（机械电子工程专业论文）盾构前向探测信息传输系统研究.pdf

摘要 摘要 影响盾构掘进施工质量的因素很多，其中开挖面前方的地质情况，包括特 殊岩层、流沙、沉船、桩等时盾构掘进过程中需要十分密切关注的环境因素。 为了保证盾构正常施工和管理，实时探测系统不仅必要，而且也是盾构施工管 理的重要组成部分。盾构前向探测信息传输系统时保证盾构高质量、高速度、 高效率和安全运行的关键技术。结合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，对盾构前向信息的传输以及相关的 盾构改造做了较为系统的研究。 本文首先阐述了如何根据前向探测信息传输系统的需要对盾构刀盘以及其 中心回转接头进行了改造。根据实际需要，首先从介电常数，磁导率，抗冲击 强的等方面选择了适合的工程材料来保护雷达并且尽可能不阻碍雷达电磁波的 发射和接收；其次确定雷达在刀盘上的安装位置以及雷达保护盒的设计；最后， 通过对盾构中心回转接头的研究设计了其机械改造方案来保证信息传输。 根据盾构在施工状态下工作环境恶劣，电磁干扰十分严重的实际工况，在 电磁场理论的基础上对信息传输系统进行了分析。在此基础上搭建了一套雷达 探测以及图像传输实验平台，实验结果较好的证明了探地雷达应用在盾构前方 土质探测的可行性和有效性。 关键词：盾构，探地雷达，机械改造，信息传输系统，电磁干扰，实验 a b s t r a c t t h el o g g i n gq u a l i t yo fs h i e l d e dt u n n e lb o r i n gm a c h i n e sc o n s t r u c t i o nc o v e r s m a n ya s p e c t s ，e s p e c i a l l yi n v o l v i n gt h ef r o n t a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o ns u c ha ss p e c i a l r o c k s , q u i c k s a n d , w r e c k sa n ds i n k i n gp i l e s t h ea b o v el i s t e de n v i r o n m e n t a lf a c t o r s a l ea l ln e e d e dt ob ec o n c e r n e d s ot h er e a l - t i m ed e t e c t i o ns y s t e mi sn o to n l y n e c e s s a r yb u ta l s oa ni m p o r t a n ts e c t i o no ft h es h i e l dm a c h i n e sm a n a g e m e n tt o g u a r a n t e et h em a n a g e m e n t o ft h es h i e l dt u n n e lm a c h i n e t h ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ff r o n t a ld e t e c t i o ni sak e yt e c h n i q u ef o rt h a tt h es h i e l dt u n n e l m a c h i n e no p e r a t ew i t hl i i g hq u a l i t y , h i g hs p e e da n dh i g he f f i c i e n c ys a f e l y t h e w r i t e rm a k e sas y s t e m i cs t u d yt ot h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo ff r o n t a l d e t e c t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gs h i e l dm a c h i n e sr e c o n s t r u c t i o nb a s e do nt h ep r o j e c t o fs h a n g h a im e t