上海地铁盾构数据采集系统的技术改造
【提 要】：根据目前在建的上海地铁明珠线二期工程对隧道施工信息管理的要求，制定并实施了对以前引进的地铁盾构数据采集系统的技术改造方案。新增加了陀螺仪硬件，新开发了盾构掘进姿态管理、盾构施工数据管理和盾构实时数据可扩展专用局域网络的计算机应用软件。对今后国产盾构的数据采集系统具有一定的参考指导作用。
【关键词】：盾构姿态数据采集
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月开工的上海地铁1号线工程，引进了7台法国FCB公司制造的?6.34m土压平衡盾构（1号～7号盾构）进行隧道施工；上海地铁2号线隧道工程又引进了2台法国FRAMATOME公司制造的?6.34m土压平衡盾构（8号和9号盾构）。目前这9台盾构正投入上海轨道交通明珠线二期工程的区间隧道施工中。
由于上海轨道交通明珠线二期工程对盾构设备和隧道施工信息管理有新的要求，因此，有必要对这9台盾构的数据采集系统中存在的一些功能缺陷进行技术改造。
2 技术改造方案
2.1 存在的功能缺陷
2.1.1 盾构姿态实时检测功能
2号～9号盾构未配置盾构姿态检测装置。1号盾构曾配置了英国ZED公司的盾构激光姿态检测系统，在实际工程中也进行了技术消化和应用试验，但未达到工程实用效果。
2.1.2 盾构掘进数据管理功能
1号～9号盾构数据采集系统的基本功能是实时显示盾构设备和掘进施工的开关量和模拟量状态，盾构掘进数据管理功能较弱，仅能显示和打印环报表（每100mm一组数据）。
2.1.3 数据采集硬件和软件环境
1号～7号盾构由继电器控制盾构，T100数据采集器将现场模拟量和开关量信号转换为数字信号，通过RS232通信口将现场信息送往计算机；8号和9号盾构由TSX57-20系列PLC控制盾构，PLC的通信口将采集的信息送往计算机。1号～9号盾构数据采集系统软件为DOS，应用软件采用TACTICIAN T2001。
数据采集软件环境的配置方式给国内用户的软件维护工作带来了困难。
2.1.4 单机运行方式
数据采集的单机运行方式，地面管理者不能实时了解盾构施工情况，不利于加强对隧道施工的动态管理。
2.2 技术改造内容
基于原盾构电气元器件硬件基础，根据实际需求适当调整数据采集硬件配置，重新开发适合目前国内盾构施工管理需求的数据采集应用软件，重点是开发盾构的姿态监测应用软件。
2.2.1 硬件配置
系统硬件配置见图1。
1号～7号盾构用数据采集卡代替原T100数据采集器，8号和9号盾构采用原TSX57-20系列PLC作为数据采集器。
陀螺仪采集的方位角、倾斜角信号由信号显示单元的RS232通信接口与数据采集计算机连接；1号～7号盾构的模拟量和数字量信号由AI、DI板卡与计算机总线连接；8号和9号盾构的模拟量和数字量信号由PLC的RS232通信接口与数据采集计算机连接。
SDSL解决通信距离问题。传输距离1km时传输速率为2M bps；传输距离2km时传输速率为1M bps。
数据采集计算机面向盾构操作人员；地面监控计算机面向隧道施工管理人员；远传通信计算机利用社会公共信道将盾构施工实时信息送往施工企业总部。
2.2.2 软件环境
操作系统：Windows98；应用软件：Kingview6.2，Visual Basic5.0，Tly 1.0。
2.2.3 软件功能
系统具有盾构施工数据采集功能，盾构姿态管理功能，盾构施工数据管理功能，盾构设备管理功能，施工实时数据远传功能。
3 盾构掘进姿态管理
盾构掘进姿态管理主要是根据陀螺仪检测的盾构方位角和坡度角与盾构设计轴线比较，计算出盾构方位误差角、盾构坡度误差角、盾构切口平面误差、盾构切口高程误差、盾尾平面误差、盾尾高程误差，来指导盾构司机及时纠偏。
3.1 盾构施工设计轴线的输入和仿真校验
根据隧道盾构中心坐标设计资料提供的线型、里程、线段长度、方位角、X坐标、Y坐标及曲线要素和断链数据，建立便于输入操作和校验的数据模型和数据结构。使操作者只要输入相邻线型交界点的特征参数，便可完成相应线型内所有设计轴线数据输入工作。
