上海地鐵盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造

【提 要】：根據(jù)目前在建的上海地鐵明珠線二期工程對(duì)隧道施工信息管理的要求，制定并實(shí)施了對(duì)以前引進(jìn)的地鐵盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造方案。新增加了陀螺儀硬件，新開發(fā)了盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)管理、盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理和盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可擴(kuò)展專用局域網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。對(duì)今后國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的參考指導(dǎo)作用。
【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集

Abstract：accordance with current requirements from tunnel construction information management in the 2nd stage. Pearl Line, Shanghai Metro, a technical reformation proposal has been set and implemented for data acquisition system in Metro shield, originally introduced from overseas. The newly added ones are gyroscope hardware, newly developed shield tunnelling attitude control, and computer application software for expandable dedicated LAN for shield driving data management and shield real time data. It happens to be acting a referential guiding function for data acquisition in domestically made shield henceforth.
Keywords：shield, attitude, data acquisition.

1 引言
1990年1月開工的上海地鐵1號(hào)線工程，引進(jìn)了7臺(tái)法國(guó)FCB公司制造的?6.34m土壓平衡盾構(gòu)（1號(hào)～7號(hào)盾構(gòu)）進(jìn)行隧道施工；上海地鐵2號(hào)線隧道工程又引進(jìn)了2臺(tái)法國(guó)FRAMATOME公司制造的?6.34m土壓平衡盾構(gòu)（8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)）。目前這9臺(tái)盾構(gòu)正投入上海軌道交通明珠線二期工程的區(qū)間隧道施工中。
由于上海軌道交通明珠線二期工程對(duì)盾構(gòu)設(shè)備和隧道施工信息管理有新的要求，因此，有必要對(duì)這9臺(tái)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的一些功能缺陷進(jìn)行技術(shù)改造。

2 技術(shù)改造方案
2.1 存在的功能缺陷
2.1.1 盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)功能
2號(hào)～9號(hào)盾構(gòu)未配置盾構(gòu)姿態(tài)檢測(cè)裝置。1號(hào)盾構(gòu)曾配置了英國(guó)ZED公司的盾構(gòu)激光姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際工程中也進(jìn)行了技術(shù)消化和應(yīng)用試驗(yàn)，但未達(dá)到工程實(shí)用效果。
2.1.2 盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)管理功能
1號(hào)～9號(hào)盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能是實(shí)時(shí)顯示盾構(gòu)設(shè)備和掘進(jìn)施工的開關(guān)量和模擬量狀態(tài)，盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)管理功能較弱，僅能顯示和打印環(huán)報(bào)表（每100mm一組數(shù)據(jù)）。
2.1.3 數(shù)據(jù)采集硬件和軟件環(huán)境
1號(hào)～7號(hào)盾構(gòu)由繼電器控制盾構(gòu)，T100數(shù)據(jù)采集器將現(xiàn)場(chǎng)模擬量和開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過RS232通信口將現(xiàn)場(chǎng)信息送往計(jì)算機(jī)；8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)由TSX57-20系列PLC控制盾構(gòu)，PLC的通信口將采集的信息送往計(jì)算機(jī)。1號(hào)～9號(hào)盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件為DOS，應(yīng)用軟件采用TACTICIAN T2001。
數(shù)據(jù)采集軟件環(huán)境的配置方式給國(guó)內(nèi)用戶的軟件維護(hù)工作帶來了困難。
2.1.4 單機(jī)運(yùn)行方式
數(shù)據(jù)采集的單機(jī)運(yùn)行方式，地面管理者不能實(shí)時(shí)了解盾構(gòu)施工情況，不利于加強(qiáng)對(duì)隧道施工的動(dòng)態(tài)管理。
2.2 技術(shù)改造內(nèi)容
基于原盾構(gòu)電氣元器件硬件基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)采集硬件配置，重新開發(fā)適合目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工管理需求的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件，重點(diǎn)是開發(fā)盾構(gòu)的姿態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件。
2.2.1 硬件配置
系統(tǒng)硬件配置見圖1。
1號(hào)～7號(hào)盾構(gòu)用數(shù)據(jù)采集卡代替原T100數(shù)據(jù)采集器，8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)采用原TSX57-20系列PLC作為數(shù)據(jù)采集器。

