盾构姿态实时监控原理与方法

盾构姿态实时监控原理与方法摘要:本文着重介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法，并对系统软、硬件组成及运行界面进行简略说明。关键词：盾构姿态自动监控1引言盾构姿态的良好保持是盾构法施工的重要控制目标，它直接关系到隧道质量与施工成败，如何实现高水平的盾构姿态实时监控一直是盾构施工人员关心的工程难题，盾构姿态实时监控技术的重要性不言而喻。完整的盾构姿态实时监控系统包括盾构姿态偏差自动监测和自动控制两方面内容。国内使用的盾构姿态监测系统多为国外产品，主要有德国VMT公司的SLS-T系统、英国的ZED系统和日本TOKIMEC的TMG-32B（陀螺仪）系统等，许多地方还在使用人工测量；国内使用的盾构姿态控制系统大多取之于国外盾构生产厂家成套盾构产品中提供的控制功能（注：目前国内也有较成熟的盾构引导控制系统，如我公司使用的上海米度与上海力信两家公司研制生产盾构导向、顶管导向系统、隧道精灵软件等均已较成熟，本人现在使用中，欢迎探讨交流）。由于盾构控制系统富含PLC可编程控制器控制代码及上位控制计算机控制程序，又与具体的控制器件和动力设备的关系极为密切，因而具有一定的技术含量和非标准性。国外有全自动盾构的研究，但少有成功应用的实例。在科学技术突飞猛进的今天，研究先进、自主的盾构姿态实时监控技术，建立盾构姿态实时监控理论、方法，对改善盾构施工水平有着深刻的现实意义。介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法。2盾构姿态监测系统原理根据公路、轨道交通设计规范，公路、轨道交通的设计路线由平曲线和竖曲线组成，平曲线一般包括直线、缓曲线、圆曲线三种，竖曲线一般包括直线、圆曲线（凸曲线、凹曲线）两种。盾构根据公路、地铁隧道设计路线向前推进，盾构姿态通过盾构机轴线和设计路线的偏差比较而求得。实现盾构姿态自动监测仍基于传统的连续支导线测量方法（洞内洞外,洞内主要就是管片的封顶块上吊篮和…此方法已于2008年9月被上海某公司申请注册专利成功…）。在盾构推进之前必须对盾构机进行初始测量，取得盾构机的初始参数。具体方法为：工程测量人员在盾构机体内预设定三个固定目标点P1、P2、P3,此三点必须保证稳固（建议多增设1、2个点备用），同时，在同一坐标系中，确定盾构机特征点坐标，一般取盾构切口中心P01和盾尾中心P02,对上述五点进行初始测量，必须高度精确并保留测量结果。需要说明的是，由于盾构机切口中心和盾尾中心是刚性物体上的虚点，要测定其坐标，可先对盾构机切口和盾尾圆环设点测量，然后运用专用软件（）计算，求得盾构机切口中心和盾尾中心在初始姿态的坐标值。当盾构初始测量完毕进入推进后，运用程控测量技术，在工程坐标系中对三个预设定固定目标点进行连续、跟踪测量，取得三个固定目标点坐标的实时测量值。根据实时测量值,采用刚性空间特征点定位计算技术，求得盾构机盾构切口中心和盾尾中心的实际坐标，并采用设计线型空间微分直线变换的计算方法，得出盾构推进过程中的姿态偏差数据结果。（此过程盾构姿态控制系统大多取之于国外盾构生产厂家成套盾构产品中提供的控制功能）3盾构姿态控制系统原理实现盾构姿态实时控制采用经典的负反馈控制系统，其机理是根据盾构的实时姿态偏差数据和相关参数，求解盾构姿态控制方程，得出盾构推进油缸的编组和控制数据，实施纠偏推进，并根据监测所得新的姿态偏差数据计算下一次推进油缸的编组和控制数据，如此循环，最终实现盾构姿态的实时控制。4盾构姿态偏差参数的求解4．1刚性空间特征点定位计算技术4．1．