盾构隧道掘进信息化管理系统设计与开发

杨新安,凌保林,王树杰,张业炜

(同济大学 城市轨道与铁道工程系,上海 201804)

近年来,盾构工法广泛应用于我国隧道工程中,如地铁、公路隧道等.盾构施工中存在大量施工信息,如盾构掘进姿态、盾构掘进参数、管片姿态、地层特性等,建立信息化管理系统实现盾构施工过程信息化、智能化管理是隧道盾构施工的发展趋势,将不断提高我国盾构施工水平与能力.

盾构掘进信息化管理系统利用计算机信息技术,将信息技术与隧道施工、盾构设备及工程项目管理中的海量数据有机结合起来[1],是推动盾构施工信息化发展的必要手段.当前,盾构施工信息管理系统按其数据处理及应用目标来分,总体上可以分为两大类.

第一类,盾构自带信息系统.该类信息系统侧重于盾构自身运行数据的监测与采集,而在信息综合分析利用、施工过程智能化方面存在不足.且盾构自带信息管理系统在我国隧道盾构施工应用中存在种种局限性,如租用费用昂贵,非中文操作界面,无法对应用程序进行维护以满足实际需要等问题[2].

第二类,智能化管理为目标的信息系统.在利用、分析监测数据的基础上为盾构施工提供智能化管理和决策服务,如基于自动全站仪开发的盾构姿态自动监测信息系统[3],用于盾构掘进姿态控制,该系统在上海越江隧道项目应用中取得到了良好的效果;如盾构法隧道系统[4]、地面沉降预估专家系统[5]等,在总结盾构隧道掘进沉降预测理论和经验的基础上建立专家系统,对盾构隧道掘进中地表沉降研究具有良好的指导意义;应用于盾构故障诊断的隧道掘进机(TBM)故障诊断专家系统[6],利用多种监测手段,将盾构运行信息监测、故障智能诊断、预报融为一体,有效地提高了盾构掘进管理水平.

1 系统基本功能设计

盾构掘进中信息量大、信息种类繁多,建立信息化管理系统来利用施工数据及挖掘施工数据是十分重要的.掘进信息系统首先应建立后台数据库,实现对大量掘进信息进行分类管理,充分利用数据库信息技术实现数据可视化分析、回归计算等,为施工提供参考.而盾构掘进姿态控制、管片拼装是控制盾构掘进质量的关键技术之一,实现对盾构掘进与管片拼装进行智能化预测不仅为盾构掘进提供及时有效的参考,也是推动盾构掘进信息化的重要方面.本系统的主要功能包括三大部分,即掘进数据库管理、信息分析、盾构纠偏与管片拼装智能化预测,系统总体功能框架见图1.

图1 系统总体功能框架图Fig.1 Overall function frame of the system

2 后台数据库构建

2.1 数据库的主要内容

根据系统功能的需求,数据库的主要内容包括静态数据和实时动态数据两大类.静态数据包括隧道所穿越的地层特性信息、盾构设备信息、隧道设计轴线数据等,这些信息在整个隧道掘进中是不变的;实时数据包括盾构设备运行信息、管片拼装信息等,即盾构掘进姿态数据、盾构掘进参数信息、管片拼装姿态、盾构维修保养信息、地表沉降数据等.

2.2 数据库概念设计

本系统采用paradox作为后台数据库,为关系型数据库.数据库概念设计确定数据库的实体及它们之间的相互联系,并尽量真实反映用户的信息需求[7].本系统数据库主要实体有盾构掘进姿态、盾构掘进参数、管片姿态、地表沉降、地层特性等.数据库E-R数据模型(Entity-Relationshipdata Mode1)见图2,该数据模型中的数字1表示2个实体之间为一对一的关系.

2.3 数据库加载与查询

数据库建设必须重视信息存储方式.盾构施工信息量大,信息来源也是多方面的,如盾构掘进姿态、掘进参数、管片姿态信息由盾构自身设备获取,地表沉降由人工监测获取.

