盾構施工長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)

牛云鵬

(神華新街能源有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯　017200)

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盾構施工長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)

牛云鵬

(神華新街能源有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯017200)

以新街臺格廟礦區(qū)長距離斜井工程為背景，從設計原則、功能設計及現(xiàn)場實施方案等方面介紹了盾構施工長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的構建。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對盾構設備運行狀態(tài)和參數(shù)、盾構施工過程、深部斜井復雜場體形態(tài)、拼裝式管片結構力學形態(tài)等的遠程監(jiān)控。

長距離斜井； 盾構施工； 遠程監(jiān)控

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1034.019.html

0　引言

新街臺格廟礦區(qū)位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內，礦區(qū)井田面積約738 km2，已探明煤炭資源儲量約142億t，是神東礦區(qū)周邊尚未開發(fā)的大型整裝煤田[1]。該礦區(qū)煤層賦存較深，可采煤層最淺埋深為650 m，采用斜井運輸方式。傳統(tǒng)的斜井建設技術制約了礦井安全與快速建設，需要尋求更安全、高效的建井技術。盾構是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體[2]，專用于地下隧道開挖的技術密集型重大工程裝備。與傳統(tǒng)的施工方法相比，盾構法具有施工安全、快速、工程質量高、地面擾動小、勞動強度低等優(yōu)點，能夠保障施工安全，并顯著縮短斜井施工工期。因此，新街臺格廟礦區(qū)采用盾構法施工長距離斜井，斜井長約6 550 m，坡度為6°。本文主要研究盾構施工煤礦長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控技術，主要包括對盾構設備運行狀態(tài)和參數(shù)、盾構施工過程、深部斜井復雜場體形態(tài)、拼裝式管片結構力學形態(tài)等的遠程監(jiān)控，并形成一套以盾構-場體-結構綜合監(jiān)測體系為代表的盾構施工煤礦長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設計原則

盾構施工煤礦長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)以及時、全面、準確地掌握盾構工作面前方實時情況、盾構施工參數(shù)、設備運轉情況及綜合處理地面、地下信息為目的，達到統(tǒng)一監(jiān)控、集中管理的功能，具有可靠性、開放性、先進性、可擴展性等特點。系統(tǒng)設計應遵守以下原則：

(1) 系統(tǒng)通常工作于較惡劣環(huán)境中，各種干擾會對系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響，因此將系統(tǒng)可靠性放在第一位，以保證施工安全、可靠和穩(wěn)定進行。采用高質量的電源、線纜，以及各種抗干擾措施、多種冗余工作方式等，以確保整個系統(tǒng)的高可靠性。

(2) 系統(tǒng)設計時應做到以人為本，人機界面友好，方便操作、運行，易于維護。系統(tǒng)硬件盡可能按模塊化設計，系統(tǒng)軟件開發(fā)應方便調整，在施工過程中確保硬、軟件運行順暢[3]。

(3) 系統(tǒng)網(wǎng)絡應分層次、分功能、分系統(tǒng)，完成統(tǒng)一監(jiān)控、操作、通信、維護等，構成一個多系統(tǒng)的集成，具體包括數(shù)據(jù)采集、傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)維護等子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)與主系統(tǒng)間功能明確，且保持相對獨立。各子系統(tǒng)均有自診斷功能，以及時、準確地發(fā)現(xiàn)異常和故障，并迅速報警。

(4) 系統(tǒng)須具有良好的開放性，應盡可能采用通用軟件和硬件。

(5) 系統(tǒng)能夠對盾構機上相關設備實施遠程監(jiān)控，可直接顯示施工狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息化施工。

(6) 系統(tǒng)可實現(xiàn)盾構施工現(xiàn)場與指揮中心等相關部門的遠程通信，正確、及時、有效地傳輸盾構施工現(xiàn)場的相關施工信息，創(chuàng)建相應的管理系統(tǒng)，并將施工數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡上，做到施工信息共享，提高施工效率。

2　系統(tǒng)功能

盾構施工煤礦長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括盾構實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸入與存儲、數(shù)據(jù)實時傳輸、數(shù)據(jù)遠程傳輸、數(shù)據(jù)報表生成和數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布。

(1) 盾構實時數(shù)據(jù)、圍巖結構參數(shù)、盾構后配套設備狀態(tài)和施工環(huán)境數(shù)據(jù)采集。盾構實時數(shù)據(jù)主要為盾構施工參數(shù)，包括監(jiān)測點布置、電源狀態(tài)、刀盤掘進參數(shù)、螺旋出土器/帶式輸送機參數(shù)、推進油缸參數(shù)、材料消耗參數(shù)、盾構姿態(tài)參數(shù)、施工現(xiàn)場視頻及施工進度等[4]，通過組態(tài)軟件將這些數(shù)據(jù)從盾構機監(jiān)控PLC上采集。圍巖結構參數(shù)主要包括傳感器布置、水土壓力及管片內力，通過自動采集儀實時采集。盾構后配套設備狀態(tài)主要指帶式輸送機、管片運輸膠輪車的監(jiān)控、井下通信及人員/車輛定位信息。施工環(huán)境參數(shù)指不良氣體濃度和地下水位數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)輸入與存儲。主要是將盾構機自帶傳感器測量的數(shù)據(jù)、前方探測雷達探測的數(shù)據(jù)及預設傳感器采集數(shù)據(jù)輸入盾構監(jiān)控室實時數(shù)據(jù)庫中并保存下來。

(3) 數(shù)據(jù)實時傳輸。將盾構機及圍巖采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)控室實時數(shù)據(jù)庫。

(4) 數(shù)據(jù)遠程傳輸。將現(xiàn)場監(jiān)控室數(shù)據(jù)通過公用信息網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務器上，數(shù)據(jù)庫服務器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總后進行存儲和分析。

