盾構(gòu)隧道掘進信息化管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

楊新安,凌保林,王樹杰,張業(yè)煒

(同濟大學(xué) 城市軌道與鐵道工程系,上海 201804)

近年來,盾構(gòu)工法廣泛應(yīng)用于我國隧道工程中,如地鐵、公路隧道等.盾構(gòu)施工中存在大量施工信息,如盾構(gòu)掘進姿態(tài)、盾構(gòu)掘進參數(shù)、管片姿態(tài)、地層特性等,建立信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)盾構(gòu)施工過程信息化、智能化管理是隧道盾構(gòu)施工的發(fā)展趨勢,將不斷提高我國盾構(gòu)施工水平與能力.

盾構(gòu)掘進信息化管理系統(tǒng)利用計算機信息技術(shù),將信息技術(shù)與隧道施工、盾構(gòu)設(shè)備及工程項目管理中的海量數(shù)據(jù)有機結(jié)合起來[1],是推動盾構(gòu)施工信息化發(fā)展的必要手段.當(dāng)前,盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)按其數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用目標(biāo)來分,總體上可以分為兩大類.

第一類,盾構(gòu)自帶信息系統(tǒng).該類信息系統(tǒng)側(cè)重于盾構(gòu)自身運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與采集,而在信息綜合分析利用、施工過程智能化方面存在不足.且盾構(gòu)自帶信息管理系統(tǒng)在我國隧道盾構(gòu)施工應(yīng)用中存在種種局限性,如租用費用昂貴,非中文操作界面,無法對應(yīng)用程序進行維護以滿足實際需要等問題[2].

第二類,智能化管理為目標(biāo)的信息系統(tǒng).在利用、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上為盾構(gòu)施工提供智能化管理和決策服務(wù),如基于自動全站儀開發(fā)的盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測信息系統(tǒng)[3],用于盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制,該系統(tǒng)在上海越江隧道項目應(yīng)用中取得到了良好的效果;如盾構(gòu)法隧道系統(tǒng)[4]、地面沉降預(yù)估專家系統(tǒng)[5]等,在總結(jié)盾構(gòu)隧道掘進沉降預(yù)測理論和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立專家系統(tǒng),對盾構(gòu)隧道掘進中地表沉降研究具有良好的指導(dǎo)意義;應(yīng)用于盾構(gòu)故障診斷的隧道掘進機(TBM)故障診斷專家系統(tǒng)[6],利用多種監(jiān)測手段,將盾構(gòu)運行信息監(jiān)測、故障智能診斷、預(yù)報融為一體,有效地提高了盾構(gòu)掘進管理水平.

1 系統(tǒng)基本功能設(shè)計

盾構(gòu)掘進中信息量大、信息種類繁多,建立信息化管理系統(tǒng)來利用施工數(shù)據(jù)及挖掘施工數(shù)據(jù)是十分重要的.掘進信息系統(tǒng)首先應(yīng)建立后臺數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)對大量掘進信息進行分類管理,充分利用數(shù)據(jù)庫信息技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化分析、回歸計算等,為施工提供參考.而盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制、管片拼裝是控制盾構(gòu)掘進質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一,實現(xiàn)對盾構(gòu)掘進與管片拼裝進行智能化預(yù)測不僅為盾構(gòu)掘進提供及時有效的參考,也是推動盾構(gòu)掘進信息化的重要方面.本系統(tǒng)的主要功能包括三大部分,即掘進數(shù)據(jù)庫管理、信息分析、盾構(gòu)糾偏與管片拼裝智能化預(yù)測,系統(tǒng)總體功能框架見圖1.

圖1 系統(tǒng)總體功能框架圖Fig.1 Overall function frame of the system

2 后臺數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容

根據(jù)系統(tǒng)功能的需求,數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和實時動態(tài)數(shù)據(jù)兩大類.靜態(tài)數(shù)據(jù)包括隧道所穿越的地層特性信息、盾構(gòu)設(shè)備信息、隧道設(shè)計軸線數(shù)據(jù)等,這些信息在整個隧道掘進中是不變的;實時數(shù)據(jù)包括盾構(gòu)設(shè)備運行信息、管片拼裝信息等,即盾構(gòu)掘進姿態(tài)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)掘進參數(shù)信息、管片拼裝姿態(tài)、盾構(gòu)維修保養(yǎng)信息、地表沉降數(shù)據(jù)等.

