量、开挖面前方的地质情况探测、盾构姿态的调 整与控制、盾构姿态及旋工状态参数信息的网络化传输。 第1 章绪论 相关影响关系如下图1 2 所示。 1 各施工点的盾构状态的数据、图像、声音的处理l 广 。i 和汇总、显示，监控过程的记录与报告 l l 至_ j t 盾构工作状态及姿态的数据传输地质情况的数据传输控制参数的数据传输 ff _ -一 _ 现有席工状态的定位测量确定盾l j 前面地质条件的动态探“一 通篓烹妻系统韵型粤由柠 构姿态的偏蔗，井提出预警l 测，地质条件的分析处理1制器形成新的控制参数 f l f 已有控制参数进行掘进施工 司向 _ 司 图1 2 各子项目相互关系图 通过监控技术与计算机网络技术相结合，在盾构施工地建立状态监测点， 采集设备状态参数，在监控中心对设备进行分析。盾构监控管理系统的实现既 能使设备的监控更加灵活方便，应用更加广泛，又能实现资源共享，避免重复 开发。 通过对盾构施工法和在线及远程监控技术及其g p r s 传输网络的理解，确 定合适的数据传输方式，确保大容量数据的安全可靠传输，使得指挥中心和现 场的指令传达和信息反馈可以及时、迅速、可靠、安全的到达目的地。 1 3 论文创新点 本文的创新点总结如下： 1 把监控管理系统的各种先进理论及技术运用到盾构现场施工过程中，极 大地提高了施工的信息化程度，成功解决了目前面对如此大规模的多个工程同 时进行施工的问题； 2 提出了盾构施工信息化处理手段和方案，搭建了施工参数信息的数据处 理模型，极大提高了系统运行性能； 3 根据不同的硬件特点和施工要求，系统的介绍了施工参数信息传输的具 体硬件方案； 第1 章绪论 4 提出了通过盾构中心回转接头的改造和无线传输网络原理，完成从盾构 前方探测雷达所获得的土层及障碍物信息，并且建立了基于g p r s 网络的传输方 案及技术思路来实现远程监控； 5 设计了施工参数数据库结构，完成了系统管理软件的程序设计，并实现 在w e b 上的应用。 1 4 本章小结 通过对盾构目前的施工状况的广泛调研和盾构公司的科研具体的要求细致 分析后，提出了本课题的选题依据，对其内容进行了阐述，理清了研究的具体 思路，对本课题完成的创新点做了归纳。 第2 章盾构施丁在线远程传输监控网络化综述 第2 章盾构施工在线远程传输监控网络化综述 2 1 盾构技术概述 隧道掘进机( t u n n e lb o r i n gm a c h i l l e ) 是一种综合了机械制造、新材料、新 工艺、电子信息、自动化等高新技术在内的、专用于地下隧道工程开挖的大型 高科技施工设备，具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对 地表沉降和环境影响小等优点，比之传统的钴爆法隧道旋工具有明显的优势， 有着良好的综合效益，目前正朝着液压和电气自动控制、智能化和多功能化的 方向发展，盾构掘进机( s h i e l d ) 是其中的先进代表“1 。 盾构技术的基本方法简单介绍如下：在隧道的一端建造竖井，以供盾构机 安装就位，盾构机从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线向另一竖 井推进。盾构推进过程中所受到的地层阻力通过液压缸传到盾构尾部的隧道衬 砌结构。盾构每推进一个工作行程，就在盾尾支护下拼装一段衬砌，并及时地 向靠近盾尾后面的地层与衬砌环外周之间的空隙中压注浆液，以防止隧道及地 面下沉，同时不断从开挖面排出土方”1 。 