r os h i e l dm a c h i n e ： 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 d m a c h i n e ” f i r s t l y , t h et h e s i sp r e s e n t sh o wt ot a k et h em e c h a n i c a lm o d i f i c a t i o nf o rt h e c e n t r a ls w i v e lj o i n ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m o ff r o n t a ld e t e c t i o n t h ew r i t e ra l s od e s i g n sar a d a rb o xf o rt h em a c h i n ea n d c h o o s e sak i n d o fs u i t a b l em a t e r i a la st h ec o v e ro ft h er a d a rt op r o t e c tt h eg p r s e c o n d l y , t h ew r i t e rd e s i g n sai n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hc e r t a i n e l e c t r o m a g n e t i cs c r e e nc a p a b i l i t yf o rt h e r ea r eal o to fn o i s e sa n de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e sw h e nt h es h i e l dm a c h i n eo p e r a t e s t h i r d l y , t h ew r i t e rb u i l d sa ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fi m a g et r a n s m i s s i o n t h e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n t sv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ea p p l i c a t i o no f g p rt od e t e c tt h ef r o n t a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r , m e c h a n i c a lr e c o n s t r u c t i o n , p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，m a t l a b ，e m i ， e x p e r i m e n t 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： 和予袅 卿年3 月7 1 3 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： 杨球 网年3 只t 7b 第l 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 目前，我国处于高速发展时期，铁路、公路、水电、市政及有关管线等基 础设施建设力度大，隧道及地下工程建设较以往无论在规模和数量上都有了大 幅度的提高。这些隧道的建设相当一部分将会采用先进的盾构法施工。 在城市地铁建设方面，由于盾构施工能解决污染环境，地面沉降、地面交 通、地下水、隧道埋深加大等难题，应用比例将不断加大。如上海已建成的地 铁线路及几条穿越黄浦江过江隧道均采用盾构机施工，广州、深圳、南京地铁 以及北京5 号线隧道也已采用或准备采用盾构机施工。以今后一段时间内我国 各城市地铁建设的规模和数量估计，如按3 0 采用盾构法施工，将需要盾构机 4 0 5 0 台左右。 