2.2 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計

本系統(tǒng)采用paradox作為后臺數(shù)據(jù)庫,為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計確定數(shù)據(jù)庫的實體及它們之間的相互聯(lián)系,并盡量真實反映用戶的信息需求[7].本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要實體有盾構(gòu)掘進姿態(tài)、盾構(gòu)掘進參數(shù)、管片姿態(tài)、地表沉降、地層特性等.數(shù)據(jù)庫E-R數(shù)據(jù)模型(Entity-Relationshipdata Mode1)見圖2,該數(shù)據(jù)模型中的數(shù)字1表示2個實體之間為一對一的關(guān)系.

2.3 數(shù)據(jù)庫加載與查詢

數(shù)據(jù)庫建設(shè)必須重視信息存儲方式.盾構(gòu)施工信息量大,信息來源也是多方面的,如盾構(gòu)掘進姿態(tài)、掘進參數(shù)、管片姿態(tài)信息由盾構(gòu)自身設(shè)備獲取,地表沉降由人工監(jiān)測獲取.

因此本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫加載方式上進行了特別的設(shè)計,不僅能接受單條信息的輸入及修改,還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入.先規(guī)范好數(shù)據(jù)輸入的標(biāo)準(zhǔn),然后按規(guī)范數(shù)據(jù)表格加載數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫加載流程見圖3.

信息查詢主要是對信息進行集中管理,實現(xiàn)信息查詢、統(tǒng)計.采用BDE(Borland Database Engine)數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問,該連接機制操作方便,且執(zhí)行效率高[8].除了可以實現(xiàn)模糊查詢外,還可根據(jù)用戶需求實現(xiàn)同時滿足多條件的靈活查詢,并對檢索到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,即可以對滿足某一條件的數(shù)據(jù)(如姿態(tài)偏差大于某一值)進行篩選統(tǒng)計,也可以在多級查詢條件限制下查看歷史施工數(shù)據(jù).

圖2 數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 Database conception structure design

圖3 數(shù)據(jù)庫加載Fig.3 Database loading

圖4 信息可視化分析模塊Fig.4 Information-visualization analysis module

3 掘進信息可視化分析

盾構(gòu)姿態(tài)、掘進參數(shù)、管片姿態(tài)、地層特性、沉降監(jiān)測等施工信息相互關(guān)聯(lián),以面向施工數(shù)據(jù),面向用戶,利用可視化信息技術(shù)建立信息綜合分析平臺,即將各種相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)以直觀、形象圖形在同一界面中展示,為用戶提供多方位的信息視角,提高對數(shù)據(jù)綜合分析能力.盾構(gòu)穿越的地層特性影響盾構(gòu)施工的方方面面,通過回歸分析、總結(jié)各段地層中的施工數(shù)據(jù),為施工提供參考.可視化分析模塊見圖4.

3.1 盾構(gòu)、管片姿態(tài)可視化分析

盾構(gòu)姿態(tài)偏差是盾構(gòu)前后參考點(盾頭與盾尾)實際測量坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的偏差[7].偏差值是三維量,而實踐中盾構(gòu)姿態(tài)控制通常采用從水平,垂直2個方向分別進行糾偏,不常采用2個方向同時糾偏的三維模式,因此可以二維可視化圖分別分析各種地層中盾構(gòu)機姿態(tài)偏差分布特點,同時利用回歸計算等方法分析各種地層中的盾構(gòu)糾偏能力.管片姿態(tài)(與DTA(Designed Tunnel Axis)的偏差)同樣以水平、垂直2個方向進行統(tǒng)計分析.