2 1 1 盾构掘进施工过程控制方式 由于盾构在地下工作，掘进过程中会受到土层的各种阻力，为确保盾构能 够j f 常掘进，首先必须由推进系统克服推进过程中所遇的各种阻力，考虑盾构 机具有大功率、变负载和动力远距离传递与控制等特点，其推进系统都采用液 压系统来实现动力的传递、分配与控制。系统主要由设在密封仓隔板后部沿盾 构圆周分布的3 0 台推进液压缸组成，由液压泵提供高压油，加上液压管路和液 压阀件组成系统。液压缸形式有单节和双节两种，均匀分成五组安装，并以分 布圆周圆心为中心成对交叉布置。 在掘进施工中，刀盘需要按照指定的路线轨迹轴向前进，因此刀盘或刀架的 精确进刀与对刀是非常重要的，而被切削的地质比较复杂，整个刀盘盘面受到 地层的阻力往往不均，使刀盘的掘进方向发生偏离，这时就需要通过协调控制 推进液压缸来实现盾构姿态的调整。如上所述，推进系统液压缸数量众多，集 第2 章盾构施工在线远程传输监控网络化综述 中控制较为复杂，为此，采用分组控制，即将为数众多的推进液压缸按圆周均 匀分成a 、b 、c 、d 、e 五组，对每组推进液压缸分别进行控制，通过各分组液 压缸的协调运动来调节盾构机掘进过程中的前倾后仰、左右摆动及其复合方向 上的掘进姿态“。 此外，盾构施工中，同时要保证刀架、中心轴及整个盾构的轴向稳定性， 这就要求推进液压缸在克服掘进反推力的同时，还必须维持恒定的剩余推力。 其不稳定因素来源于地层的不同阻力，使得反推力发生随机变化，需采取相应 的压力控制措施。在盾构掘进过程中，推进系统既要满足推进力的要求又要完 成盾构推进速度的控制要求，因此，单纯的力控制系统或速度控制系统均无法 满足要求，两种控制方案应结合起来共同完成盾构掘进过程中的控制要求，故 此，在系统的独立分组中，普遍采用了压力流量复合控制方式。 从中我们可以得出以下结论：盾构机在掘进过程中，为了满足隧道工程的 施工要求，对推进系统应进行合理的分组协调控制。如实际施工中，往往要求 严格控制推进过程中地表的沉降，这就对系统的推进速度提出较高要求；此外， 由于盾构在地下掘进过程中遇到的地层变化多样，因而水土压力往往连续变化， 为了保持土压平衡，必须针对水土压力及时调整推进液压缸供油压力；再者， 在盾构施工中，隧道轴线与设计曲线的偏差量是衡量盾构施工质量的一个重要 指标，为达到要求，通常需要合理调节推进系统不同分组的推进压力以得到所需 扭转力矩来完成盾构姿态的调整要求。为此，将电液比例控制技术应用于推进 系统，对推进液压缸进行压力流量的复合比例控制。控制原理简图如图2 1 所示 ，压力控制 速度控制1 单一肆r 警攀一陋i ： 一位置环增益调整_ _ jf 比谳 j 电蒗地倒流量b 寸r o l l | f 。_ _ 1i 眢l 图2 1 盾构推进系统控制原理简图 第2 章盾构施工在线远程传输监控网络化综述 2 1 2 盾构施工路线偏差的主要因素及常用纠偏措施 盾构机掘进姿态控制，是指控制盾构在按照已经设计规划好的空间轴线的 允许偏差范围内前进。在盾构实际施工中，应严格保证盾构掘进中的轴线定位 走向与设计轴线尽可能一致，减少盾构纠偏量，从而缓解因盾构纠偏对周围土 层的剪切挤压扰动，也有利于控制盾尾与管片后背间的间隙，减少地层损失， 提高施工质量“1 。 根据实际施工经验，产生隧道轴线走向偏差的主要因素有以下几个方面： a 分组液压缸推力不均衡； b 个别推进液压缸漏油失控； c 开挖面排土不均衡； d 沿环圈注浆压力不对称； e 管片拼装误差； f 工程地质条件出现突变或渐变； g 盾构掘进速度不正常等等。 