上海地鐵盾構數據采集系統的技術改造

【提 要】：根據目前在建的上海地鐵明珠線二期工程對隧道施工信息管理的要求，制定并實施了對以前引進的地鐵盾構數據采集系統的技術改造方案。新增加了陀螺儀硬件，新開發了盾構掘進姿態管理、盾構施工數據管理和盾構實時數據可擴展專用局域網絡的計算機應用軟件。對今后國產盾構的數據采集系統具有一定的參考指導作用。
【關鍵詞】：盾構姿態數據采集

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號線工程，引進了7臺法國FCB公司制造的?6.34m土壓平衡盾構（1號～7號盾構）進行隧道施工；上海地鐵2號線隧道工程又引進了2臺法國FRAMATOME公司制造的?6.34m土壓平衡盾構（8號和9號盾構）。目前這9臺盾構正投入上海軌道交通明珠線二期工程的區間隧道施工中。
由于上海軌道交通明珠線二期工程對盾構設備和隧道施工信息管理有新的要求，因此，有必要對這9臺盾構的數據采集系統中存在的一些功能缺陷進行技術改造。

2 技術改造方案
2.1 存在的功能缺陷
2.1.1 盾構姿態實時檢測功能
2號～9號盾構未配置盾構姿態檢測裝置。1號盾構曾配置了英國ZED公司的盾構激光姿態檢測系統，在實際工程中也進行了技術消化和應用試驗，但未達到工程實用效果。
2.1.2 盾構掘進數據管理功能
1號～9號盾構數據采集系統的基本功能是實時顯示盾構設備和掘進施工的開關量和模擬量狀態，盾構掘進數據管理功能較弱，僅能顯示和打印環報表（每100mm一組數據）。
2.1.3 數據采集硬件和軟件環境
1號～7號盾構由繼電器控制盾構，T100數據采集器將現場模擬量和開關量信號轉換為數字信號，通過RS232通信口將現場信息送往計算機；8號和9號盾構由TSX57-20系列PLC控制盾構，PLC的通信口將采集的信息送往計算機。1號～9號盾構數據采集系統軟件為DOS，應用軟件采用TACTICIAN T2001。
數據采集軟件環境的配置方式給國內用戶的軟件維護工作帶來了困難。
2.1.4 單機運行方式
數據采集的單機運行方式，地面管理者不能實時了解盾構施工情況，不利于加強對隧道施工的動態管理。
2.2 技術改造內容
基于原盾構電氣元器件硬件基礎，根據實際需求適當調整數據采集硬件配置，重新開發適合目前國內盾構施工管理需求的數據采集應用軟件，重點是開發盾構的姿態監測應用軟件。
2.2.1 硬件配置
系統硬件配置見圖1。
1號～7號盾構用數據采集卡代替原T100數據采集器，8號和9號盾構采用原TSX57-20系列PLC作為數據采集器。

陀螺儀采集的方位角、傾斜角信號由信號顯示單元的RS232通信接口與數據采集計算機連接；1號～7號盾構的模擬量和數字量信號由AI、DI板卡與計算機總線連接；8號和9號盾構的模擬量和數字量信號由PLC的RS232通信接口與數據采集計算機連接。
SDSL解決通信距離問題。傳輸距離1km時傳輸速率為2M bps；傳輸距離2km時傳輸速率為1M bps。
數據采集計算機面向盾構操作人員；地面監控計算機面向隧道施工管理人員；遠傳通信計算機利用社會公共信道將盾構施工實時信息送往施工企業總部。
2.2.2 軟件環境
操作系統：Windows98；應用軟件：Kingview6.2，Visual Basic5.0，Tly 1.0。
2.2.3 軟件功能
系統具有盾構施工數據采集功能，盾構姿態管理功能，盾構施工數據管理功能，盾構設備管理功能，施工實時數據遠傳功能。