除此之外，盾构法隧道施工在诸如地下供水管道、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，我国今后二十年内，各 类隧道所需投入的盾构机总数量将达到2 0 0 0 台之多。盾构技术将在我国迅速生 根开花并结出硕果1 3 1 | 。 1 2 盾构机的现状发展方向 1 2 i 盾构法的基本概念 盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法，在盾构掘进过程中，一方面 要控制开挖面和围岩不发生坍塌失稳，另一方面进行隧道掘进、出渣，并在盾 构机内拼装管片形成衬砌、实时壁后注浆1 。 盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支持围岩的盾形 钢壳。“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。图1 1 是盾构机的主体示 意图。 第1 章绪论 1 2 2 盾构机的主要特点 图1 1 盾构机主体示意图 ( 1 ) 、除竖井外，旌工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少 对附近居民的噪音和振动影响； ( 2 ) 、盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理， 施工人员减少； ( 3 ) 、土方量较少； ( 4 ) 、穿越河道时不影响航运； ( 5 ) 、施工不受风雨等气候条件影响； ( 6 ) 、在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术 优越性。 1 2 3 国内外盾构技术简史和新技术 盾构法问世已有1 8 0 年。1 8 2 5 年英国人m l b r u n e l 在蛀虫钻孔的启示下， 最早提出了盾构法建设隧道的方法，并于1 8 2 5 年在穿越泰晤士河的隧道中第一 次使用一个断面高6 8 m 、宽1 1 4 m 的矩形盾构修建了一条隧道。1 8 3 0 年l o r d 第1 章绪论 c o c h r a n c e 发明了施加压缩空气的“压气法”以解决盾构穿越饱和含水地层时防 止涌水的问题。1 0 年后，g - r e a t h e a d 首创了在盾尾衬砌外部盾尾空隙中注浆以控 制地基变形的壁后注浆方法，进一步推动了盾构法隧道在城市建设中的应用。 1 8 6 5 年巴尔劳首次采用圆形断面盾构，之后这种盾面就成为盾构隧道的基本断 面。2 0 世纪6 0 7 0 年代，继法国研制了泥水加压式盾构后，日本也研究开发了 土压平衡式盾构，这种闭胸式头部、刀盘机械开挖的技术结合管片衬砌、壁后 注浆及防水技术成为近4 0 年盾构技术的主流”1 。 我国上世纪5 0 年代初首次在东北阜新煤矿采用盾构法修建了直径2 6 m 的 输水巷道，1 9 6 6 年在上海采用网格式挤压盾构修建了直径达到1 0 m 的打浦路越 江隧道，8 0 年代初期上海开始使用土压平衡式盾构进行地铁隧道的修建，8 0 年 代末期我国开始使用泥水加压式盾构，并在1 9 9 4 年成功地进行了上海延安东路 南线越江隧道工程。至今有多项重点隧道工程均采用了盾构法施工，如，南水 北调中线工程穿黄工程、西气东输工程通过长江采用泥水加压式盾构施工，南 京地铁一号线钓鱼台工作井至山街站南端头井区间采用了土压平衡铰接式盾构 施工等等旧狮。 最近几年，随着世界范围内隧道施工的增多，为了适应复杂多变的工程条 件以及降低施工费用，盾构施工技术得到了长足的发展，如： ( 1 ) 特殊断面盾构施工技术。可分为复圆形盾构和非圆形盾构两类。其 中，复圆形盾构包括双圆盾构和三圆盾构。非圆形盾构有椭圆形盾构、马蹄形 盾构、矩形盾构和半圆形盾构。 ( 2 ) 微型盾构施工技术。直径在2 3 m 的微型盾构技术，其盾构设备均需 要小型化，在旧市政管道的改造方面有很大的生命力。 ( 3 ) 长距离盾构施工技术。这对盾构机中刀盘、刀头及轴承止水带、盾 尾止水带的耐久性提出了很高的要求。目前较多采用对接盾构隧道的方式。 ( 4 ) 球体盾构施工技术。又称直角方向连续掘进施工法，可分为纵、横 连续掘进和、横连续掘进两种。球体盾构不仅省去了竖井，而且缩短修筑工期。 ( 5 ) 智能盾构施工技术。对盾构掘进施工中现有姿态数据的测量和分析， 对影响盾构姿态的地质条件进行探测，寻找影响盾构掘进姿态的参数及其变化 规律，制定一整套针对掘进过程中的精确动态测量系统和自动化咨询控制系统， 实现盾构掘进工程中的信息化、智能化、自动化。 