CN102034005B - 盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统 - Google Patents

Abstract

一种机械检测技术领域的盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统，包括：隧道施工力学建模模块、地质勘测数据输入模块、隧道施工参数管理模块、盾构机姿态虚拟检测模块、存储模块和数据处理模块，其中：隧道施工力学建模模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连，地质勘测数据输入模块与隧道施工参数管理模块相连，隧道施工参数管理模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连，盾构机姿态虚拟检测模块与存储模块相连，存储模块与数据处理模块相连。本发明实现盾构施工前盾构机姿态的虚拟检测，避免施工过程中出现较大盾构机轴线偏移，摆脱了对检测硬件的依赖，大大降低了系统的构造成本和维护成本。

Description

盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械检测技术领域的系统，具体是一种盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统。

背景技术

在盾构施工过程中，盾构机的轴线与设计隧道轴线的位置偏差决定了隧道的偏差，所以控制好盾构机在掘进过程中的姿态，确保隧道按设计轴线掘进，历来是隧道安全施工中的关键技术之一。针对盾构机姿态，有多种控制系统在施工中应用。

现有技术中，对盾构机姿态的硬件检测系统较多，但很少涉及虚拟仿真。例如英国的ZED(隧道导向测量系统)、德国VMT公司的SLS-T(隧道施工导向系统)、日本的GYRO(电子陀螺仪)等，其主要目的是为盾构司机提供盾构机轴线相对于隧道设计轴线的方位信息，以便盾构机沿着理论轴线行进。英国的ZED261盾构姿态测试系统主要由六大部分组成：1)小型终端机、2)控制单元、3)分配箱、4)倾斜(传感器)单元、5)目标单元、6)全站仪与激光枪。其工作原理是：通过激光束对安装在目标单元底部和侧面的传感器进行照射，测量激光束的倾角，并且通过陀螺方向控制单元监测盾构机姿态。但由于开发原理的差别，使得上述系统构成偏于复杂、成本很高，多种组成设备需要从国外引进，进一步造成了维护上的困难和成本。而且上述系统的运用，仅能面向施工过程。在应用过程中不断监测盾构机姿态偏差，并对其进行纠偏，虽然能很好的控制盾构机姿态，但属于一种典型的被动防范方法，缺乏对施工过程中盾构机姿态的提前预处理能力。一旦施工过程中出现较大盾构机轴线偏移，即便能实时检测出偏差，依然会给施工过程带来较大的困难和风险，因此盾构机姿态的提前预处理在盾构隧道施工过程中具有较大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统。本发明通过虚拟仿真，实现了对施工过程中盾构机姿态的预先检测，具有主动防范盾构机姿态偏离的功能，且脱离对硬件设备的依赖，固而省去了其高昂的购买和维护成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：隧道施工力学建模模块、地质勘测数据输入模块、隧道施工参数管理模块、盾构机姿态虚拟检测模块、存储模块和数据处理模块，其中：隧道施工力学建模模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输施工力学模型信息，地质勘测数据输入模块与隧道施工参数管理模块相连传输勘测的地质数据信息，隧道施工参数管理模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输施工参数信息，盾构机姿态虚拟检测模块与存储模块相连传输姿态虚拟检测数据信息，存储模块与数据处理模块相连对储存的信息进行处理传输经处理的信息。

所述的施工力学模型信息包括：轴心线模型信息、土体力学模型信息、隧道力学模型信息和交互力学模型信息。

所述的施工参数信息包括：泥土压力信息、外水压力信息、泥水压力信息、掘进速度数据信息和千斤顶推力信息。

所述的姿态虚拟检测数据信息包括：轴线坐标信息、土体力学信息、隧道力学信息和隧道土体交互力学信息。

所述的隧道施工力学建模模块包括：轴心线模型子模块、土体力学模型子模块、隧道力学模型子模块和交互力学模型子模块，其中：轴心线模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输轴线坐标信息，土体力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输土体力学信息，隧道力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输隧道力学信息，交互力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输隧道土体交互力学信息。

所述的隧道施工参数管理模块包括：土压数据子模块、水压数据子模块、泥水压力数据子模块、掘进数据子模块和千斤顶压力数据子模块，其中：土压数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输泥土压力信息，水压数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输外水压力信息，泥水压力数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输泥水压力信息，掘进数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输掘进速度数据信息，千斤顶压力数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输千斤顶推力信息。

