（机械电子工程专业论文）盾构施工的信息传输与集成系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着城市轨道交通的建设进入高潮，盾构技术得到了迅速的发展，但是对 盾构施工的要求也逐渐提高。信息化技术被应用到了盾构施工过程中，它对提 高盾构施工质量有着决定性的作用。 本文基于上海地铁盾构设备工程有限公司的“智能信息化盾构施工辅助系 统技术研究”项目。根据课题的要求，在对当前国内外盾构技术以及信息化施 工技术的现状进行详细调研的情况下，提出了建立盾构施工信息的实时传输系 统。主要研究内容如下： 首先根据盾构施工的工作环境，在现场通过组态王软件从盾构的监控p l c 上采集数据并存储到井下监控室的数据库里，完成对盾构施工过程中重要数据 的采集工作。 其次通过不同的网络传输方式完成从井下监控室到地面监控室再到公司总 部控制中心之间进行及时可靠的数据传输。先通过组态王软件实现数据的同步 传输，完成井下与地面的数据传输。在地面监控室再通过自己编写的数据传输 软件，将数据通过无线网络传输到公司总部的数据库中，实现了施工数据的远 程实时传输。 接着通过w i n d o w s2 0 0 0 的i n t e r n e t 信息服务( i i s ) 将施工数据进行网上 发布，对于实时传输的数据通过d r e a m w e a v e r + a s p 技术创建的动态网站进行显 示，并对整个数据库系统进行相应的维护。达到了施工现场和公司总部控制中 心之间信息交互的目标，实现了盾构的信息化施工。 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，数据采集，信息传输，数据发布 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nr a i lt r a f f i cr e a c hap e a k ，s h i e l dt e c h n o l o g yh a s d e v e l o p e dr a p i d l y , a n dt h es h i e l dc o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t sa r eg r a d u a l l yi m p r o v i n g i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt os h i e l dc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i tw i l lp l a ya c 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 ft h ec o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to fs h a n g h a im e t r os h i e l dm a c h i n ee q u i p m e n t e n g i n e e r i n gc o l t d ： a s s i s t a n ts y s t e mr e s e a r c ho fi n t e l l i g e n ts h i e l dm a c h i n e ” b a s e do nt h et o p i c ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h er e a l - t i m ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e mo fs h i e l dc o n s t r u c t i o nb 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 n c o n t e n t so 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 to fa l l ，a c c o r d i n gt o t h ee n v i r o n m e n to fs h i e l dc o n s t r u c t i o n ，d a t aw e r e c o l l e c t e da n ds a v e dt h r o u g ht h ek i n g v i e ws o f t w a r ef r o ms u p e r v i s o r yc o n t r o lp l c a t t h es c e n e t h e n ，t h ed a t ai s a v a i l a b l et h r o u g hd i f f e r e n tn e t w o r kt r a n s m i s s i o ns y s t e m t r a n s m i tf 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 lr o o m ，f r o mc o n s t r u c t i o n s c e n et o g e n e r a l c o n t r o lc e n t e ro ft h ec o m p a n y f i r s t l y , t h ed a t at r a n s m i t s y n c h