因此本系统在数据库加载方式上进行了特别的设计,不仅能接受单条信息的输入及修改,还可实现数据的批量导入.先规范好数据输入的标准,然后按规范数据表格加载数据,数据库加载流程见图3.

信息查询主要是对信息进行集中管理,实现信息查询、统计.采用BDE(Borland Database Engine)数据库连接技术实现数据库访问,该连接机制操作方便,且执行效率高[8].除了可以实现模糊查询外,还可根据用户需求实现同时满足多条件的灵活查询,并对检索到的数据进行统计,即可以对满足某一条件的数据(如姿态偏差大于某一值)进行筛选统计,也可以在多级查询条件限制下查看历史施工数据.

图2 数据库概念结构设计Fig.2 Database conception structure design

图3 数据库加载Fig.3 Database loading

图4 信息可视化分析模块Fig.4 Information-visualization analysis module

3 掘进信息可视化分析

盾构姿态、掘进参数、管片姿态、地层特性、沉降监测等施工信息相互关联,以面向施工数据,面向用户,利用可视化信息技术建立信息综合分析平台,即将各种相互关联的数据以直观、形象图形在同一界面中展示,为用户提供多方位的信息视角,提高对数据综合分析能力.盾构穿越的地层特性影响盾构施工的方方面面,通过回归分析、总结各段地层中的施工数据,为施工提供参考.可视化分析模块见图4.

3.1 盾构、管片姿态可视化分析

盾构姿态偏差是盾构前后参考点(盾头与盾尾)实际测量坐标与理论坐标的偏差[7].偏差值是三维量,而实践中盾构姿态控制通常采用从水平,垂直2个方向分别进行纠偏,不常采用2个方向同时纠偏的三维模式,因此可以二维可视化图分别分析各种地层中盾构机姿态偏差分布特点,同时利用回归计算等方法分析各种地层中的盾构纠偏能力.管片姿态(与DTA(Designed Tunnel Axis)的偏差)同样以水平、垂直2个方向进行统计分析.

3.2 掘进参数可视化分析

盾构掘进过程中受到多种因素的影响,参数需要不断调整,各种参数相互影响,分析不同地层中掘进参数选择对盾构掘进的影响,为盾构参数的选取提供可靠参考.

3.3 沉降监测

利用历时沉降曲线图、横向沉降槽分析盾构掘进在不同位置对地表纵向沉降的影响,如盾构到达,盾尾通过时的地表沉降曲线变化特点.动态分析盾构掘进过程中地表沉降变化,为施工参数选择提供参考[9].

4 盾构纠偏与管片拼装智能化预测

盾构在掘进过程中,在盾构机操作、地层特性等众多因素的影响下,盾构掘进中不可避免地出现“蛇行”、“抬头”、“低头”等偏差,如果处置不及时或者处置措施不当的话可能造成严重的后果.盾构纠偏与管片拼装相互制约,对二者进行智能化预测将提高盾构掘进信息化水平.

4.1 预测原理

利用盾构(无铰链)油缸行程差、管片拼装、盾尾间隙之间的相互关系及盾构掘进纠偏与管片拼装的主要原则来实现盾构偏差预测和管片拼装预测.

(1)盾构纠偏、管片拼装原则.盾构纠偏与管片拼装相互制约、相互影响.盾构纠偏有2个主要原则,即沿DTA掘进(偏差值不大于50 mm)和保证合理的盾构间隙,还需要考虑盾构纠偏能力等;管片拼装主要原则也有2个,即DTA拟合和保证合理的盾尾间隙以适应盾构姿态及纠偏,同时还要考虑不通缝等因素.

(2)油缸行程差与盾尾间隙变化的关系.设油缸行程差改变量为Δu,管环宽为b,油缸安装直径为D,盾尾间隙的改变量为ΔT,则水平(垂直)方向的ΔT可由下式近似表示[10]:

(3)盾构油缸行程差的构成.盾构掘进过程中的水平(垂直)方向油缸行程差变化为

式中:u1为上环掘进完成而未安装管片时的油缸行程差;u2为上环管片拼装引起的油缸行程差;u3为当前环掘进中油缸行程差变化值;u4为当前环掘进完成后的油缸行程差.