所述的盾构机姿态虚拟检测模块包括：搭建虚拟环境子模块、模拟盾构机施工子模块和虚拟检测执行子模块，其中：搭建虚拟环境子模块与隧道施工力学建模模块相连传输施工力学模型信息，模拟盾构机施工子模块与搭建虚拟环境子模块相连传输虚拟施工环境信息，模拟盾构机施工子模块与隧道施工参数管理模块相连传输施工参数信息，虚拟检测执行子模块与模拟盾构机施工子模块相连传输姿态虚拟检测信息，虚拟检测执行子模块与存储模块相连传输姿态虚拟检测数据信息。

所述的数据处理模块包括：查询子模块、添加子模块和删除子模块，其中：查询子模块与存储模块相连传输数据查询信息，添加子模块与存储模块相连传输数据添加信息，删除子模块与存储模块相连传输数据删除信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现盾构施工前盾构机姿态的虚拟检测，对盾构施工具有很好的指导作用，是一种典型的主动防范系统，能够避免施工过程中出现较大盾构机轴线偏移，并减少施工过程中的困难和风险；适用范围广，摆脱了对检测硬件的依赖，大大降低了系统的构造成本和维护成本，因此本发明在盾构隧道施工过程中具有重大意义。

附图说明

图1为本发明系统的组成连接示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：隧道施工力学建模模块、地质勘测数据输入模块、隧道施工参数管理模块、盾构机姿态虚拟检测模块、存储模块和数据处理模块，其中：隧道施工力学建模模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输施工力学模型信息，地质勘测数据输入模块与隧道施工参数管理模块相连传输勘测的地质数据信息，隧道施工参数管理模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输施工参数信息，盾构机姿态虚拟检测模块与存储模块相连传输姿态虚拟检测数据信息，存储模块与数据处理模块相连对储存的信息进行处理传输经处理的信息。

所述的施工力学模型信息包括：轴心线模型信息、土体力学模型信息、隧道力学模型信息和交互力学模型信息。

所述的施工参数信息包括：泥土压力信息、外水压力信息、泥水压力信息、掘进速度数据信息和千斤顶推力信息。

所述的姿态虚拟检测数据信息包括：轴线坐标信息、土体力学信息、隧道力学信息和隧道土体交互力学信息。

所述的隧道施工力学建模模块包括：轴心线模型子模块、土体力学模型子模块、隧道力学模型子模块和交互力学模型子模块，其中：轴心线模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输轴线坐标信息，土体力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输土体力学信息，隧道力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输隧道力学信息，交互力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输隧道土体交互力学信息。

所述的轴心线模型子模块实现隧道轴心线模型的建模。

所述的土体力学模型子模块实现隧道周围土体模型建模。

所述的隧道力学模型子模块实现隧道模型建模。

所述的交互力学模型子模块实现隧道和土体间交互作用模型建模。

本实施例中轴心线模型子模块通过三维CAD平台Pro/Engineer Wildfire 2.0实现，土体力学模型子模块、隧道力学模型子模块和交互力学模型子模块通过三维力学建模平台Hypermesh 10.0实现。

所述的隧道施工参数管理模块包括：土压数据子模块、水压数据子模块、泥水压力数据子模块、掘进数据子模块和千斤顶压力数据子模块，其中：土压数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输泥土压力信息，水压数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输外水压力信息，泥水压力数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输泥水压力信息，掘进数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输掘进速度数据信息，千斤顶压力数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输千斤顶推力信息。

所述的土压数据子模块实现土体压力的计算。

所述的水压数据子模块实现水压的计算。

所述的泥水压力数据子模块实现泥水压力的计算。

所述的掘进数据子模块实现盾构机掘进速度的选取定义。

所述的千斤顶压力数据子模块实现千斤顶压力的计算和施加。

本实施例中隧道施工参数管理模块功能通过Ansys12.0平台下APDL程序语言开发的自主程序实现。

所述的盾构机姿态虚拟检测模块包括：搭建虚拟环境子模块、模拟盾构机施工子模块和虚拟检测执行子模块，其中：搭建虚拟环境子模块与隧道施工力学建模模块相连传输隧道施工力学模型信息，模拟盾构机施工子模块与搭建虚拟环境子模块相连传输虚拟施工环境信息，模拟盾构机施工子模块与隧道施工参数管理模块相连传输施工参数信息，虚拟检测执行子模块与模拟盾构机施工子模块相连传输姿态虚拟检测信息，虚拟检测执行子模块与存储模块相连传输姿态虚拟检测数据信息。