第1 章绪论 1 3 盾构开挖面的地质和障碍物探测 1 3 1 盾构施工系统自动化现状 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，由此也带动了科研人员对盾构法旌工中引发的各种问题迸 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 尽量准确地沿设计路线自动推进，保证尽量少的环境破坏，从而保证旌工质量 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。大规模地铁建设的同时也带来了不少问题。 首先，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哪! 。 由于盾构机掘进技术进入中国较晚，大部分时间都在应用这些大型设备， 而对其在使用过程中的问题研究较少。到近几年，随着建设方对施工质量和工 作效率的重视，以及对环境的重视，根据各施工单位反映的情况，一些研究机 构开始针对盾构机掘进施工过程中的问题开展研究，并为实现控制自动化作了 部分努力，然而收效甚微，原因是各施工现场采集的数据量大，规律性差，我 国地质条件差别较大，导致采集到的盾构推进数据不具有代表性等原因。值得 庆幸的是，各施工单位十分注重现场数据的采集，这为进一步精确的研究提供 了条件。目前所作的部分研究成果基本上只是理论上的结论，无法具体实施。 如何建立更精确的数学模型和控制方法并得到实施是目前该领域的研究难点和 重点之一 3 0 1 。 实现盾构姿态控制的智能化，同时将相关数据和信息利用文字、表格或图 像形式进行网络化传输，实现全程实时监控即数据信息网络化。就要对盾构掘 进过程中的姿态测量实现自动化、对开挖面前方地质情况探测实现专家系统化， 第1 章绪论 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来控制盾构机“。 本课题来自于上海地铁盾构设备有限公司的“智能信息化盾构施工辅助技 术研究”课题中的子课题。目的是研究通过将g p r 雷达安装在盾构刀盘上，并 且通过网络化传输实时预报盾构施工前方土质状况的可能性。 1 3 2 盾构开挖面的地质探测研究现状 在盾构工作面前方，对不良地质体( 断层破碎带、岩溶洞穴、富水区等) 实施超前预报是设计、施工部门共同关心的问题。突然出现的不良地质体，会 造成工作面塌方，涌水。轻则延误工期，增加施工费用，重则造成机毁人亡， 后果不堪设想。所以进入九十年代后，国内外都十分重视隧道工作面前方不良 地质预报的技术研究，也由此而产生了一系列的预报方法： 8 ) 隧道地震波超前预报( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) ：该技术于1 9 9 5 年由瑞士a m b e r g 测量技术有限责任公司开发，它是根据引爆微型炸药，通过接 收并分析反射回来的地震波评估隧道前方与周围的地层状况。分析探测的最长 距离可达1 5 0 l i l 以上。已经在梅坎铁路松南隧道、内昆线闸上隧道等多处应用， 但需要布设爆破孔位，操作复杂，要求精度高，做t s p 需停工，而且接收器对 环境要求严格，存在较多问题”1 。 b ) 地质钻孔：从钻进速度以及对钻出来的岩石颗粒或取出的岩心来对前方 进行分析预测。从钻进速度的快慢可以分析得到前方的均质情况及软硬情况； 对钻出来的岩石颗粒进行分析，可得出前方岩性和水文情况。 c ) 水平声波剖面法( h s p ) ：这种方法是通过分析反射回来的声波特性反映 地层状况。具有时间短、对施工的干扰小和探测距离基本在5 0 m 以内等优点。 但判断软弱岩石有待进一步的研究，另外还难以对含水层进行预测。 d ) 地电阻影像探测：它以岩层中介质的电阻率以及导电性来判断介质的分 布。该技术主要依赖于介质的导电特性，但遇到地层内水的含量低、岩层颗粒 导电差时难以应用。 e ) g p r 探地雷达超前预报。在国内外较常用，该技术采用电磁波反射原理， 判断地层中的结构、空洞等。探测速度快，操作简单。 第1 章绪论 1 3 3 探地雷达( g p r ) 在盾构前向在线探测中的应用情况 探底雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r 简称g p r ) 是以地下不同介质的电 磁性质的差异为物理前提的一种高频电磁技术。