3 盾構掘進姿態管理
盾構掘進姿態管理主要是根據陀螺儀檢測的盾構方位角和坡度角與盾構設計軸線比較，計算出盾構方位誤差角、盾構坡度誤差角、盾構切口平面誤差、盾構切口高程誤差、盾尾平面誤差、盾尾高程誤差，來指導盾構司機及時糾偏。
3.1 盾構施工設計軸線的輸入和仿真校驗
根據隧道盾構中心坐標設計資料提供的線型、里程、線段長度、方位角、X坐標、Y坐標及曲線要素和斷鏈數據，建立便于輸入操作和校驗的數據模型和數據結構。使操作者只要輸入相鄰線型交界點的特征參數，便可完成相應線型內所有設計軸線數據輸入工作。
所編制的設計軸線軟件基本功能有：計算平面設計軸線軌跡（Z——直線、ZH——直緩、HY——緩圓、YH——圓緩、HZ——緩直）；計算高程設計軸線軌跡；計算盾構在設計軸線任意點的方位角；計算盾構在設計軸線任意點的坡度角；長鏈與短鏈數據處理功能；順里程與逆里程數據處理功能；設計軸線仿真調試功能。
仿真結果表明:設計軸線平面和高程誤差小于等于1mm。其設計軸線數據輸入量小于日本TOKIMEC公司同類應用軟件。
3.2 陀螺儀通信
根據陀螺儀通信協議，編制陀螺儀驅動程序。
設定陀螺儀通信基本數據：
數據速率：2400bps
數碼長度：8bit
奇偶性：無
停止位：1bit
間隔：200ms
3.3 盾構姿態數據實時管理
3.3.1 盾構掘進里程
隧道設計軸線以地鐵里程數為自變量。盾構掘進里程是判斷盾構位置和姿態的基礎條件，其計算方法如下：
P＝B＋N＋L＋J
式中P——盾構切口里程(m)；
B——區間隧道起點里程(m)；
N——管片環號（環寬1m）；
L——千斤頂伸長距離(m)；
J——盾構切口至千斤頂起始位置(m)。
一環結束條件：L＞0.8m并且拼裝開始，
一環開始條件：（N＝N＋1）：L＜0.3m并且掘進開始；
3.3.2 盾構姿態與運動方向

由于土質條件分布差異，盾構實際前進方向不一定是盾構姿態方向。
設陀螺儀檢測到的盾構方位角為A1i，
盾構實際前進的方向角為A2i，設計軸線的A1i
方位角為S1，n為統計環數，方位修正角為C1：

由方位修正角C1和陀螺儀檢測出盾構方位角A1i ，就能方便地求出盾構實際前進方向。
3.3.3 盾構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于設計軸線的一組施工參數，反映了盾構某時刻的相對位置：
盾構平面偏差aw＝L·sin［(A1i- C1)-S1］
盾構高程偏差hw＝L·sin［(H1i- C2)-S2］
式中H1i——陀螺儀檢測到的盾構坡度角；
C2——坡度修正角；
S2——設計軸線的坡度角；
L——千斤頂位移長度。
3.3.4 盾構推進合力中心
調節盾構推進的4個區間油壓，或對22個推進千斤頂不同編組，將改變盾構推進的合力中心位置，從而控制盾構的前進方向。實時計算并顯示盾構推進的合力中心位置有助于盾構司機及時掌握控制效果：

式中a1——陀螺儀檢測到的盾構當前方位偏差角；
h1——陀螺儀檢測到的盾構當前坡度偏差角；
c1——人工測量到的切口平面偏差；
c2——人工測量到的盾尾平面偏差；
c3——人工測量到的切口高程偏差；
c4——人工測量到的盾尾高程偏差；
d——盾構長度。

4 盾構施工數據管理
4.1 數據采集內容
數據采集的內容主要是盾構設備信息和掘進施工信息,以實現數據顯示、數據處理、數據分析和數據存儲。1號～7號盾構采集了24個模擬量數據，58個開關量數據；地鐵8號、 9號盾構采集了29個模擬量數據，87個開關量數據(表1)。
表1 采集的模擬量信號表
序號 模擬量 量程 量程
（8、9號盾構） （1～7號盾構）
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 螺旋機上、下土壓（Mpa） 0～0.5 0～0.5
5 1、2、3、4區油壓（Mpa） 0～40 0～45
6 刀盤油壓（Mpa） 0～40 0～45
7 刀盤轉速(r/min) 0～1 0～1
8 螺旋機油壓（Mpa） 0～60 0～45
9 螺旋機轉速(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、旋轉角（o） －360～＋360 －360～＋360
18 皮帶機油壓(Mpa) 0～40

4.2 盾構數據管理功能
操作界面的菜單結構(圖3)。

4.2.1 主頁
主要功能：登錄、操作選擇、關機。
4.2.2 掘進
“掘進”界面顯示盾構設備、施工等參數和圖形（圖4）。

為便于盾構司機掌握姿態信息，掘進界面還具有“切口平面偏差”、“切口高程偏差”、“盾尾平面偏差”、“盾尾高程偏差”圖形和數值顯示功能及“盾構推進合力中心”圖形和數值顯示功能。
4.2.3 姿態
設計了本環姿態偏差的連續曲線和盾構掘進狀態圖形顯示，使盾構司機根據盾構姿態的歷史和現狀判斷盾構姿態方向的發展趨勢，以便于采取措施進行盾構姿態糾偏。
4.2.4 查詢
查詢內容有“設備狀態表”（以設備狀態和報警統計為主）、“測量報表”（以測量參數為主）、“施工環報表”（以施工參數為主,圖5）。