所编制的设计轴线软件基本功能有：计算平面设计轴线轨迹（Z——直线、ZH——直缓、HY——缓圆、YH——圆缓、HZ——缓直）；计算高程设计轴线轨迹；计算盾构在设计轴线任意点的方位角；计算盾构在设计轴线任意点的坡度角；长链与短链数据处理功能；顺里程与逆里程数据处理功能；设计轴线仿真调试功能。
仿真结果表明:设计轴线平面和高程误差小于等于1mm。其设计轴线数据输入量小于日本TOKIMEC公司同类应用软件。
3.2 陀螺仪通信
根据陀螺仪通信协议，编制陀螺仪驱动程序。
设定陀螺仪通信基本数据：
数据速率：2400bps
数码长度：8bit
奇偶性：无
停止位：1bit
间隔：200ms
3.3 盾构姿态数据实时管理
3.3.1 盾构掘进里程
隧道设计轴线以地铁里程数为自变量。盾构掘进里程是判断盾构位置和姿态的基础条件，其计算方法如下：
P＝B＋N＋L＋J
式中P——盾构切口里程(m)；
B——区间隧道起点里程(m)；
N——管片环号（环宽1m）；
L——千斤顶伸长距离(m)；
J——盾构切口至千斤顶起始位置(m)。
一环结束条件：L＞0.8m并且拼装开始，
一环开始条件：（N＝N＋1）：L＜0.3m并且掘进开始；
3.3.2 盾构姿态与运动方向
由于土质条件分布差异，盾构实际前进方向不一定是盾构姿态方向。
设陀螺仪检测到的盾构方位角为A1i，
盾构实际前进的方向角为A2i，设计轴线的A1i
方位角为S1，n为统计环数，方位修正角为C1：
由方位修正角C1和陀螺仪检测出盾构方位角A1i ，就能方便地求出盾构实际前进方向。
3.3.3 盾构平面偏差与高程偏差
切口平面偏差、切口高程偏差、盾尾平面偏差、盾尾高程偏差是相对于设计轴线的一组施工参数，反映了盾构某时刻的相对位置：
盾构平面偏差aw＝L·sin［(A1i- C1)-S1］
盾构高程偏差hw＝L·sin［(H1i- C2)-S2］
式中H1i——陀螺仪检测到的盾构坡度角；
C2——坡度修正角；
S2——设计轴线的坡度角；
L——千斤顶位移长度。
3.3.4 盾构推进合力中心
调节盾构推进的4个区间油压，或对22个推进千斤顶不同编组，将改变盾构推进的合力中心位置，从而控制盾构的前进方向。实时计算并显示盾构推进的合力中心位置有助于盾构司机及时掌握控制效果：
式中a1——陀螺仪检测到的盾构当前方位偏差角；
h1——陀螺仪检测到的盾构当前坡度偏差角；
c1——人工测量到的切口平面偏差；
c2——人工测量到的盾尾平面偏差；
c3——人工测量到的切口高程偏差；
c4——人工测量到的盾尾高程偏差；
d——盾构长度。
4 盾构施工数据管理
4.1 数据采集内容
数据采集的内容主要是盾构设备信息和掘进施工信息,以实现数据显示、数据处理、数据分析和数据存储。1号～7号盾构采集了24个模拟量数据，58个开关量数据；地铁8号、 9号盾构采集了29个模拟量数据，87个开关量数据(表1)。
表1 采集的模拟量信号表
序号 模拟量 量程 量程
（8、9号盾构） （1～7号盾构）
1 上土压（Mpa） 0～0.5
2 左、中、右土压（Mpa） 0～0.5 0～0.5
3 下土压（Mpa） 0～0.5
4 螺旋机上、下土压（Mpa） 0～0.5 0～0.5
5 1、2、3、4区油压（Mpa） 0～40 0～45
6 刀盘油压（Mpa） 0～40 0～45
7 刀盘转速(r/min) 0～1 0～1
8 螺旋机油压（Mpa） 0～60 0～45
9 螺旋机转速(r/min) 0～20 0～20
10 上、下、左、右千斤顶位移(mm) 0～1200 0～1200
11 加泥水压力(Mpa) 0～1 0～1
12 加泥水流量(m3) 0～20 0～20
13 注浆压力1～4(Mpa) 0～2
14 注浆流量1～4(m3/h) 0～5
15 推进速度(mm/min) 0～20 0～20
16 排土门开度(%) 0～100 0～100
17 方位角、坡度角、旋转角（o） －360～＋360 －360～＋360
18 皮带机油压(Mpa) 0～40
4.2 盾构数据管理功能
操作界面的菜单结构(图3)。
4.2.1 主页
主要功能：登录、操作选择、关机。
4.2.2 掘进
“掘进”界面显示盾构设备、施工等参数和图形（图4）。