电磁波在介质中传播时，其路 径、波形将随所通过介质的电性质和几何形态的不同而变化，反射界面的深度 可由公式d = v x a t 2 = ；：x 缸2 求得。( c 为电磁波在空气中的介电常数，a t q s r 为电磁波在探测介质中的双程旅行时间，占，为介质的相对介电常数值) 。g p r 通常在盾构停工状态或者在盾构施工之前应用，但由于地下地质情况的特殊性， 效果并不明显。因此将雷达直接安装在盾构掌子面进行实时测了就显得十分必 要。 目前的盾构开挖面的地质探测预报方法和探地雷达方法的不同，具体比较 见表1 ，1 所示讲1 ”。 表1 1 目前的超前预报方法和本课题研究方法的比较 目前超前预报所应用技术和方法存在谋题研究的目的和优势： 的日j 题： 1 在长距离上对前方地质做超前的预 1 实现开挖前方短距离( 3 米) 超前地 报，探测缺乏高精度和准确性； 质预报，具有较高的探测精度和准 2 探测时需要停工，影响工作进度，增确性； 加工稃成本；2 具有实时探测的功能特点，无需停 3 探测方法均需要在隧道开挖前方布工，缩减工程成本； 置测点和测线以及网格，步骤繁琐： 3 无需进行布线等准备工作； 4 盾构机上实时前向探测技术目前研 4 雷达图像三维可视化，易解释； 究甚少。 5 所获数据商接给盾构进行控制。 第1 章绪论 1 4 论文创新点 1 4 1 论文创新点： ( 1 ) 将探地雷达应用到盾构施工刀盘前方进行在线实时探测。 ( 2 ) 根据雷达传输和盾构结构的特殊性，对盾构刀盘和中心回转接头进行 了改造。 ( 3 ) 根据盾构的工作环境，设计了新的雷达信号无线传输系统。 ( 4 ) 用实验手段验证了无线传输系统应用在探地雷达信号传输系统的可行 性。 1 4 2 论文所做的主要工作 本文所作的主要工作如下： ( 1 ) 探讨了保护安装在盾构掌子面的雷达防护板的材料选择和雷达保护盒 的设计及其安装位置。 ( 2 ) 根据盾构工作状态的特殊性，对中心回转接头进行了机械改造。 ( 3 ) 比较有线与无线传输系统的优缺点，并且设计了一种适合盾构现场施 工所需的雷达信号无线传输系统。 ( 4 ) 研究盾构施工状态下电磁场对信号传输系统的电磁干扰机理。 ( 5 ) 探讨了雷达前向探测信号无线传输系统抗噪声的手段。 第2 章盾构机的机械改造 2 1g p r 技术概述 第2 章盾构机的机械改造 地质雷达法是一种地下高频一超高频电磁波反射探测技术，根据反射波解 释地下目标。地质雷达的探测施工布置比较灵活。在进行超前探测时，可沿掌 子面分多个水平按一定距离布置探测点，每个测点还可改面方位角和俯仰角探 测，构成许多向前探测的水平纵剖面和垂直纵剖面，从而探测掌子面前方周边 范围内的地质构造和地质异常，如断层、溶洞、软弱围岩等。与其它地球物理 勘探手段相比，它具有一下技术上的优势： 探测范围广： g p r 对媒质的三个电磁特性( 介电常数、电导率和磁导率) 的改变都可以 探测。这样g p r 不仅可以探测金属目标而且可以探测非金属目标。 1 、非破坏性： g p r 是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程 现场，工作场地条件宽松，适应性强； 2 、高分辨率： 在分辨率和探测深度方面，g p r 具有工程上较满意的分辨率( 方位向和距 离向均可以达到厘米级分辨率) ； 3 、预警性： g p r 系统可以探测其前方区域的地下目标，可提前探测到危险的目标而避 免了不必要的损失。应用在盾构施工过程中，可以有效的预报盾构前方的空洞， 沉桩，特殊地质等情况。 4 ，方便实用： 探地雷达可以连续探测，现场直接提供实时剖面记录图，图像比较清晰直 观，而且设备简单，操作方便。 第2 章盾构机的机械改造 2 1 1 探地雷达原理 地质雷达利用高频电磁波，以宽频带短脉冲形式由地面通过天线t 送入地 下，经地下层或目标体反射后返回地面，为接受天线r 所接收，脉冲波行程所 需的时间f ：= 函j 可i ，电磁波在介质中的传播速度可以宽角方式直接测 量，也可按y * c ，万( c 为光速) 。s ，为地下介质的相对介电常数。可按照h = o 5 v t 来计算反射体的深度【3 1 1 4 。 2 1 2i d s k 2 型探地雷达 置1 图2 1g p r 系统示意图 本课题所选用的雷达为意大利i d s 公司研发的新一代探地雷达设备，配备 体积小、重量轻的多通道探地雷达数据采集单元。