3.2 掘進參數(shù)可視化分析

盾構(gòu)掘進過程中受到多種因素的影響,參數(shù)需要不斷調(diào)整,各種參數(shù)相互影響,分析不同地層中掘進參數(shù)選擇對盾構(gòu)掘進的影響,為盾構(gòu)參數(shù)的選取提供可靠參考.

3.3 沉降監(jiān)測

利用歷時沉降曲線圖、橫向沉降槽分析盾構(gòu)掘進在不同位置對地表縱向沉降的影響,如盾構(gòu)到達,盾尾通過時的地表沉降曲線變化特點.動態(tài)分析盾構(gòu)掘進過程中地表沉降變化,為施工參數(shù)選擇提供參考[9].

4 盾構(gòu)糾偏與管片拼裝智能化預(yù)測

盾構(gòu)在掘進過程中,在盾構(gòu)機操作、地層特性等眾多因素的影響下,盾構(gòu)掘進中不可避免地出現(xiàn)“蛇行”、“抬頭”、“低頭”等偏差,如果處置不及時或者處置措施不當(dāng)?shù)脑捒赡茉斐蓢乐氐暮蠊?盾構(gòu)糾偏與管片拼裝相互制約,對二者進行智能化預(yù)測將提高盾構(gòu)掘進信息化水平.

4.1 預(yù)測原理

利用盾構(gòu)(無鉸鏈)油缸行程差、管片拼裝、盾尾間隙之間的相互關(guān)系及盾構(gòu)掘進糾偏與管片拼裝的主要原則來實現(xiàn)盾構(gòu)偏差預(yù)測和管片拼裝預(yù)測.

(1)盾構(gòu)糾偏、管片拼裝原則.盾構(gòu)糾偏與管片拼裝相互制約、相互影響.盾構(gòu)糾偏有2個主要原則,即沿DTA掘進(偏差值不大于50 mm)和保證合理的盾構(gòu)間隙,還需要考慮盾構(gòu)糾偏能力等;管片拼裝主要原則也有2個,即DTA擬合和保證合理的盾尾間隙以適應(yīng)盾構(gòu)姿態(tài)及糾偏,同時還要考慮不通縫等因素.

(2)油缸行程差與盾尾間隙變化的關(guān)系.設(shè)油缸行程差改變量為Δu,管環(huán)寬為b,油缸安裝直徑為D,盾尾間隙的改變量為ΔT,則水平(垂直)方向的ΔT可由下式近似表示[10]:

(3)盾構(gòu)油缸行程差的構(gòu)成.盾構(gòu)掘進過程中的水平(垂直)方向油缸行程差變化為

式中:u1為上環(huán)掘進完成而未安裝管片時的油缸行程差;u2為上環(huán)管片拼裝引起的油缸行程差;u3為當(dāng)前環(huán)掘進中油缸行程差變化值;u4為當(dāng)前環(huán)掘進完成后的油缸行程差.

(4)管片拼裝點位與盾尾間隙及油缸行程差的關(guān)系.雙面楔形管片為盾尾水平、垂直方向油缸行程變化及水平、垂直盾尾間隙的改變量[11]:

式(3),(4)中:u5h,u5v分別為管片拼裝引起的水平、垂直方向的行程差變化量;l為通用管片單面楔形量;N為通用管片旋轉(zhuǎn)點位數(shù)(縱向螺栓組數(shù));βi為自垂直方向順時針旋轉(zhuǎn)的角度;T5h,T5v分別為因管片拼裝引起的水平、垂直方向盾尾間隙的變化量.綜合式(1)～(4)可得掘進單環(huán)后盾尾水平、垂直間隙的變化為

式中:ΔT4h,ΔT4v分別為掘進完成后的水平、垂直方向盾尾間隙的變化量;u3h,u3v分別為當(dāng)前環(huán)掘進引起的水平、垂直方向的油缸行程差;u2h,u2v分別為掘進前上環(huán)管片拼裝引起水平、垂直方向油缸行程差變化量;T2h,T2v分別為上環(huán)管片拼裝引起的水平、垂直方向盾尾間隙的變化量.