r o n o u s l yg ot h r o u g h t h ek i n g s v i e ws o f t w a r e ，c o m p l e t et h ed a t at r a n s m i t b e t w e e nu n d e r g r o u n da n dg r o u n d i nt h eg r o u n dr o o m ，u s i n gt h es o f t w a r ew r i t t e nb y m y s e l f , t h ed a t ac a nb et r a n s m i t t e dt og e n e r a ld a t ac e n t e ro fc o m p a n yb yw i r e l e s s n e t w o r k i tm a k e st h ed a t at r a n s m i tt oc o m et r u e t h e n ，b yw i n d o w s2 0 0 0 s i n t e r a c ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ( i i s ) ，d a t aw i l lb e a v a i l a b l eo n l i n e ，r e a l t i m et r a n s m i s s i o no fd a t aa r el i s t e dt h r o u g ht h ed y n a m i c w e b s i t e sc r e a t e db yd r e a m w e a v e r + a s pt e c h n o l o g y , a n dm a i n t a i n e d a l lt h e c o r r e s p o n d i n gd a t a b a s es y s t e m i ta c h i e v e sm u t u a lc o n t a c tb e t w e e nt h ec o n s t r u c t i o n s c e n ea n dt h e c o m p a n ya n dc o v e r s t h ei n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o no fs h i e l d c o n s t r u c t i o n t h e n ，t h r o u g ht h en e t w o r kt e c h n o l o g ys e n d t h ed a t ao n t ot h ei n t e r n e t ，a n d i a b s t r a c t m a i n t a i nt h ed a t a b a s es y s t e m f i n a l y ，t h e r ea r 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 ft h i s 缸e l d k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，d a t aa c q u i s i f i o n , i n f o r m a t i o n 仃a n s m i s s i o n ，d a t a d i s s e m i n a t i o n 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。 学位论文作者签名： 洳释；月f 1 e l 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。 学位论文作者签名： 知了年；, e lf e t 第1 章绪论 1 1 选题意义及课题来源 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 l 世纪我国隧道和地下工程项目繁多，工程浩大。在南水北调、西气东输、 西电东送、青藏铁路四大工程中，隧道工程都占有一定的比例。在过去的十几 年中，我国采用掘进隧道的方法开发地下空间的技术已经建立并不断完善，而 在掘进隧道的施工方法中，虽然盾构法起步晚，但近年发展很快，是一种很有 发展前景的施工方法。近年来，我国开展大规模的城市市政工程建设，尤其是 几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。在这些地下工程中，由于受到 施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，使得传统的施工方法难以普遍适 用。在这种情况下，对城市正常机能影响很小的隧道施工方法盾构施工法 普遍得到了人们的关注，并且在一些地区已经有了较为广泛的使用n 1 。 据建设部统计，目前我国已有北京、上海、天津、广州、长春、大连、武 汉、深圳、重庆、南京1 0 个城市的轨道交通项目投入运营，总里程4 4 0 公里， 年客运量达1 6 5 亿人次。与此同时，北京市以奥运为契机，提出到2 0 0 8 年要 新增城市轨道交通线路1 5 7 公里；上海市结合“十五”计划，提出建设9 个项 目，新建1 9 3 公里线路；广州市在建设地铁二号、三号线的同时，近期还塑划 了5 个项目，建设线路里程达到1 7 0 公里；天津市在地铁一号线和津滨快速轨 道两个项目建设的同时，提出了加快网络化的建设方案；南京、武汉、重庆、 长春等在建的城市已提出申报第二期工程的计划，建设规模约7 7 公里；一批大 城市如沈阳、成都、青岛、杭州、西安、哈尔滨等，经过1 0 多年的前期研究， 一直在申请轨道交通项目的建设。