4.2.5 報警
報警歷史記錄由滾動條查詢。
4.2.6 分析
具有歷史數據分析功能。
歷史數據分析的可選變量有6個：土壓、螺旋機轉速、盾構推力、刀盤轉速、切口平面偏差、切口高程偏差（圖7）。

圖7 歷史數據分析
根據需要，選擇對應變量的發生時刻、環號、掘進距離。選擇相應變量時，將顯示該變量對應時刻的實際值，平均值、最大值、最小值。
4.2.7 設定
管理數據和測量數據設定值輸入。
4.2.8 調試
仿真調試設計軸線。

5 盾構實時數據遠傳
本系統的數據通信采取可擴展的專用局域網絡。
5.1 盾構數據采集計算機與地面管理計算機的數據通信
采用MM300S（兆比特調制解調器）解決盾構機和地面長距離的實時數據通信問題，其SDSL技術遠遠超過目前的低速率模擬調制解調器性能以及ISDN技術，能利用地面到盾構機的普通銅質電話線路傳送128kbps-2Mbps全雙工數據（0～2000m）。
5.2 盾構機與遠程管理者的數據通信
利用社會公共通信資源，采用傳統的點對點撥號網絡方法，形成盾構機與遠程管理者的數據通信鏈路。遠程管理者的計算機實時數據是施工地面現場計算機實時數據的鏡像。

6 工程應用
本項目于2002年初開始，先后在上海軌道交通明珠線二期工程的22個區間隧道掘進施工過程中應用應用本系統的施工單位有上海隧道工程股份有限公司盾構公司、上海市政二公司、上海基礎工程公司和上海機施公司，掘進總里程約20km。
應用中體現了本系統的實時性、準確性、可靠性和實用性。
(1) 實時性
系統的數據傳輸延遲時間＜2S。
(2) 準確性
系統軟件的數字處理精度＜0.1％；數據采集系統的數據精度1％（與傳感器、變送器技術特性和標定數據有關）；姿態管理數據精度與測量修正數據的管理有關。
（3） 可靠性
在正常使用條件下，自主開發的應用軟件在實際工程應用中，沒有發生故障。
（4） 實用性
施工現場的管理人員在地面能利用計算機的實時信息及時掌握施工狀態，以便及時調度生產和控制施工質量，提高了工作效率。
上海隧道股份有限公司盾構分公司在所施工的區間隧道掘進工程中，還配置了盾構遠程數據采集功能。在遠程的高級管理人員利用計算機的實時信息和歷史數據，能及時分析施工數據、了解施工狀態、指導現場施工。

7 結語
通過對20世紀90年代初從法國引進的9臺土壓平衡盾構的數據采集系統的技術改造，解決了目前上海軌道交通明珠線二期工程對隧道施工信息管理的需求問題。
本系統具有以下技術特點：
(1) 具有盾構姿態檢測功能，在引進國外機械陀螺儀硬件的基礎上，自主開發盾構陀螺儀應用軟件。其技術關鍵是建立盾構姿態檢測的計算方法和數學模型。
(2) 自主開發適合施工管理需求的實時數據和歷史數據管理的軟件功能。
(3) 具有盾構施工實時數據信息遠傳功能，使現場地面施工管理者和遠程高級管理者及時掌握盾構施工的實時狀態。
本項目以目前國際先進水平為目標，自主開發的陀螺儀姿態和盾構施工管理軟件，對今后國產盾構的數據采集系統和盾構姿態實時監測系統的研究具有一定的參考指導作用。
參考文獻
［1］ TOKIMEC INC. Automated position-attitude measuring system for shield excavator TIMS-01K software instruction manual.
［2］ 周文波，進口大型泥水平衡盾構監控系統的應用與改進.建設電子論文選編. 北京：中國城市出版社，1997
［3］ 奚志勇，楊宏燕，顧德琨.大型泥水平衡盾構監控系統.建設電子論文選編. 北京：中國城市出版社，1997
［4］ 楊宏燕.土壓平衡盾構電氣監控系統研制技術.地下工程與隧道2000（3）： 36～41

文章出處：《城市交通隧道工程最新技術》