(5)盾構(gòu)掘進行程差理論值估計.盾構(gòu)掘進中需要不斷擬合DTA,如果在直線上掘進,則盾構(gòu)掘進形成差理論值為零,如果盾構(gòu)在曲線上掘進時,盾構(gòu)油缸行程差理論估計值為

式中:Δu6為盾構(gòu)在當(dāng)前環(huán)掘進中行程差理論值;r1為管環(huán)外徑;r2為管環(huán)內(nèi)徑;R為隧道曲線半徑.由式(5)可知,掘進后的盾尾間隙變化與上環(huán)管片拼裝、盾構(gòu)掘進糾偏時的油缸行程差(主機趨勢改變量)有關(guān).因此根據(jù)主機趨勢的糾偏量可確定掘進后面盾尾間隙變化.

(6)盾構(gòu)偏差值預(yù)測.盾構(gòu)掘進完成時與掘進開始的前后參考點水平偏差相對變化量可近似為

式中:Δh1,Δh2分別為主機掘進后前后參考點水平偏差相對上環(huán)的變化量;θ為掘進前的主機偏角;Δθ為盾構(gòu)當(dāng)前環(huán)掘進中由于油缸行程差引起主機偏角變化量;ΔH1,ΔH2為盾構(gòu)掘進開始時前后參考點水平偏差值.再根據(jù)掘前的實際坐標(biāo),可求得掘進后面的預(yù)測坐標(biāo),進而預(yù)測掘進后面的盾構(gòu)姿態(tài)(盾構(gòu)偏差).垂直偏差預(yù)測同理可得.

綜上所述,根據(jù)盾構(gòu)油缸上環(huán)行程差、當(dāng)前環(huán)預(yù)計糾偏行程差、上環(huán)管片拼裝點位即可預(yù)測下環(huán)盾構(gòu)偏差量和盾尾間隙,從而可實現(xiàn)管片拼裝預(yù)測和盾構(gòu)掘進姿態(tài)自動化預(yù)測.當(dāng)盾構(gòu)當(dāng)前環(huán)掘進油缸行程差采用理論值進行預(yù)測時,沒有考慮盾構(gòu)掘進前姿態(tài)(偏差量),應(yīng)根據(jù)預(yù)測結(jié)果的需要,對盾構(gòu)掘進油缸行程差做適當(dāng)調(diào)整,重新預(yù)測結(jié)果使掘進完成后面盾尾間隙和盾構(gòu)姿態(tài)均達到合理值.

4.2 算法實現(xiàn)

整個預(yù)測過程主要分為以下幾個步驟:①獲取上環(huán)盾構(gòu)掘進及管片拼裝參數(shù),如油缸行程差等;②根據(jù)理論行程差預(yù)測當(dāng)前環(huán)掘進完時的盾構(gòu)姿態(tài)及盾尾間隙;③判斷盾構(gòu)偏差及盾尾間隙是否超限;④如果③中盾構(gòu)偏差與盾尾間隙取得合理值,則預(yù)測理想的管片拼裝點位,否則返回②,調(diào)整油缸行程差;⑤重復(fù)以上步驟.

為在計算機上完成整個智預(yù)測過程,設(shè)計其算法流程見圖5.

圖5 盾構(gòu)偏差與管片拼裝預(yù)測流程Fig.5 Forecasting process of shield deviation and pipe installation

5 結(jié)語

(1)盾構(gòu)掘進信息化管理系統(tǒng)的開發(fā)建立在性能良好的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,數(shù)據(jù)批量加載方式有利于數(shù)據(jù)庫的快速構(gòu)建和維護.

(2)系統(tǒng)除了實現(xiàn)盾構(gòu)掘進信息顯示與靈活的查詢功能外,施工信息的可視化分析可為用戶提供多角度的視覺信息,為研究不同地層中盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)規(guī)律性等起輔助分析作用,利于施工管理與科研工作.

(3)盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測與管片預(yù)測為盾構(gòu)掘進信息化管理提供有力的技術(shù)支持,降低了施工技術(shù)人員的工作強度和難度.

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