对姿态控制，往往规定严格的纠偏控制标准，隧道实际掘进轴线与设计轴 线问的偏差，当水平偏差或高程偏差 3 0 m m 时，就需要进行纠偏。针对以上影 响盾构掘进姿态的原因，常用的纠偏措施有： a ) 调整分组液压缸推力： b ) 改进注浆方式和浆液性质； c ) 校正定位管片的倾斜度； d ) 减小一次纠偏的幅度等等。 实际施工中，为了增强控制系统的实时性，最有效的姿态调整方法是调整 盾构推进液压缸推力大小和合力作用点的位置，依此来产生旋转力矩，并根据 需要调整旋转力矩的大小和方向，从而控制盾构的姿态。其控制方案通常分为 人工与自动两种。 在人工方式下，盾构操作者根据姿态测量系统检测到的盾构姿态数据，分 析实际掘进轴线与设计轴线的偏差，协调控制各分组液压缸的压力，完成掘进 姿态的调整。在自动方式下，则采用由数据库、知识库和专家系统构成的掘进 方向自动控制系统，系统流程如下所示： ( 1 ) 数据的提供与数据库的建立自动测量系统每隔2 5 s 收集一次盾构方向 第2 章盾构施工在线远程传输监控网络化综述 和位置数据及盾构的速度、推力等数据，并根据这些数据建立数据库。 ( 2 ) 修正量的确定 根据盾构现在的位置数据，计算与设计线的偏差值( 误差) ，绘出平顺回复 到设计线位置的修正线。然后，按照修正路线计算修正量( 修正偏角) 。 ( 3 ) 扭矩矢量的计算 决定修正量和改变盾构方向的必要扭矩( 旋转力) 时，要分别计算水平方向 扭矩与垂直方向扭矩。计算用旋转扭矩公式( 偏角一旋转公式) 。为了能与围岩变 化相适应，要根据1 0 0 个最新的数据，并用最小二乘法计算出必要的修j 下水平 方向扭矩与垂直方向扭矩，然后合成扭矩矢量。 ( 4 ) 扭矩矢量的修正 控制盾构方向时，必须考虑盾构特点，围岩特性和变化，因此，要根据以 往的数据和经验来决定扭矩修正量。 ( 5 ) 最佳推进液压缸特性曲线的决定 修正扭矩矢量时，需要决定最佳扭矩矢量，从特性曲线记录中检出与此相 当的液压缸特性曲线，并按指令执行。 ( 6 ) 变化量的反馈 为了决定修正量，计算扭矩矢量和修正扭矩矢量，需要把根据执行液压缸 特性曲线的盾构方向的变化量反馈回来以便重新修正。 通过以上分析可知，对于盾构的姿态调整，推进液压缸应具有良好的压力 控制特性。 2 2 施工监控管理中存在问题及发展趋势 2 2 1 存在的问题 随着盾构技术的快速发展，使得盾构施工向复杂化、巨型化、以及多台盾 构同时簏工方向迈进，有鉴于此，为保证盾构系统的正常施工和管理，配备功 能齐全的监控系统不仅必要，而且又是盾构施工管理的重要组成部分。同时， 城市地铁区间隧道，一般都位于繁华地段，周围具有许多重要的建筑物和建筑 设施，在交通路面下埋设有许多重要的管线，不允许发生大的地层变形。目前， 我国各施工企业都加强了工程施工监控与管理工作，但总体上说，施工监控与 第2 章盾构施工在线远程传输监控网络化综述 计算机技术管理的水平，与国外相比尚存在有很大的差距，主要反映在以下几 个方面m ： 1 高新技术应用少 高新技术在地下工程乃至整个建筑行业中的应用都还很薄弱，计算机应用 技术、网络技术、数据库、多媒体、仿真、光纤通信等等高新技术在土建施工 中的应用都不普遍，而各种高技术的综合集成应用在国内则几乎还是空白。 2 作业面实景监控少 现场施工作业面上实际场景的景象监控很少，或这方面根本不做监控。