为便于盾构司机掌握姿态信息，掘进界面还具有“切口平面偏差”、“切口高程偏差”、“盾尾平面偏差”、“盾尾高程偏差”图形和数值显示功能及“盾构推进合力中心”图形和数值显示功能。
4.2.3 姿态
设计了本环姿态偏差的连续曲线和盾构掘进状态图形显示，使盾构司机根据盾构姿态的历史和现状判断盾构姿态方向的发展趋势，以便于采取措施进行盾构姿态纠偏。
4.2.4 查询
查询内容有“设备状态表”（以设备状态和报警统计为主）、“测量报表”（以测量参数为主）、“施工环报表”（以施工参数为主,图5）。
4.2.5 报警
报警历史记录由滚动条查询。
4.2.6 分析
具有历史数据分析功能。
历史数据分析的可选变量有6个：土压、螺旋机转速、盾构推力、刀盘转速、切口平面偏差、切口高程偏差（图7）。
图7 历史数据分析
根据需要，选择对应变量的发生时刻、环号、掘进距离。选择相应变量时，将显示该变量对应时刻的实际值，平均值、最大值、最小值。
4.2.7 设定
管理数据和测量数据设定值输入。
4.2.8 调试
仿真调试设计轴线。
5 盾构实时数据远传
本系统的数据通信采取可扩展的专用局域网络。
5.1 盾构数据采集计算机与地面管理计算机的数据通信
采用MM300S（兆比特调制解调器）解决盾构机和地面长距离的实时数据通信问题，其SDSL技术远远超过目前的低速率模拟调制解调器性能以及ISDN技术，能利用地面到盾构机的普通铜质电话线路传送128kbps-2Mbps全双工数据（0～2000m）。
5.2 盾构机与远程管理者的数据通信
利用社会公共通信资源，采用传统的点对点拨号网络方法，形成盾构机与远程管理者的数据通信链路。远程管理者的计算机实时数据是施工地面现场计算机实时数据的镜像。
6 工程应用
本项目于2002年初开始，先后在上海轨道交通明珠线二期工程的22个区间隧道掘进施工过程中应用应用本系统的施工单位有上海隧道工程股份有限公司盾构公司、上海市政二公司、上海基础工程公司和上海机施公司，掘进总里程约20km。
应用中体现了本系统的实时性、准确性、可靠性和实用性。
(1) 实时性
系统的数据传输延迟时间＜2S。
(2) 准确性
系统软件的数字处理精度＜0.1％；数据采集系统的数据精度1％（与传感器、变送器技术特性和标定数据有关）；姿态管理数据精度与测量修正数据的管理有关。
（3） 可靠性
在正常使用条件下，自主开发的应用软件在实际工程应用中，没有发生故障。
（4） 实用性
施工现场的管理人员在地面能利用计算机的实时信息及时掌握施工状态，以便及时调度生产和控制施工质量，提高了工作效率。
上海隧道股份有限公司盾构分公司在所施工的区间隧道掘进工程中，还配置了盾构远程数据采集功能。在远程的高级管理人员利用计算机的实时信息和历史数据，能及时分析施工数据、了解施工状态、指导现场施工。
7 结语
通过对20世纪90年代初从法国引进的9台土压平衡盾构的数据采集系统的技术改造，解决了目前上海轨道交通明珠线二期工程对隧道施工信息管理的需求问题。
本系统具有以下技术特点：
(1) 具有盾构姿态检测功能，在引进国外机械陀螺仪硬件的基础上，自主开发盾构陀螺仪应用软件。其技术关键是建立盾构姿态检测的计算方法和数学模型。
(2) 自主开发适合施工管理需求的实时数据和历史数据管理的软件功能。
(3) 具有盾构施工实时数据信息远传功能，使现场地面施工管理者和远程高级管理者及时掌握盾构施工的实时状态。
本项目以目前国际先进水平为目标，自主开发的陀螺仪姿态和盾构施工管理软件，对今后国产盾构的数据采集系统和盾构姿态实时监测系统的研究具有一定的参考指导作用。
参考文献
［1］ TOKIMEC INC. Automated position-attitude measuring system for shield excavator TIMS-01K software instruction manual.
［2］ 周文波，进口大型泥水平衡盾构监控系统的应用与改进.建设电子论文选编. 北京：中国城市出版社，1997
［3］ 奚志勇，杨宏燕，顾德琨.大型泥水平衡盾构监控系统.建设电子论文选编. 北京：中国城市出版社，1997
［4］ 杨宏燕.土压平衡盾构电气监控系统研制技术.地下工程与隧道2000（3）： 36～41
文章出处：《城市交通隧道工程最新技术》