苏州、厦门、济南、长沙、郑州、石家庄、 宁波等也在进行轨道交通建设的规划。 就上海来说，规划中的轨道交通网络就有1 7 条之多，而其中市区范围内的 基本路网均由地下路线构成，总运营旱程将达到8 0 0 公里。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j 下式运营；轨道四号线合拢段、 第1 章绪论 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；轨道交通6 、8 、 9 号线的建设已经进入通车的最后冲刺阶段。到2 0 0 7 年底，上海轨道交通将形 成8 条线、1 6 3 座车站、超过2 3 0 公里的运营规模，先于正在建设中的北京、香 港地铁等成为首个拥有2 0 0 公里以上轨道交通线路的中国城市，地铁通达的行 政区将增加到1 3 个。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。 这些轨道交通的建设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，到2 0 1 0 年，我国约有1 3 座城市新建轨 道交通2 6 条线，总长度为1 2 0 0 公里，投入施工的盾构机将达1 0 0 多台，作为 世界上最先进的隧道掘进设备，盾构机在中国的隧道及地下工程施工中的应用 机会将越来越多馏儿引。 世界上不少发达国家，如欧美一些国家和日本，较早地在地下隧道施工中 应用了盾构掘进机。其中，日本虽然盾构法起步比英国晚1 0 0 多年，但日本的 发展速度较快，8 0 年代以来，日本无论是新型盾构法的开发，还是盾构的制作 数量、盾构法建造的隧道的长度、承包海外盾构隧道工程的数量和地区、有关 刊登盾构法刊物的数量、向国际隧道学会提交的论文及发展规划建议的数量等 等，均居于领先地位n 鄙嘲口3 。由此也带动了世界相关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施工的高效及安全性， 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，保证尽量小的丌挖面扰动， 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，因为大规模地铁建设的 同时也带来了不少问题，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。 2 第1 章绪论 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。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，提高施工质量，避免施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随删。 盾构监控技术作为保障施工的一项重要技术，在盾构技术迅速发展的同时 也在不断地发展、完善。从2 0 世纪初期借助于光学仪器、机械仪表的盾构监控 技术，到5 0 年代以电容、电阻为传感基质的晶体管电测数据采集技术，以及7 0 年代末期随着集成电路( i c ) 技术的应用产生的可编程控制技术( p l c ) ，标志着 盾构监控i c 时代的到来。到了2 0 世纪8 0 年代末，一些发达国家如日本、德国、 美国、法国、英国等己开始将传感器、仪表、p l c 、计算机等集成到数据采集系 统中，实现了隧道施工的信息化。同时，盾构控制技术也随着计算机应用技术 的完善而向自动化方向发展。在硬件环境方面，计算机工控系统、数模转换技 术( d a ) 等得到应用；在软件环境方面，开发环境、开发工具日趋丰富完善。早 期的计算机控制系统基本上是在专用操作系统( o s ) 上进行设计的，它主要考虑 到如何实现实时控制，8 0 年代以后，办公自动化( o a ) 中使用的d o s 和u n i x 操作 系统开始导入盾构控制系统，开发了许多实际控制系统。现在，进行控制系统 及其相关产品的开发一般都以更为直观的w i n d o w s 作为开发平台。与此相对应， 基于m a t l a b 、m a t r i x 等数值计算的通用软件包亦得到了广泛的应用，在此基础 上构成的控制系统设计工具，可较方便的进行控制系统软件设计。随着双绞线、 同轴电缆、光纤等构成的网络信号传输系统被普遍应用，为以后盾构施工的远 程控制与管理奠定了基础。此外，信息技术、数字仿真技术、三维动画技术、 多媒体技术等相继发展成熟，并集成应用到隧道施工中，使得整个施工过程的 控制变得更加形象直观。目前，盾构的控制与管理系统j 下向采集与控制自动化、 参数信息数字化、决策系统智能化、管理系统网络化方向发展，为盾构的施工 控制与管理，提供了有力的保障。 3 第1 章绪论 在9 0 年代中期，在引进日本泥水平衡盾构的基础上，我们消化吸收了其部 分电气监控技术，并应用到国产土压平衡盾构中，但一些核心模块仍然直接沿 用原先控制管理技术。到目前为止，国产盾构的电气监控与施工管理仍处于初 步阶段。 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： 1 对盾构施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。 