陀螺儀采集的方位角、傾斜角信號(hào)由信號(hào)顯示單元的RS232通信接口與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)連接；1號(hào)～7號(hào)盾構(gòu)的模擬量和數(shù)字量信號(hào)由AI、DI板卡與計(jì)算機(jī)總線連接；8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)的模擬量和數(shù)字量信號(hào)由PLC的RS232通信接口與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)連接。
SDSL解決通信距離問題。傳輸距離1km時(shí)傳輸速率為2M bps；傳輸距離2km時(shí)傳輸速率為1M bps。
數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)面向盾構(gòu)操作人員；地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)面向隧道施工管理人員；遠(yuǎn)傳通信計(jì)算機(jī)利用社會(huì)公共信道將盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)信息送往施工企業(yè)總部。
2.2.2 軟件環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows98；應(yīng)用軟件：Kingview6.2，Visual Basic5.0，Tly 1.0。
2.2.3 軟件功能
系統(tǒng)具有盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)采集功能，盾構(gòu)姿態(tài)管理功能，盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理功能，盾構(gòu)設(shè)備管理功能，施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)管理
盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)管理主要是根據(jù)陀螺儀檢測(cè)的盾構(gòu)方位角和坡度角與盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線比較，計(jì)算出盾構(gòu)方位誤差角、盾構(gòu)坡度誤差角、盾構(gòu)切口平面誤差、盾構(gòu)切口高程誤差、盾尾平面誤差、盾尾高程誤差，來指導(dǎo)盾構(gòu)司機(jī)及時(shí)糾偏。
3.1 盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)軸線的輸入和仿真校驗(yàn)
根據(jù)隧道盾構(gòu)中心坐標(biāo)設(shè)計(jì)資料提供的線型、里程、線段長(zhǎng)度、方位角、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)及曲線要素和斷鏈數(shù)據(jù)，建立便于輸入操作和校驗(yàn)的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使操作者只要輸入相鄰線型交界點(diǎn)的特征參數(shù)，便可完成相應(yīng)線型內(nèi)所有設(shè)計(jì)軸線數(shù)據(jù)輸入工作。
所編制的設(shè)計(jì)軸線軟件基本功能有：計(jì)算平面設(shè)計(jì)軸線軌跡（Z——直線、ZH——直緩、HY——緩圓、YH——圓緩、HZ——緩直）；計(jì)算高程設(shè)計(jì)軸線軌跡；計(jì)算盾構(gòu)在設(shè)計(jì)軸線任意點(diǎn)的方位角；計(jì)算盾構(gòu)在設(shè)計(jì)軸線任意點(diǎn)的坡度角；長(zhǎng)鏈與短鏈數(shù)據(jù)處理功能；順里程與逆里程數(shù)據(jù)處理功能；設(shè)計(jì)軸線仿真調(diào)試功能。
仿真結(jié)果表明:設(shè)計(jì)軸線平面和高程誤差小于等于1mm。其設(shè)計(jì)軸線數(shù)據(jù)輸入量小于日本TOKIMEC公司同類應(yīng)用軟件。
3.2 陀螺儀通信
根據(jù)陀螺儀通信協(xié)議，編制陀螺儀驅(qū)動(dòng)程序。
設(shè)定陀螺儀通信基本數(shù)據(jù)：
數(shù)據(jù)速率：2400bps
數(shù)碼長(zhǎng)度：8bit
奇偶性：無
停止位：1bit
間隔：200ms
3.3 盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理
3.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)里程
隧道設(shè)計(jì)軸線以地鐵里程數(shù)為自變量。盾構(gòu)掘進(jìn)里程是判斷盾構(gòu)位置和姿態(tài)的基礎(chǔ)條件，其計(jì)算方法如下：
P＝B＋N＋L＋J
式中P——盾構(gòu)切口里程(m)；
B——區(qū)間隧道起點(diǎn)里程(m)；
N——管片環(huán)號(hào)（環(huán)寬1m）；
L——千斤頂伸長(zhǎng)距離(m)；
J——盾構(gòu)切口至千斤頂起始位置(m)。
一環(huán)結(jié)束條件：L＞0.8m并且拼裝開始，
一環(huán)開始條件：（N＝N＋1）：L＜0.3m并且掘進(jìn)開始；
3.3.2 盾構(gòu)姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)方向

由于土質(zhì)條件分布差異，盾構(gòu)實(shí)際前進(jìn)方向不一定是盾構(gòu)姿態(tài)方向。
設(shè)陀螺儀檢測(cè)到的盾構(gòu)方位角為A1i，
盾構(gòu)實(shí)際前進(jìn)的方向角為A2i，設(shè)計(jì)軸線的A1i
方位角為S1，n為統(tǒng)計(jì)環(huán)數(shù)，方位修正角為C1：