1问题的提出已知刚性空间任意三点Pl、P2、P3的坐标（条件：不重叠，不在同一直线上）和任一特征点P0的坐标，当Pl、P2、P3三点保持刚性不变的条件下，转换到对应三点PP1、PP2、PP3的新坐标后，如何确定PP0的新坐标？4.1.2计算原理与数值分析刚性空间任意三点Pl、P2、P3（条件：三点不重叠，不在同一直线上）构成的向量空间可以充分确定该刚性空间中的任一特征点PO。Pl、P2、P3三点及特征点P0在保持刚性不变条件下，转换到对应点PP1、PP2、PP3和PPO的新坐标，由于前提确保空间刚性，PP1、PP2、PP3三点构成的向量空间完全等同于Pl、P2、P3三点构成的向量空间。在Pl、P2、P3三点保持刚性不变的情况下求解PP0的计算结果完全准确；在刚性失效的情况下，PPO的坐标中将包含一定的刚性变异量，其变异程度跟刚性失效程度呈正比。在刚性轻微失效的条件下，同样能高精度提供PPO坐标的特性满足了工程施工测量中的实际要求。在实际测量中，当刚性基本不变但测点有偏差的情况下，例如，当测得PPl点正好沿PP2-PP3线有旋转时，PPl点坐标值有误差，但刚性没有变异，此时测点偏差会传递到特征点PPO,其偏差放大程度与PPO点到平面PPl-PP2-PP3的距离有关，距离越大偏差放大越大，距离越小偏差放大越小。4.2盾构姿态偏差参数计算方法4.2.l切口中心水平偏差及垂直偏差、盾尾中心水平偏差和垂直偏差、切口中心里程的计算根据设计路线提供的线型函数，按里程进行微分取值，生成设计线型微分直线线段的端点坐标和里程集，应用数据库技术，不难可以生成微分线段数据库。需要说明的是，通过调节微分参数，可以确保函数微分变换后的计算精度，在一般情况下，隧道工程管片宽度大于l米，微分线段取0.5米足够保证精度需要。基于微分直线段的盾构切口中心姿态偏差计算方法：由盾构头尾中心的实际坐标值，不难得出盾构机切口平面方程，对微分直线段库进行检索计算，可求得穿过盾构切口平面的直线段及交点坐标，该交点与盾构切口中心的水平和垂直距离即为切口中心水平偏差及垂直偏差，该交点至微分线段起点距离加上微分线段起点里程即为盾构切口中心里程。盾构盾尾中心姿态偏差计算方法与盾构切口中心相同。由于设计线型空间微分直线变换，可以改变原隧道设计路线由平曲线和竖曲线结合表达的单一办法，也可以改变设计线型函数局限于公路、轨道交通路线设计规定曲线类型的弊端。通过采用统一的空间微分直线段表达，将大大方便盾构姿态的空间解析并满足不同设计线型的要求。4．2．2盾构水平方向偏差角、纵向坡度偏差、横向自转角的计算。盾构水平方向偏差角、纵向坡度偏差根据盾构头尾中心水平、垂直偏差值和盾构长度参数可直接求得。横向自转角计算需要设置辅助向量。在盾构机初始设定Pl、P2、P3三点时，取盾尾中心点P02垂直线上部某点为参考点，从P02指向该点即得一初始向量。在盾构推进时，此向量一直变化并得到新的当前向量，盾构坡度同时也一直在变化。对初始向量在纵面作坡度调整，求解当前向量与此向量的夹角即为盾构横向自转角。5盾构姿态控制方程的求解5．1求解原则和策略盾构姿态的控制方程是一个多变量的复杂计算系统。求解原则是最大程度保证盾构姿态控制有效性和计算简单化；采取的求解策略是首先建立主要相关变量的核心函数关系，其它变量按相关性影响大小对核心函数进行修正，最后形成完整的求解结果。对实践中取得的可靠经验数据以数据表的形式直接表达函数关系。5．2核心函数关系的确立盾构姿态是系统控制的最终目标，因而盾构姿态的实时偏差数据是主要相关变量。5．2．1纠偏力轴的计算盾构偏差平面分成四个象限，参考纠偏力轴示意图（图略）。