作 为施工技术和管理人员，不能实时、准确地掌握施工作业面上的整体动态，往 往只能依靠现场工作人员的汇报才能获得不完全的相关信息，时间上也不及时。 3 地层变形预测少 由于施工环境的非理想化和人为干预因素的增强，传统的地面沉降预测公 式缺乏可靠性。因此现场对地层变形几乎不作预测，一般只凭经验操作，有时 难免导致严重的地层变形。 4 施工数据和参数采集效率低 实测的土压参数和盾构施工参数，如孔隙水、土压力、地层位移、盾构排 土量、掘进速度、纠偏量等参数的获取及处理的自动化程度低，各种信息、数 据传输和处理的速度慢、效率低，目前仍只能借助于日报表的落后传输形式。 5 理论预测与施工控制的研究脱节 理论预测结果与施工控制还没有有机地结合起来，还没有建立一套对设计、 施工参数做自动调整、控制的系统机制，从而达到有效防治的目的。 针对上述问题，在本项目的研制开发过程中，以期建立一套盾构法隧道施 工的监控管理系统，以实时监测盾构施工中的各个参数和及时预警，对盾构设 备故障进行有效的诊断，并根据已有的盾构法隧道施工引起地层移动的理论， 通过建立数据库及合理的评估算法对地表沉降等重要施工指标进行实时在线预 测，以提高盾构的施工监控与管理水平。 22 2 发展状况及趋势 自九十年代以来，随着材料技术、微电子技术、液压技术、电液控制技术、 遥控技术、激光技术、卫星制导技术、数字摄像等的飞速发展，使盾构掘进机 第2 章盾构施工在线远程传输监控网络化综述 及其施工技术日臻完善，应用领域不断扩大。并已成为隧道和地下管道施工中 的主要技术之一。进入二十一世纪以后，盾构技术得到了更进一步的发展“。 远程监控技术是利用计算机网络在异地对远程的现场设备的运行状况实施 监视、测试，并根据监测数据进行故障的预报和诊断以及对设备的远程控制的 技术。远程故障监测、预报、控制是涉及到计算机网络、人工智能和自动化控 制等多门学科的综合技术。 随着计算机网络技术、控制技术以及人工智能技术的飞速发展，越来越多 的公司开展了对于大型重要设备的远程状态监控和故障诊断及维护的工作，以 提供快速、低费用的服务。 可以看到未来盾构网络化传输监控系统有以下几个发展方向： 新型传感材料、传感器、信号分析技术、故障辩识与诊断技术的研究及 应用，提高盾构状态参数的实时监测、控制和分析能力，实现故障的精确预报 和设备的自动调整与维护，使盾构机的设计麓力能得到最大发挥； 硬件、软件采用模块式、分布式结构，适应性强、可靠性高。性能良好 的操作系统、数据库管理系统以及成套的软件开发包为用户的开发和使用带来 了极大的便利，并逐渐走向开放化、标准化； 工作站采用高性能的微机。高性能微机处理能力强、速度快、容量大而 且有支持多网络特点等，为提高系统运行和联网性能奠定了基础。能够实现信 息的快速采集、综合处理，利用及时的信息提高管理决策水平： 更普遍地采用先进的测控与导向技术，如：激光雷达导向技术、隧道地质 预测技术、g p s 卫星导航与定位技术、g i s 摄影测量技术以及隧道动室位移测 量技术等，以探明掘进方向的偏离，及时进行纠偏。 2 3 建立盾构隧道施工监控管理系统的意义 在盾构施工中进行现场监测是很重要的，近年来也已经为广大施工、管理 单位所重视和采纳，然而，在上海地铁近几年的建设实际中来看，传统的基于 现场监测的信息化施工方法己经渐渐不能满足上海地铁建设大规模建设的需 要。 上海目前的地铁建设正处于前所未有为的热潮中。参考上海隧道交通线路 图。到2 0 0 5 年，3 年时间里已经构筑2 0 0 余公里“十字加环、多向辐射”轨道 第2 章盾构施l i 在线远程传输监控网络化综述 网络格局。