由方位修正角C1和陀螺儀檢測(cè)出盾構(gòu)方位角A1i ，就能方便地求出盾構(gòu)實(shí)際前進(jìn)方向。
3.3.3 盾構(gòu)平面偏差與高程偏差
切口平面偏差、切口高程偏差、盾尾平面偏差、盾尾高程偏差是相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的一組施工參數(shù)，反映了盾構(gòu)某時(shí)刻的相對(duì)位置：
盾構(gòu)平面偏差aw＝L·sin［(A1i- C1)-S1］
盾構(gòu)高程偏差hw＝L·sin［(H1i- C2)-S2］
式中H1i——陀螺儀檢測(cè)到的盾構(gòu)坡度角；
C2——坡度修正角；
S2——設(shè)計(jì)軸線的坡度角；
L——千斤頂位移長(zhǎng)度。
3.3.4 盾構(gòu)推進(jìn)合力中心
調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)的4個(gè)區(qū)間油壓，或?qū)?2個(gè)推進(jìn)千斤頂不同編組，將改變盾構(gòu)推進(jìn)的合力中心位置，從而控制盾構(gòu)的前進(jìn)方向。實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示盾構(gòu)推進(jìn)的合力中心位置有助于盾構(gòu)司機(jī)及時(shí)掌握控制效果：

式中a1——陀螺儀檢測(cè)到的盾構(gòu)當(dāng)前方位偏差角；
h1——陀螺儀檢測(cè)到的盾構(gòu)當(dāng)前坡度偏差角；
c1——人工測(cè)量到的切口平面偏差；
c2——人工測(cè)量到的盾尾平面偏差；
c3——人工測(cè)量到的切口高程偏差；
c4——人工測(cè)量到的盾尾高程偏差；
d——盾構(gòu)長(zhǎng)度。

4 盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理
4.1 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容
數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容主要是盾構(gòu)設(shè)備信息和掘進(jìn)施工信息,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。1號(hào)～7號(hào)盾構(gòu)采集了24個(gè)模擬量數(shù)據(jù)，58個(gè)開關(guān)量數(shù)據(jù)；地鐵8號(hào)、 9號(hào)盾構(gòu)采集了29個(gè)模擬量數(shù)據(jù)，87個(gè)開關(guān)量數(shù)據(jù)(表1)。
表1 采集的模擬量信號(hào)表
序號(hào) 模擬量 量程 量程
（8、9號(hào)盾構(gòu)） （1～7號(hào)盾構(gòu)）
1 上土壓（Mpa） 0～0.5
2 左、中、右土壓（Mpa） 0～0.5 0～0.5
3 下土壓（Mpa） 0～0.5
4 螺旋機(jī)上、下土壓（Mpa） 0～0.5 0～0.5
5 1、2、3、4區(qū)油壓（Mpa） 0～40 0～45
6 刀盤油壓（Mpa） 0～40 0～45
7 刀盤轉(zhuǎn)速(r/min) 0～1 0～1
8 螺旋機(jī)油壓（Mpa） 0～60 0～45
9 螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) 0～20 0～20
10 上、下、左、右千斤頂位移(mm) 0～1200 0～1200
11 加泥水壓力(Mpa) 0～1 0～1
12 加泥水流量(m3) 0～20 0～20
13 注漿壓力1～4(Mpa) 0～2
14 注漿流量1～4(m3/h) 0～5
15 推進(jìn)速度(mm/min) 0～20 0～20
16 排土門開度(%) 0～100 0～100
17 方位角、坡度角、旋轉(zhuǎn)角（o） －360～＋360 －360～＋360
18 皮帶機(jī)油壓(Mpa) 0～40

4.2 盾構(gòu)數(shù)據(jù)管理功能
操作界面的菜單結(jié)構(gòu)(圖3)。

4.2.1 主頁
主要功能：登錄、操作選擇、關(guān)機(jī)。
4.2.2 掘進(jìn)
“掘進(jìn)”界面顯示盾構(gòu)設(shè)備、施工等參數(shù)和圖形（圖4）。

為便于盾構(gòu)司機(jī)掌握姿態(tài)信息，掘進(jìn)界面還具有“切口平面偏差”、“切口高程偏差”、“盾尾平面偏差”、“盾尾高程偏差”圖形和數(shù)值顯示功能及“盾構(gòu)推進(jìn)合力中心”圖形和數(shù)值顯示功能。
4.2.3 姿態(tài)
設(shè)計(jì)了本環(huán)姿態(tài)偏差的連續(xù)曲線和盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)圖形顯示，使盾構(gòu)司機(jī)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)的歷史和現(xiàn)狀判斷盾構(gòu)姿態(tài)方向的發(fā)展趨勢(shì)，以便于采取措施進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)糾偏。
4.2.4 查詢
查詢內(nèi)容有“設(shè)備狀態(tài)表”（以設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警統(tǒng)計(jì)為主）、“測(cè)量報(bào)表”（以測(cè)量參數(shù)為主）、“施工環(huán)報(bào)表”（以施工參數(shù)為主,圖5）。