(5) 數(shù)據(jù)報表生成。系統(tǒng)提供相應的報表模板，用戶在電腦瀏覽時，可生成和打印Word或Excel格式的報表，滿足辦公需求。

(6) 數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布。利用Web的形式將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)上，實現(xiàn)移動辦公。

3　場體-結構數(shù)據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場實施方案

3.1總體布置方案

根據(jù)施工要求，6 550 m斜井共有10個測試斷面，斷面整體按照斜井里程均勻布置，即間隔600 m布置1個，在特殊復雜地質條件或結構受力復雜區(qū)段，可根據(jù)情況適當微調測試斷面位置。斜井測試斷面布置情況如圖1所示。

圖1　現(xiàn)場監(jiān)測斷面布置

每個現(xiàn)場測試斷面上布設有土壓力計、孔隙水壓力計、混凝土應變計、鋼筋計和溫度傳感器等[5]，如圖2所示。

3.2傳感器型號及數(shù)量

每個測試斷面布置的傳感器見表1。圍巖壓力測試儀采用振弦式土壓力計，量程為30 MPa；孔隙水壓測試儀采用振弦式孔隙水壓力計，量程為10 MPa；管片的內力測試儀采用振弦式混凝土應變計，量程為40 MPa；圍巖溫度測試儀采用差阻式溫度傳感器，量程為-50～350 ℃。

圖2　現(xiàn)場測試測點布置示意

表1　各測試斷面元器件布設

對傳感器的要求：所有傳感器內置智能芯片，具有智能記憶功能；每個傳感器的線纜長度為10 m；每種傳感器需要一定的富余量，防止傳感器因各種原因損壞導致無法測試。

3.3傳感器埋設工藝

將傳感器運往場地前，對傳感器逐個檢驗和編號，記錄自編號與出場編號的對照表，并通過出場編號找出標定參數(shù)表，用于后期處理數(shù)據(jù)時查詢。

土壓力計、孔隙水壓力計、鋼筋計和混凝土應變計在現(xiàn)場澆注管片混凝土前預先固定在鋼筋上。傳感器位置固定后，測試專用電纜全部導入專用走線孔，處理完相應防水后進行盾構隧道管片混凝土澆注。

3.4測試數(shù)據(jù)采集與傳輸

斜井盾構施工與狀態(tài)參數(shù)、結構安全與健康狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)通過光纖進行遠距離傳輸。盾構施工與狀態(tài)參數(shù)通過系統(tǒng)傳感器采集，結構安全與健康狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)等由數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集儀留有數(shù)據(jù)接口，可與光纖數(shù)據(jù)協(xié)議轉換器進行數(shù)據(jù)交換，之后進行光纖遠程傳輸。

3.5監(jiān)控畫面查看

神華新街能源公司和神華集團總部各自布設服務器和工作站，其他地點運行系統(tǒng)監(jiān)控軟件，通過工作站軟件查看監(jiān)控畫面。數(shù)據(jù)采用Internet進行接入。

從2個斜井井口到施工單位的傳輸光纜分別布設。視頻服務器、工作站、監(jiān)視器和其他相關監(jiān)控軟硬件均布置在中控室/監(jiān)控中心。

4　結語

以國內煤炭行業(yè)首條盾構法施工斜井——神華新街臺格廟礦區(qū)長距離斜井工程為背景，介紹了盾構施工煤礦長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的構建。2014年6月，隨著神華新街臺格廟礦區(qū)2條斜井的盾構及后配套設備安裝到位，盾構施工煤礦長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)建成并投運。在地面監(jiān)控室內，可對設備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，同時可根據(jù)需要在神華新街能源公司、神華集團等進行遠程監(jiān)控。在以后的盾構斜井掘進施工中，該系統(tǒng)將在減人提效、安全保障、設備維護等方面發(fā)揮應有作用。

[1]謝松巖.新街臺格廟礦區(qū)總體規(guī)劃設計主要特色成果研究[J].煤炭工程,2014,46(1):9-11.

[2]沈立新.盾構機實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術[J].鐵道建筑技術,2010(8):34-38.

[3]韓建國,楊漢宏,王繼生,等.神華集團數(shù)字礦山建設研究[J].工礦自動化,2012,38(3):11-14.

[4]管會生,張瑀,楊延棟.新街臺格廟礦區(qū)斜井隧道雙模式盾構關鍵掘進參數(shù)配置研究[J].隧道建設,2015(4):377-381.

[5]何春,張栲,周誠.地鐵盾構隧道管片結構應力可視化監(jiān)測技術[J].鐵道工程學報,2014,31(11):104-110.

Digital remote monitoring system for long inclined shaft constructed by shield method

NIU Yunpeng

(Shenhua Xinjie Energy Co., Ltd., Ordos 017200, China)

A digital remote monitoring system for long inclined shaft constructed by shield method was introduced from aspects of design principle, function and field application scheme taking long inclined shaft project of Xinjie Taigemiao coal mine as an example. The system can realize remote monitoring of running state and parameter of shield devices, shield construction process, complex field morphology of deep inclined shaft, mechanical form of assembling type pipe structure, etc.

long inclined shaft; shield construction; remote monitoring

1671-251X(2016)06-0080-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.020

2016-03-20；

2016-05-03；責任編輯：李明。

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAB10B00)。

牛云鵬(1973-)，男，內蒙古鄂爾多斯人，高級工程師，碩士，主要從事煤礦機電技術與設備、科技創(chuàng)新、信息化建設、節(jié)能等管理工作，E-mail:niuyunpeng@sina.com。

TD67

B網(wǎng)絡出版時間：2016-06-01 10:34

牛云鵬.盾構施工長距離斜井數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動化，2016,42(6)：80-82.