该公司是国内唯家专业从事为地铁区间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 监控管理系统显得同益紧迫。 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。 4 第1 章绪论 1 2 课题研究内容及思路 智能信息化盾构施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 地质探测专家系统化 姿态控制智能化 数据信息网络化 本课题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、盾构姿态及施工状态参数信息的网络化传输，关系图如图1 1 所示。 i j 第1 章绪论 图1 1 各子项目相互关系图 我的论文主要是进行盾构施工的信息传输与集成系统的研究，其目的是为 了便于对施工现场情况的掌控，同时减少工作人员在现场的工作量，并在保证 工作人员的安全性的基础上提高工作效率、增强管理，因此对盾构掘进过程的 实时监控显得十分有必要。盾构施工的信息传输与集成系统的研究就是利用现 代化的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通过一系列的通讯设备以及 网络传送到监控中心进行显示和记录，对特殊情况如油温异常情况进行预警等， 并将所有现场施工参数发布到网上做到真正的随时随地的实时监控，这样各施 工工地可以互相查看数据和图像，保证各方施工的协作正常。 这个项目主要通过设备远程监控技术与计算机网络技术相结合，在盾构施 工现场建立状态监测点，采集设备状态参数并传输到总部监控中心，在监控中 心对设备状态参数进行管理与分析，并将参数进行网上发布。我将通过对盾构 旌工法和在线及远程监控技术及其无线传输网络的理解，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、可靠、安全的到达目的地。这种盾构施工信息传输系统的实 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，保证 旋工的高效率。 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； 2 提出了盾构施工信息化处理手段和方案，搭建了施工参数网络化传输模 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网络化传输的 具体通讯方案； 4 建立了基于无线网络的传输方案及技术思路来实现现场施工参数的远程 传输； 5 设计了施工参数数据库结构，完成了数据采集与传输所需的程序设计， 6 第1 章绪论 并实现了所有数据的网上发布，达到信息化管理的目的。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题的背景、来源及其意义，根据盾构公司所给出的科研 项目的具体要求提出了自己论文的方向和研究的思路，最后对本论文的创新点 进行了归纳。 7 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 2 1 盾构法隧道概述 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿着隧道设计轴线开挖土 体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起到防护开 挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被简称为盾 构。盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。 也就是使用盾构机，一边控制着开挖面及围岩不发生坍塌失稳，边进行隧道 掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而 修筑隧道的方法u 伽1 。 2 1 1 盾构掘进机简介 1 8 1 8 年，英国工程师布伦诺尔设计出一种挖掘机，在泰晤士河底下挖掘隧 道。他观察过一种叫凿船虫的蛀木软体动物，发现这种虫子利用圆管形硬壳支 撑孔洞再用分泌物涂在孔的四周，然后继续向前钻进。于是受到启发，制造了 一个箱形铁壳，利用千斤顶在松软的土壤中向前推进，挖掘工人则在铁壳内一 面挖掘，一面在隧道内壁衬砖，这便是人类的第一台盾构n 副。 盾构机在整个盾构法隧道的应用中起着非常重要的作用。盾构掘进机 ( s h i e l d ) 是一种隧道掘进的专用工程机械，盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳 定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳；所谓构是指构成隧道衬砌的管片 和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中，土体不具 有自立稳定性，所以保持开挖面稳定的系统( 盾) 就非常重要。现代盾构掘进 机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通 讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有丌挖切削土体、输送 土渣、拼装管片、隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，是目前最先进的隧道掘进 设备3n 3 。 