4.2.5 報(bào)警
報(bào)警歷史記錄由滾動(dòng)條查詢。
4.2.6 分析
具有歷史數(shù)據(jù)分析功能。
歷史數(shù)據(jù)分析的可選變量有6個(gè)：土壓、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、切口平面偏差、切口高程偏差（圖7）。

圖7 歷史數(shù)據(jù)分析
根據(jù)需要，選擇對(duì)應(yīng)變量的發(fā)生時(shí)刻、環(huán)號(hào)、掘進(jìn)距離。選擇相應(yīng)變量時(shí)，將顯示該變量對(duì)應(yīng)時(shí)刻的實(shí)際值，平均值、最大值、最小值。
4.2.7 設(shè)定
管理數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)定值輸入。
4.2.8 調(diào)試
仿真調(diào)試設(shè)計(jì)軸線。

5 盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采取可擴(kuò)展的專用局域網(wǎng)絡(luò)。
5.1 盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)與地面管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信
采用MM300S（兆比特調(diào)制解調(diào)器）解決盾構(gòu)機(jī)和地面長(zhǎng)距離的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信問題，其SDSL技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的低速率模擬調(diào)制解調(diào)器性能以及ISDN技術(shù)，能利用地面到盾構(gòu)機(jī)的普通銅質(zhì)電話線路傳送128kbps-2Mbps全雙工數(shù)據(jù)（0～2000m）。
5.2 盾構(gòu)機(jī)與遠(yuǎn)程管理者的數(shù)據(jù)通信
利用社會(huì)公共通信資源，采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)方法，形成盾構(gòu)機(jī)與遠(yuǎn)程管理者的數(shù)據(jù)通信鏈路。遠(yuǎn)程管理者的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是施工地面現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的鏡像。

6 工程應(yīng)用
本項(xiàng)目于2002年初開始，先后在上海軌道交通明珠線二期工程的22個(gè)區(qū)間隧道掘進(jìn)施工過程中應(yīng)用應(yīng)用本系統(tǒng)的施工單位有上海隧道工程股份有限公司盾構(gòu)公司、上海市政二公司、上海基礎(chǔ)工程公司和上海機(jī)施公司，掘進(jìn)總里程約20km。
應(yīng)用中體現(xiàn)了本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)用性。
(1) 實(shí)時(shí)性
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間＜2S。
(2) 準(zhǔn)確性
系統(tǒng)軟件的數(shù)字處理精度＜0.1％；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度1％（與傳感器、變送器技術(shù)特性和標(biāo)定數(shù)據(jù)有關(guān)）；姿態(tài)管理數(shù)據(jù)精度與測(cè)量修正數(shù)據(jù)的管理有關(guān)。
（3） 可靠性
在正常使用條件下，自主開發(fā)的應(yīng)用軟件在實(shí)際工程應(yīng)用中，沒有發(fā)生故障。
（4） 實(shí)用性
施工現(xiàn)場(chǎng)的管理人員在地面能利用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)信息及時(shí)掌握施工狀態(tài)，以便及時(shí)調(diào)度生產(chǎn)和控制施工質(zhì)量，提高了工作效率。
上海隧道股份有限公司盾構(gòu)分公司在所施工的區(qū)間隧道掘進(jìn)工程中，還配置了盾構(gòu)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能。在遠(yuǎn)程的高級(jí)管理人員利用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)，能及時(shí)分析施工數(shù)據(jù)、了解施工狀態(tài)、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

7 結(jié)語
通過對(duì)20世紀(jì)90年代初從法國(guó)引進(jìn)的9臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造，解決了目前上海軌道交通明珠線二期工程對(duì)隧道施工信息管理的需求問題。
本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
(1) 具有盾構(gòu)姿態(tài)檢測(cè)功能，在引進(jìn)國(guó)外機(jī)械陀螺儀硬件的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)盾構(gòu)陀螺儀應(yīng)用軟件。其技術(shù)關(guān)鍵是建立盾構(gòu)姿態(tài)檢測(cè)的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型。
(2) 自主開發(fā)適合施工管理需求的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)管理的軟件功能。
(3) 具有盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)傳功能，使現(xiàn)場(chǎng)地面施工管理者和遠(yuǎn)程高級(jí)管理者及時(shí)掌握盾構(gòu)施工的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
本項(xiàng)目以目前國(guó)際先進(jìn)水平為目標(biāo)，自主開發(fā)的陀螺儀姿態(tài)和盾構(gòu)施工管理軟件，對(duì)今后國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究具有一定的參考指導(dǎo)作用。
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文章出處：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》