目前，全市在建轨道交通总里程已达1 0 4 公里，又有5 个项目将先 后开工，涉及长度11 0 公里。在今后的几年里，每年将同时有1 0 0 多公里的地 铁在建设，每年将平均有4 0 多公里的地铁被建成。目前上海地铁工程所面临的 问题是： 1 ) 规模大，工程多； 2 ) 有经验的管理人员有限； 3 ) 施工单位水平良莠不齐； 4 ) 工程难度增加。 以上的这些问题，给大规模的隧道建设带来了很大的隐患，而由于隧道建 设本身的特殊性，一旦出现事故，其影响将是非常巨大的，不但在经济上蒙受 重大损失，更可能产生政治影响。因此如何很快的提高施工单位的技术水平， 如何能够在现有管理人员数量的情况下，有效的加强地工程的管理，如何保证 在复杂情况下的施工安全，等等的一些问题已经成为了上海隧道的大规模建设 所必须要尽快解决的问题。 而传统的信息化施工方法在隧道如此大规模工程的管理中，往往会暴露出 以下问题： 1 ) 没有针对整个工程的数据管理手段，其数据的收集往往只能针对单个工 程，无法对整个工程进行管理； 2 ) 各监测单位之间的水平良莠不齐，无法保证在数据出现问题时能够及时 发现； 3 ) 当发现工程问题时，由于监测、监理等单位与管理单位的沟通不畅，或 由于其他原因，管理单位无法及时了解问题所在，因此也就无法及时组织施工 采取措施，避免问题进一步发展，从而贻误解决问题的最佳时机； 4 ) 注重监测数据采集，忽视数据的管理、分析，工程结束后，往往只有纸 质的数据报表，无法对工程进行总结。 在以上情况下，如果没有采取有效措施，那么很多工程问题就会被忽视， 再加 ：赶工期，或者施工单位不重视，工程事故必然就会发生。而在上海隧道 建设过程中发生的几次事故即证明了以上情况。如2 0 0 1 年8 月2 0 日晚，上海 地铁某工地突发大规模塌方事故，造成4 人死亡。这次事故的原因之一即在于 施工单位为了赶进度造成施工不科学，同时又不重视监测数据，当时事故前工 地监测单位的监测报表中，测斜的最大值已达到1 0 厘米以上，远远超过了警戒 第2 章盾构旌工在线远程传输监控网络化综述 值，但由于种种原因施工单位未能引起足够重视，导致事故的发生。这次事故 充分体现了传统信息化施工的弊端。 传统的信息化施工技术无法解决在上海隧道的建设中所存在的问题，因此 采用现代信息技术对其进行优化就显得很有必要。旦传统信息化施工的信息 管理规范了，信息传输加快了，监测、监理等单位同管理单位的沟通加强了， 那么整个隧道工程的建设管理就可以解决以上所说的问题，保证工程的安全顺 利进行。 如果在盾构施工过程中，仍沿用现行一般的施工监控方法，已不足以解决 好上述问题。施工过程中谋求进一步运用高水平的、先进的监测、监控技术， 形成一套行之有效的工程施工预测、预报、控制与防治的手段和这方面的研究 工作亟待开展。因而，以更为先进、完善的现代化科技手段，来满足更高水平 的工程施工要求，实在已刻不容缓。建立基于现代控制理论、计算机技术、人 工神经网络预测理论、模糊理论的盾构隧道施工多媒体监控与仿真系统，实现 视频监视、施工参数监测与控制、地面沉降仿真预测、3 d 动画显示等功能，对 于提高我国盾构隧道施工技术、提高施工信息化程度和管理水平、提高企业生 产力和竞争力、保障环境安全、赶超世界先进水平有重大意义。 2 4 本章小结 本章对盾构旌工原理及监控技术做了详细介绍，比较了目前施工状况在监 控系统领域与国外先进技术的差距，提出建立新型的信息化盾构施工监控系统 的必要性。 