由于盾构法隧道得到广泛应用，从2 0 世纪6 0 年代以来，盾构技术发展极 快，为适应各种不同的土质，所以形成盾构的种类繁多。盾构选型是根据不同 8 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 的工程地质、水文地质条件与施工环境的要求，合理地选择盾构掘进机，对保 证施工质量，保护地面与建筑物和加快施工进度是至关重要的。盾构的种类按 其构造特点和开挖方法，可归纳为以下几种类型：手掘系统盾构( 分为手掘式 盾构、挤压式盾构和网络式盾构) 、半机械式盾构、机械系统盾构( 机械式盾 构、泥水加压式盾构、土压平衡式盾构) 。在盾构使用的早期阶段，没有压力 舱的敞开式盾构曾一度广泛的受到使用。但是近1 0 年，由于设置压力舱的闭胸 式盾构在控制围岩稳定性方面发挥出的卓越作用，敞开式盾构使用越来越少， 可以将其称为旧式盾构。而我们现在常说的、常用的多为闭胸式盾构，也可将 其称为现代盾构。现代盾构主要有两大类，也就是土压平衡式盾构和泥水加压 式盾构n 们n 妇。我的论文主要是研究关于土压平衡式盾构施工信息的传输。 2 1 2 土压平衡式盾构机掘进技术n 阳 土压平衡式盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构，这种盾构是在局部气 压盾构和泥水加压盾构的基础上发展起来的。该盾构的前端有一个全断面切削 刀盘，在盾构中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出口在密封舱外。 其施工方法是保持开挖面的稳定，在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖下来的 土砂，并保持一定的土压力。 土压平衡式盾构主要由以下几部分组成：盾构壳体、刀盘及驱动系统、螺 旋输送机、管片拼装机、推进系统、皮带输送机、人行闸、液压系统、电气控 制系统、集中润滑系统、加泥系统、水冷却系统、盾尾密封系统、衬背注浆系 统、车架、双梁吊运机构和单梁吊运机构。 它一般不需要辅助技术措施，本身具备改善土体的性能，通过对各种土体 的改良，能适应多种环境和地层的要求。土压平衡式盾构可以分为两类：一类 是在粘性土地层中将开挖下来的土体直接充填在切削腔内，用螺旋输送机调整 土压，使土舱内土体与开挖面水土压平衡；另一类是在砂性土地层中向开挖下 来的土砂中加入适量的水或泥浆、添加剂等，通过搅拌以匀质、具有流动性的 土体充填土舱和螺旋机，达到工作面的稳定。 其工作原理是在刀盘扭矩力和推进油缸顶力的作用下，利用安装在盾构最 前面的全断面切削刀盘，对土体进行切削，切削下的土体经刀盘进土槽并进入 土舱，通过配备的加泥系统对充满土舱的切削土进行改良，使其具有良好的塑 9 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 流性，通过可控制转速的螺旋输送机，控制土舱的出土量，使土舱内的改良土 保持一定的压力，使之与开挖面的土压力保持动态平衡，以减少盾构推进对地 层土体的扰动，达到控制地面沉降的目的。螺旋运输机是靠转速控制来掌握出 土量，出土量要密切配合刀盘切削速度，以保持密封舱内始终充满泥土而又不 致于过于饱满。这种盾构避免了局部气压盾构的主要缺点，也省略了泥水加压 盾构投资较大的控制系统、泥水输送系统和泥水处理等设备。 土压平衡式盾构施工工艺流程图如图2 1 所示。 图2 1 土压平衡式盾构施工工艺流程图 1 0 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 2 1 3 盾构法隧道施工技术的特点n 们m 1 盾构法隧道施工技术的特点可以归纳为以下几点： ( 1 ) 对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除在盾构竖井处需要一定的 施工场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁，因此对城市的商业、 交通、住居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物和河流，并在地下穿过各种 埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。施工一般不需要采取地下水降水等 措旌，也无噪声、振动等施工污染。 ( 2 ) 盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾 构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、 制造、或改造，所以是适合于某一区问的专用设备。当将盾构机转用于其它区 段或其他隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本 条件是否相同，有差异时要进行改造。 ( 3 ) 对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求 非常之高，管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调 整，对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。 ( 4 ) 盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于 管片外径小于盾构外径，如果后退必须拆除已拼装的管片，这是非常危险的。 