所述的搭建虚拟环境子模块实现盾构机施工环境的虚拟还原。

所述的模拟盾构机施工子模块实现盾构机施工过程的模拟。

所述的虚拟检测执行子模块实现盾构机虚拟施工过程盾构机姿态的虚拟检测。

本实施例中盾构机姿态虚拟检测模块通过Ansys12.0平台下APDL程序语言开发的自主程序实现。

所述的数据处理模块包括：查询子模块、添加子模块和删除子模块，其中：查询子模块与存储模块相连传输数据查询信息，添加子模块与存储模块相连传输数据添加信息，删除子模块与存储模块相连传输数据删除信息。

本实施例的工作过程是：首先，隧道施工力学建模模块建立隧道施工力学模型，包括隧道轴心线模型、土体力学模型、隧道力学模型和交互力学模型；然后，隧道施工参数管理模块选取并计算相应工况条件下的施工参数，包括土体压力数据、水压力数据、泥水压力数据、盾构机掘进速度数据和千斤顶压力数据；最后，盾构机姿态虚拟检测模块完成盾构机施工过程的虚拟模拟，同时在虚拟施工过程中完成盾构机姿态虚拟检测。在整个工作过程中，数据处理模块相对较独立，实现对所存储数据的管理，可以在系统工作的任何阶段执行其功能。

本实施例采用良好的交互界面，实现了用户和系统之间的交互，并且完全在可视化的环境中实现各模块的功能，更直观简便。此外，系统摆脱了对检测硬件的依赖，大大降低了系统的构造成本和维护成本，用户只需通过操作界面的交互即可完成所有工作，操作方便，可靠性、可控性更好。同时该系统可以实现盾构施工前盾构机姿态的虚拟检测，对盾构施工具有很好的指导作用，是一种典型的主动防范系统。能够在一定程度上避免盾构机轴线偏移，减少施工过程中的困难和风险。

Claims (5)

1.一种盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统，其特征在于，包括：隧道施工力学建模模块、地质勘测数据输入模块、隧道施工参数管理模块、盾构机姿态虚拟检测模块、存储模块和数据处理模块，其中：隧道施工力学建模模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输施工力学模型信息，地质勘测数据输入模块与隧道施工参数管理模块相连传输勘测的地质数据信息，隧道施工参数管理模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输施工参数信息，盾构机姿态虚拟检测模块与存储模块相连传输姿态虚拟检测数据信息，存储模块与数据处理模块相连对储存的信息进行处理并传输经处理的信息。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统，其特征是，所述的隧道施工力学建模模块包括：轴心线模型子模块、土体力学模型子模块、隧道力学模型子模块和交互力学模型子模块，其中：轴心线模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输轴线坐标信息，土体力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输土体力学信息，隧道力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输隧道力学信息，交互力学模型子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输隧道土体交互力学信息。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统，其特征是，所述的隧道施工参数管理模块包括：土压数据子模块、水压数据子模块、泥水压力数据子模块、掘进数据子模块和千斤顶压力数据子模块，其中：土压数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输泥土压力信息，水压数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输外水压力信息，泥水压力数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输泥水压力信息，掘进数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输掘进速度数据信息，千斤顶压力数据子模块分别与盾构机姿态虚拟检测模块和存储模块相连传输千斤顶推力信息。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统，其特征是，所述的盾构机姿态虚拟检测模块包括：搭建虚拟环境子模块、模拟盾构机施工子模块和虚拟检测执行子模块，其中：搭建虚拟环境子模块与隧道施工力学建模模块相连传输施工力学模型信息，模拟盾构机施工子模块与搭建虚拟环境子模块相连传输虚拟施工环境信息，模拟盾构机施工子模块与隧道施工参数管理模块相连传输施工参数信息，虚拟检测执行子模块与模拟盾构机施工子模块相连传输姿态虚拟检测信息，虚拟检测执行子模块与存储模块相连传输姿态虚拟检测数据信息。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道施工盾构机姿态仿真检测系统，其特征是，所述的数据处理模块包括：查询子模块、添加子模块和删除子模块，其中：查询子模块与存储模块相连传输数据查询信息，添加子模块与存储模块相连传输数据添加信息，删除子模块与存储模块相连传输数据删除信息。

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