它的系统硬件由以下几个部 件组成：d a d 控制单元、天线、笔记本电脑、网络电缆、电池电缆、电池块。 天线分为单天线和天线阵。天线的频率有8 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ， 1 2 0 0 ，1 6 0 0 e - l z 。目前同济大学机械电子实验室已经拥有8 0 m h z ，2 0 0 m h z ，6 0 0 删z 三款天线。低频率天线探测精度将对较低，但探测距离远，高频率天线探测精 度高，探测距离将对较近。根据f c b 盾构的实际刀盘尺寸，本课题选用了 k 2 2 0 0 m h z 雷达作为研究对象。 电性指标：1 2 v 直流电源；电压范围为1 3 5 1 3 8 v 。 环境指标：工作温度一1 0 + 4 0 。c ；相对湿度 0 0 5 x 1 0 7 p a ( 盾构掌子面平均压力) 。而在 加入了玻纤以后的增强形尼龙的疲劳强度还会大大提高。 第2 章盾构机的机械改造 表2 4 尼龙和金属材料的疲劳强度比较 名称比重 1 0 7 周期疲劳强度1 0 7 周期比疲劳强度 ( x 1 0 7 忍)( 1 0 7 p a ) 4 5 玻纤增强p a 6 1 574 7 销合金 2 71 55 6 不锈钢7 8 5 16 5 ( 4 ) 聚酰胺的电性能 各种尼龙的介电性基本相同，介电常数可以通过下式计算： 占= 口l o g f + b ( 2 5 ) 式中：，频率数 t 2 b 常数 根据表2 5 可计算得： s 6 6 = g l o g f + b = - - 0 2 1 0 9 2 0 0 x 1 0 6 + 3 8 = 2 1 4 ( 2 6 ) 占m 6 = 口l o g f + b = - - 0 1 5 1 0 9 2 0 0 x 1 0 6 + 4 2 5 = 3 0 ( 2 7 ) 表2 5 尼龙介电常数的瑾。b 值 名称 口 6 p f 气6 6o ，2 0 3 8 0 p a 6o 1 5 4 2 5 根据2 6 2 7 式计算结果可知，尼龙材料的电性能可以符合实际需要。另外 根据工程塑料手册可知，p a 6 和p a 6 6 的介电损耗为o 0 2 ，对雷达电磁 波的损耗很小，但高于聚甲醛。 3 聚甲醛( p o m ) 聚甲醛学名聚氧化次甲基，俗称“超钢”，是一种没有侧链的高密度，高结 晶性的线型高分子化合物。总体上来所，聚甲醛具有较好的综合性能，如很高 的刚性和硬度，优良的耐疲劳性和耐磨耗性，较小的蠕变性和较耗的电气绝缘 第2 章盾构机的机械改造 性等。 ( 1 ) 聚甲醛的物理性能 在所有的塑料中，聚甲醛有着与金属材料较为接近的比强度和比刚性，能 在很多领域中代替钢、锌、铝、铜及铸铁等金属材料，在通常情况下，聚甲醛 的比强度可达到5 0 5 m p a ，比刚性可达到2 6 5 0 m p a 。 ( 2 ) 聚甲醛的耐摩擦性 聚甲醛的摩擦系数和磨耗量均很小，而极限p v 值又很大，适合用于长期 经受滑动的部位。普通聚甲醛的p v 值可以达到1 2 4 1 0 5 p a m l s ，优于p a 6 ， 根据式2 4 可知，聚甲醛的耐摩擦性可以满足实际施工的需求。 ( 3 ) 聚甲醛的电性能 盾构在工作状态时，需要通过中心回转接头向前方注水来保证前方的土压 平衡，因此聚甲醛的保护板周围的环境非常潮湿，而聚甲醛具有很好电绝缘性， 并且几乎不受湿度的影响。在2 0 1 0 0 。c 温度范围内，聚甲醛的介电常数保持 在占= 3 1 3 9 的水平。见表2 6 可见，聚甲醛的介电损耗很低，对雷达发射的 电磁波的损耗也是最少的。 表2 6 聚甲醛的电性能 项目均聚甲醛 共聚甲醛 3 8 3 7 介电常数( 1 0 6 h z ) 0 0 0 5 0 0 0 7 介电损耗( 1 0 6 h z ) 综合比较了上述两种材料的机械性能，耐磨性和电性能，可以发现聚甲醛 无论是在机械性能，耐磨性能和电性能方面都优于聚酰胺”。 近年来，各种改性塑料也获得了较快的发展，加入3 5 的玻璃纤维或者碳 纤维可以显著增加材料的韧性。因为本课题所采用的是加入了3 5 碳纤的改性 聚甲醛。 盾构实际工况主要根据工作区域地质的变化而变化，在实验室无法模拟雷 达防护板的实际工作状态，而雷达防护板是否有效对雷达起着至关重要的作用， g p r 价值很高，防护板一旦失效将对雷达造成永久性的损坏。因此本课题采用 了将防护板放到实际工作环境中进行测试的方式来试验雷达防护板的可靠性和 有效性。 