第3 章盾构施工在线远程监控硬件系统设计 第3 章盾构施工在线远程监控硬件系统设计 3 1 盾构监控系统施工原理 在隧道工程中，实行信息化施工是十分必要的刘建航院士曾提出了在隧道 工程领域进行旌工的十六字方针，即“理论导向，量测定量，经验判断，快速 反馈”，其中强调了现场监测以及信息快速反馈的重要性。 介质的不确定性，以及设计方法的不完善，造成了工程在设计时的不精确， 没有一个设计师能在工程设计时即能准确计算出工程中所产生的变形以及工程 所造成的影响，因此在工程施工过程中通过监测仪器对工程进行监测，以反映 工程情况就变得非常有必要。而且隧道工程篪工中对外界的影响其量值是非常 小的，通过常规的观测手法己无法发现工程问题，只有通过监测仪器进行监测 1 9 0 要实现对盾构施工在线及远程监控，必须解决大流量数据压缩整理、网络 传输、通信和实时监控等技术。实现这一系统的最主要的困难在于要传输的数 据量太大，为解决这个难题，可以从两方面着手：( 1 ) 从盾构簏工姿态的传输信 源方面着手，采用各种方法，尽可能地减小数据量，从而在满足能较好指导盾 构施工的前题下极大地提高数据传输速率，以便在现有通信网络上实现大流量 信息的传输；( 2 ) 从网络着手，通过增加通信信道的带宽来提高通信网络的传输 速度。根据不同的使用情况，灵活地控制传输协议和用户对传输应答的灵活设 置，以提高传输效率。 3 2 系统功能要求 3 2 1 设计原则 本系统以及时获取盾构工作面前方实时情况，盾构旌工参数，设备运转情 况以及综合处理地面地下信息为目的，达到统一监控，集中管理的功能，系统 具有丌放性，可靠性，先进性，可扩展性等特点，具体而言，有以下几点“”： 第3 章盾构施i ：在线远程监控硬件系统设计 1 ) 建立分层次，分功能，分系统的计算机网络，完成统一监控，操作，维 护，通信等功能，是一个多系统的集成。其中包括：中央计算机网络，施工监 控，设备监控，传输网络，数据分析等子系统。各分系统子主系统间界面清楚， 且保持相对独立性。分系统均有自诊断功能，以便及时准确地发现异常和故障， 并能迅速的排除故障；另外，系统应具有降级使用的功能。 2 ) 充分考虑及注意系统的可靠性，关键设备计算机采用冗余配置，以增加 系统的m t b f ( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。整个子系统的控制尽可能地采用模块 式的控制结构。设备必须具有高速、实时、准确、可靠的检测出设备的运转状 态，直观地观测变化趋势，还能掌握各类管理信息，及时做出有效的措施。 3 ) 系统结构必须简单，人机界面友好，操作方便，能方便的增加，改进或 升级有关功能，满足日后的运行需求：模块化，结构化的系统软件开发应方便 调整，从而适合隧道各部门的运行，控制和保护策略。主系统应具有开放性， 分系统应具有扩展性。 4 ) 对盾构工作面前方的相关设备实施远程控制，状态集中显示数据监测等 工作，并达到自动化操作、节能等目的。 5 ) 实现盾构施工前方与指挥中心等相关区域的通信功能，正确及时的传输 隧道内外的切信息，同时数据通信有快速，有效，准确且强抗干扰的能力。 3 2 2 实现功能 盾构施工监控系统是一个以计算机技术和通信网络为基础，配以传感器、 仪器仪表控制设备的实时远程计算机监控网络系统，基本的配置是由监控端的 主机系统和若干个被监控端的远方终端所组成，形成一个二级分布式集散控制 系统。 在线远程实时监视 在线远程机通过计算机网络连接到本地