另外盾构后退也会引起开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。所以， 盾构施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通 过实施辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。 ( 5 ) 盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制 信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。 2 2 盾构法隧道信息化施工技术 2 2 1 盾构信息化旋工技术简介n 翻 所谓信息化施工，即在施工过程中，以质量控制为目标，通过对大量施工 及监测信息的采集、分解、分类以及处理，提取施工参数中影响施工质量的控 制变量及其对应的信息因子，通过渐进逼近的方法将控制变量进行全过程调整 1 l 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 和优化，指导整个施工过程。同时依据前步施工监测信息及旌工参数的变化规 律，推断下步施工工况及其对策。施工影响与控制贯穿于整个施工过程始终， 它是一个动态跟踪的过程。 在隧道工程方面，信息化施工的基本概念最初起源于新奥法( n e w a u s t r a l i a nt u n n e l i n gm e t h o d s ，n a t m ) ，它主要应用于岩石隧道的设计与施 工。反演分析作为信息化施工的基本手段，一直以来作为信息化施工的代名词 使用。最初的收敛反馈法仅以隧道开挖后稳定时的量测信息作为其随时间而变 化的状态量进行反演分析。实际上，隧道开挖后，地层的稳定性、支护的受力 特性均随时间而改变，基于此，后又提出了考虑时空效应的隧道收敛反馈理论 的思想。 2 0 世纪7 0 年代，以现场位移量测和应力量测为基础的反演分析研究逐渐取 得了成果。意大利、法国、西德以及中国的许多专家相继提出各种反演分析地 下结构及其地层共同作用性质的理论和方法。2 0 世纪8 0 年代，国内外不少学者 开始把反演分析延伸到软土隧道领域。但大都沿用岩石隧道的一些方法，未取 得大的进展，工程应用效果也不明显。这主要是由于软土隧道的设计和施工与 岩石隧道有着本质的区别。首先软土隧道( 指预制衬砌如管片隧道) 的设计在 施工前已结束，不延伸至施工阶段，这使得地层稳定的维持仅依赖于施工技术 和工艺；其次软土隧道施工工艺的改变盾构技术，尤其是新型土压、泥水 平衡盾构自动化技术的提高使施工参数更为复杂。 由此我们可以知道反分析方法在工程中的应用并不等于真正的信息化施 工。反分析只能针对一小部分可采用力学模拟的参数进行反演，对于大多数无 法采用力学模拟的施工参数，似乎显得无能为力。而这些参数对于施工控制往 往起到了至关重要的作用，因此必须采用系统控制的方法，对系统的所有控制 参数进行实时采集并引进反馈作用，来代替常规的反演分析才能实现真正意义 上的信息化施工，因此建立好盾构施工的监控系统是实现盾构施工信息化的基 础。 2 2 2 盾构电气监控系统及远程监控技术的发展 随着信息技术的发展，计算机技术越来越多的应用于现代的盾构法隧道施 工，这样大大提高了施工的质量和速度。2 0 世纪8 0 年代末，世界上一些发达国 1 2 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 家制造的先进盾构已开始采用由传感器、仪表、p l c 、计算机网络组成的盾构集 散监控系统，实现盾构信息化施工。 盾构电气监控系统是由供配电设备、传感器、仪表、p l c 控制器、计算机等 组成。它主要是系统地协调供配电、传感器、仪表、控制器、计算机的电量关 系；系统地协调软件和硬件的关系，在此基础上建立盾构控制模型，确定供配 电器件、传感器、仪表、p l c 、计算机基本配制；确定p l c 的i o 口信息的性质、 流向、数量；确定系统的逻辑和时序关系、数值变换关系。 下面我以地铁1 0 号土压平衡盾构为例，大致介绍下该盾构的电气监控系统。 该盾构总装机容量6 7 0 k w ，i o k v 供电，3 8 0 v 配电。系统控制2 5 台电动机、7 2 个电磁阀，通过液压系统实现对刀盘、推进千斤顶、螺旋机、拼装机等设备的 控制。系统配制压力、转速、行程、姿态等各种传感器3 2 套以检测盾构和施工 的各种参数。控制系统采用日本三菱公司a 系列p l c 。系统配置p l c 主控制器1 套，p l c 从控制器2 套，p l c 的d i 模块9 块、d o 模块8 块、a i 模块5 块、 a o 模块4 块。p l c 与计算机之间采用r s 2 3 2 标准接口，与所配制的工业控制计 算机组成土压平衡盾构集散监控系统n 引。 有了这个监控系统，我们大大提高了盾构掘进的操控性及可靠性，但是随 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 施工方向发展，为保证盾构系统的正常施工和管理，配备功能更加齐全的监控 系统不仅必要，而且又是盾构施工管理的重要组成部分。 目前，我国各施工单位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u 引： 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，时问上也不及时。 3 。地层变形预测少 1 3 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 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。 