系统将盾构切口中心和盾尾中心的偏差等级分成五等，分别为正常区、微偏区、中偏区、强偏区和报警区。当头尾偏差同时在正常区时，说明推进良好，不作纠偏力轴计算；当头尾偏差中任一处在报警区时，说明推进出现施工事故，系统报警，亦不作纠偏力轴计算；其余根据头尾偏差所处的不同象限和偏差等级，分别确定其纠偏力轴的计算方法。下面举例给出盾构切口中心偏差在第一象限中偏区、盾尾中心偏差在第三象限中偏区的计算公式：（此略）其中：X01为盾构切口中心水平偏差，Y01为盾构切口中心垂直偏差，X02为盾尾中心水平偏差，Y02为盾尾中心垂直偏差，a为纠偏力轴与X轴的夹角。需要说明的是，盾构切口中心和盾尾中心偏差所处不同象限和偏差等级，其纠偏力轴的计算方法不尽相同。5．2．2油缸的编组和控制数据在油缸的编组前，首先对油缸进行编号，取正X轴上油缸为0号油缸，其余按逆时针排序。一般认为油缸分布按坐标轴上下、左右对称。根据上述a角，可求得位于纠偏力轴上的主顶油缸。其它油缸在纠偏力轴两侧对称分布。根据不同纠偏力矩的需要，系统设定默认的编组类型，包括：强纠偏编组、中纠偏编组、微纠偏编组三种。由于盾构在实际推进中存在旋转情况，上述编组计算中须对旋转作出相应修正。控制数据主要指编组的有效时间、运行状态（正常或故障）等控制参数。5．3修正函数5．3．1基于隧道管片拼装制约参数的修正在实际纠偏推进过程中，盾构姿态的极限偏差是保证隧道管片能正常拼装，拼装状况直接控制纠偏力矩，危险编组被直接限制并报警。5．3．2基于环境参数的修正由于土的工程性质变化复杂，盾构推进的纠偏力矩需要反复修正。根据环境参数提供的土层及土性数据，系统提供默认经验的纠偏力矩。随着盾构纠偏推进，对盾构姿态实时监测结果进行统计，不难归算出满足土性要求的适用纠偏力矩。但当盾构处于硬质密实地层时，盾构提供的纠偏力矩可能达不到纠偏效力，在此情况下，编组自动报警。5．3．3基于设计线形的修正纠偏推进在不同的设计线形条件下，采取的策略是不一样的，在上下坡和急曲线段时，施工复杂度加大，一般通过调整控制数据、缩短编组的有效时间达到控制精度。5．3．4基于历史姿态特征的修正系统提供全过程、完整的盾构姿态监测数据和统计规律，通过这些数据可方便发现盾构在纠偏推进中具备的特征。譬如，在特殊情况下，盾构推进方向会与盾构机轴线保持一定夹角，或者大口径盾构机因浮力作用出现上飘情况，在这些情况下，需作出专门的纠偏策略。5．3．5基于时间参数的修正在工程施工过程中，对于快慢的要求可直接调整编组的有效时间参数。5．3．6基于推进总力的修正盾构推进总力大小对盾构姿态的调整效率影响很大。随着盾构推进总力的加大，纠偏难度会逐渐加大，一般通过调整头部刀盘挖土予以解决。系统设置推进总力警戒线，推进总力达到警戒线时，编组报警。6系统软、硬件组成6．1系统软件组成6．1．1上位主控部分主要包括：程控测量模块、刚性空间特征点定位计算模块、盾构姿态偏差计算模块、智能编组模块、PLC控制模块、运行主框架和界面模块等。6．1．2下位控制部分主要为油缸编组控制模块。6．2系统控制硬件6．2．1测量部分测量系统采用徕卡LeicaTCA1200全站仪及配套棱镜和反射片。6．2．2上位控制部分为适应防震、抗潮、耐温（超过450C）等隧道施工要求，选用工业控制计算机。6．2．3下位控制部分采用PLC可编程逻辑控制器实施油缸控制，推进油缸默认采用？只。7系统运行主界面（此略）系统提供运行主界面包括：盾构姿态偏差和编组示图、运行状态参数、历史姿态及编组回溯、参数设置、系统自检、报表输出、帮助等功能。8结语盾构姿态实时监测与控制是一个复杂的应用系统。在测量方面还有很多的创新空间，需要开发具有理论严密、使用