第2 章盾构机的机械改造 2 5 盾构中心回转接头改造 2 5 1 盾构中心回转接头概述 f c b 中心回转接头主要由固定体和回转体两部分组成。固定体分为六个隔 仓，隔仓由安装在回转体上的密封挡圈分开，六个隔仓分别通2 路高压油，2 路回油路和2 路润滑油油路，2 路油路一路通向刀盘上的超挖刀，另外一路通 向刀盘的侧挖刀，而回转中心接头中间的水管的作用就是为了来平衡土仓内的 压力。f c b 所用的中心回转接头可见图2 8 图2 8f c b 中心回转接头 2 5 2 盾构中心回转接头改造方案 t 方案a ：直接改造回转体和固定体 见图2 9 所示，回转体中心孔为水管，在介面上有6 个通孔，分别为液压 油和润滑油的管路，根据实际需要，在回转体截面上镗一个通孔。从加工工艺 方面考虑，孔径定为2 0 r a m 。 第2 章盾构机的机械改造 图2 9 中心回转接头回转体 儒泰 巡渺 见图2 1 0 所示，将回转中心接头一端车去一部分，并安装上集电环，电源 通过导电刷将电能输送集电环，并最终将电能输送给安装在刀盘上的雷达和无 线信号发射模块。而雷达的图像则通过天线经无线网络传输到后方控制室的工 控机上。 f 肺| 7丢 葑 k ，。缓荔验| | l 荔一 f 佩、 l l 蚪纱。 一 代铉簪骶懋、蒸糌 。四雁飞 图2 1 0 中心回转接头改造总图 2 方案b ：改造中心回转接头水管接口 见图2 1 1 所示，对回转体的改造只需要在其截面上镗通孔，孔径为2 0 r a m 。 由于主要的改造在水管接口上完成，因而不需要对回转体和固定体做大的改造。 此种改造方式的优势在于不需要对回转中心接头的关键部位进行改动，不会影 响到固定体隔仓和油路。并且一旦出现故障的话只需要更换水管接头的部分， 操作比较简便1 4 8 。 第2 章盾构机的机械改造 图2 1 1 中心回转接头回转体 见图2 1 2 所示，方案2 主要改造的是盾构的水管接头，使其适合向刀盘供 电以及无线传输的需要。 图2 1 2 中心回转接头改造总图 由于f c b 原来的水管接头比较短，在对中心回转接头改造以后将会与导电 刷，罩壳等零件产生干涉，因此还必须对水管接头进行改造。水管接头从其本 身来说，也是一个小型的回转接头。水管接头见图2 。1 3 a ) f c b 原水管接头 b ) 改造后的水管接头 图2 1 3 水管接头 第2 章盾构机的机械改造 3 两种方案比较及其方案选择 比较方案l 和方案2 可以发现，方案1 设计结构比较紧凑，但是由于需要 对中心回转接头的关键部分固定体和回转体进行比较大的改造，风险比较大， 特别是固定体内部被分为6 个隔仓，空间十分紧凑，要在固定体上打孔并且安 装导电刷比较困难，对固定体的改造直接将影响到侧挖刀和超挖刀的油路，对 整个盾构机的施工都有很大的影响。另外由于固定体和回转体可供改造的空间 十分有限，对加工工艺也提出了很高的要求。 方案2 ，主要在改造都在水管接头上完成，对中心回转接头的结构几乎没 有任何影响，不会影响固定体的隔仓，最大程度上保证盾构的安全运行。水管 接头处于中心回转接头的后方，有足够的空间，水管接头改造的余地也比较大。 另外由于水管接头不是密封在中心回转接头内，因此不需要等到盾构机一个施 工周期结束就方便的进行更换，一旦出现问题维修也比较方便，并且有比较大 的空间可以安装无线接收装置。 综合上面所属，本文作者采用了第二种方案对回转中心接头进行改造。 2 6 本章小结 探地雷达是种新型的无损检测地下的高科技产物，将其运用到盾构机刀 盘上进行前方在线地质探测是一种创新式的运用，因此有必要对其进行研究。 基于此，本章介绍了探地雷达的基本原理，设计了雷达的安装方案，并在理论 上研究了雷达前方保护材料，最终确定了雷达保护材料的选型。最后又根据雷 达的实际尺寸和无线传输系统的需要，对盾构刀盘和中心回转接头进行了改造。 第3 章无线信息传输系统的设计 第3 章无线信息传输系统的设计 3 1 无线信号传输系统 根据第2 章所提到的盾构施工的特殊状况，雷达信号需要通过无线传输的 方式传输到控制室。目前常用的无线传输方式有蓝牙、红外线、g p r s 以及基于 i e e e 8 0 2 1l b g 的无线局域网等，原理图见3 1 。 3 1 1 雷达与无线信号接收与发射模块 本课题所设计的无线传输系统包括了i d s k 2 雷达部分，雷达和无线信号发 射模块被安装在盾构机的刀盘上，基于8 0 2 1 1 的无线基站现在技术己经非常成 熟，本课题选用的是n e t g e a r 公司的无线a p ，此外