针对以上这些问题，近期以建立一套盾构法隧道施工的监控管理系统的新 的信息化施工技术正在发展中，这项技术是以在线实时远程监测盾构施工中的 各个参数为主，并整理分析方便以后及时研究各监测结果与时间和空间的坐标 的相关性，以掌握它们的变化规律和发展趋势。 为了实现这样的信息化传输，远程监控技术被引入到盾构技术中。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m ，。 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。 我们完全有理由相信这种远程监控系统是保证盾构机高质量、高速度、高 效率和安全运行的关键技术之一，它一方面对盾构机自身的工作状态进行监测、 控制、诊断和维护，另一方面对盾构机的掘进方向进行正确的引导。 那么，未来盾构机的发展趋势是：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，使盾构机的设计能力 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丌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 1 4 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 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；同时，还会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 进行纠偏等n 钔。 2 3 盾构施工信息实时传输方案设计 2 3 1 盾构施工时存在的问题 盾构施工时是在地下进行的，与地面建筑相比，地下构筑物处于土层介质 之中，这使得后者在变形特性、物理结构、温度和水侵蚀效应等众多方面具有 明显的离散性、非连续性和非线性特点。因此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，随着地下 空间开发的迅猛发展，施工企业往往会面临同期施工多项工程并且工程的分布 比较广等一些问题，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。 目前上海地铁工程所面临的问题是：规模大，工程多；有经验的管理人员 有限；施工单位水平良莠不齐；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，如何快速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，有效的进行工程的管理和全面的技术 支持；如何在复杂情况下的保证施工安全等等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。 现在传统的信息化施工方法在盾构法隧道如此大规模工程的管理中，往往 会暴露出以下问题： 1 ) 施工出现问题时，由于监测、监理等单位与管理单位不能快速进行沟通， 管理单位无法及时了解现场问题所在，无法及时采取措施避免问题进步发展， 从而贻误解决问题的最佳时机； 1 5 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 2 ) 数据管理手段落后，只有通过现场工作人员手工记录来收集数据，无法 对数据进行有效的管理； 3 ) 各个监测单位之间的水平良莠不齐，无法将监测的数据进行有效的处 理； 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， 再加上赶工期，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 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。一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。 2 3 2 盾构施工信息实时传输系统设计原则 盾构旋工信息实时传输系统以及时、全面、准确的掌握盾构工作面前方实 时情况、盾构施工参数、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，使得系统具有可靠性，开放性，先进性，可扩 展性等特点。具体而言，应该遵守以下几点原则n 引： 1 ) 系统通常都是工作在比较恶劣的环境中，各种干扰会对系统的正常工作 产生影响，所以系统的可靠性放在第一位，以保证施工安全、可靠和稳定地运 行。计算机尽可能采用工业控制用计算机，采用高质量的电源，采用各种抗干 扰措施，采用多种冗余工作方式等，这些措施可以确保整个计算机系统的高可 靠性。 16 第2 章盾构法隧道技术及其施工信息实时传输方案设计 2 ) 系统设计时做到以人为本，人机界面友好，方便操作、运行，易于维护； 对于人机界面可以采用c r t 、l c d 或者是触摸屏，使得操作人员可以对现场各种 情况一目了然。系统硬件尽可能按模块化设计，系统软件开发应方便调整，在 隧道施工过程中确保硬件和软件运行的顺畅。 3 ) 计算机网络应该分层次、分功能、分系统，完成统一监控、操作、通信、 维护等功能，是一个多系统的集成。其中包括：数据采集、传输网络、数据发 布、数据维护等子系统。各分系统于主系统间功能明确，且保持相对独立性， 各个分系统均有自诊断功能，以便及时准确地发现异常和