上海地铁盾构数据采集系统的技术改造

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。