(4)管片拼装点位与盾尾间隙及油缸行程差的关系.双面楔形管片为盾尾水平、垂直方向油缸行程变化及水平、垂直盾尾间隙的改变量[11]:

式(3),(4)中:u5h,u5v分别为管片拼装引起的水平、垂直方向的行程差变化量;l为通用管片单面楔形量;N为通用管片旋转点位数(纵向螺栓组数);βi为自垂直方向顺时针旋转的角度;T5h,T5v分别为因管片拼装引起的水平、垂直方向盾尾间隙的变化量.综合式(1)～(4)可得掘进单环后盾尾水平、垂直间隙的变化为

式中:ΔT4h,ΔT4v分别为掘进完成后的水平、垂直方向盾尾间隙的变化量;u3h,u3v分别为当前环掘进引起的水平、垂直方向的油缸行程差;u2h,u2v分别为掘进前上环管片拼装引起水平、垂直方向油缸行程差变化量;T2h,T2v分别为上环管片拼装引起的水平、垂直方向盾尾间隙的变化量.

(5)盾构掘进行程差理论值估计.盾构掘进中需要不断拟合DTA,如果在直线上掘进,则盾构掘进形成差理论值为零,如果盾构在曲线上掘进时,盾构油缸行程差理论估计值为

式中:Δu6为盾构在当前环掘进中行程差理论值;r1为管环外径;r2为管环内径;R为隧道曲线半径.由式(5)可知,掘进后的盾尾间隙变化与上环管片拼装、盾构掘进纠偏时的油缸行程差(主机趋势改变量)有关.因此根据主机趋势的纠偏量可确定掘进后面盾尾间隙变化.

(6)盾构偏差值预测.盾构掘进完成时与掘进开始的前后参考点水平偏差相对变化量可近似为

式中:Δh1,Δh2分别为主机掘进后前后参考点水平偏差相对上环的变化量;θ为掘进前的主机偏角;Δθ为盾构当前环掘进中由于油缸行程差引起主机偏角变化量;ΔH1,ΔH2为盾构掘进开始时前后参考点水平偏差值.再根据掘前的实际坐标,可求得掘进后面的预测坐标,进而预测掘进后面的盾构姿态(盾构偏差).垂直偏差预测同理可得.

综上所述,根据盾构油缸上环行程差、当前环预计纠偏行程差、上环管片拼装点位即可预测下环盾构偏差量和盾尾间隙,从而可实现管片拼装预测和盾构掘进姿态自动化预测.当盾构当前环掘进油缸行程差采用理论值进行预测时,没有考虑盾构掘进前姿态(偏差量),应根据预测结果的需要,对盾构掘进油缸行程差做适当调整,重新预测结果使掘进完成后面盾尾间隙和盾构姿态均达到合理值.

4.2 算法实现

整个预测过程主要分为以下几个步骤:①获取上环盾构掘进及管片拼装参数,如油缸行程差等;②根据理论行程差预测当前环掘进完时的盾构姿态及盾尾间隙;③判断盾构偏差及盾尾间隙是否超限;④如果③中盾构偏差与盾尾间隙取得合理值,则预测理想的管片拼装点位,否则返回②,调整油缸行程差;⑤重复以上步骤.

为在计算机上完成整个智预测过程,设计其算法流程见图5.

图5 盾构偏差与管片拼装预测流程Fig.5 Forecasting process of shield deviation and pipe installation

5 结语

(1)盾构掘进信息化管理系统的开发建立在性能良好的数据库基础上,数据批量加载方式有利于数据库的快速构建和维护.

(2)系统除了实现盾构掘进信息显示与灵活的查询功能外,施工信息的可视化分析可为用户提供多角度的视觉信息,为研究不同地层中盾构姿态、管片姿态规律性等起辅助分析作用,利于施工管理与科研工作.

(3)盾构姿态预测与管片预测为盾构掘进信息化管理提供有力的技术支持,降低了施工技术人员的工作强度和难度.

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