CN105909270B - 一种盾构机轴线控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机轴线控制系统，该系统包括盾构推进数据库、盾构智能预测模块和轴线智能纠偏模块，盾构推进数据库用于姿态数据管理、管片数据管理和盾尾数据管理，姿态数据管理，包括盾构机切口水平偏移值、盾构机切口竖直偏移值、盾构机盾尾水平偏移值、盾构机盾尾竖直偏移值，管片数据管理，包括管片水平贴片量、管片竖直贴片量，盾尾数据管理，包括水平盾尾间隙值、竖直盾尾间隙值；盾构智能预测模块，包括姿态数据预测，管片数据预测和盾尾数据预测模块，通过已有的施工和测量参数对盾构的下一环节姿态数据、管片数据、盾尾数据进行预测及测算，从而指导实际的盾构施工并与测量参数进行对比。

Description

一种盾构机轴线控制系统

技术领域

本发明属于隧道掘进设备技术领域，特别涉及一种盾构机轴线控制系统。

背景技术

盾构机，也称为隧道掘进机，是带防护罩的特制机械。盾构法是采用盾构机在破碎岩层或土层中掘进隧洞的施工方法。在盾构机的掘进过程中，盾构机是按照预订轨迹向前行进的。但在施工过程中，很难避免盾构机偏离预定轨迹的情况，一旦盾构机偏离预订轨迹，就需要对盾构机施行纠偏。

目前，盾构机的轴线控制主要由3种方法来进行控制：

(1)在推进过程中依靠盾构机操作手通过油缸千斤顶行程差进行控制；盾构机操作手在推进过程中通过盾构机测量组反馈的数据不断调整油缸的行程差对轴线进行控制和纠偏，利用行程差对盾构的姿态进行控制。

(2)在管片拼装过程中依靠管片贴片纠正管片的轴线；通过增加对盾构机管片的贴片量来达到管片轴线的控制。然而在实际工程中，该贴片量往往是凭经验贴，从而达不到轴线控制的作用。

(3)对轴线姿态较差的管片采用转弯环管片进行纠偏。对已经偏离较大的管片采用转弯环对该轴线进行纠偏。

然而，以上3种方法在实际工程的运用中仍存在一定问题。比如：

一，轴线控制同时依赖于管片的轴线控制及盾构机姿态的轴线控制，方法(1)仅仅考虑了姿态的轴线控制而忽视管片的轴线控制。盾尾间隙会因此不符合要求而导致错台等不良后果。

二，方法(1)的推进依赖于测量组的正确信息，但在实际工程中。由于测量组人员及设备的原因，往往存在数据不真或者滞后的现象，这导致了轴线控制的困难。

三，方法(2)和方法(3)所采取的贴片量或者转弯环的楔形量往往由人工凭经验确定，这增加了轴线控制的困难。

在工程实际中，盾构的轴线控制比较依赖于人工的经验。而且对后期轴线控制缺乏预期的判断，对轴线的控制更难以判断和预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机用轴线控制系统，可以通过目前的测量参数及施工参数对盾构机的轴线姿态、管片轴线进行预测，并且可以通过目前的盾构姿态、管片轴线经过计算得出轴线控制。

本发明的技术方案是一种盾构机轴线控制系统，该系统包括盾构推进数据库、盾构智能预测模块和轴线智能纠偏模块，

盾构推进数据库用于姿态数据管理、管片数据管理和盾尾数据管理，

姿态数据管理，包括盾构机切口水平偏移值、盾构机切口竖直偏移值、盾构机盾尾水平偏移值、盾构机盾尾竖直偏移值，

管片数据管理，包括管片水平贴片量、管片竖直贴片量，

盾尾数据管理，包括水平盾尾间隙值、竖直盾尾间隙值；

盾构智能预测模块，包括姿态数据预测，管片数据预测和盾尾数据预测模块，通过已有的施工和测量参数对盾构的下一环节姿态数据、管片数据、盾尾数据进行预测及测算，从而指导实际的盾构施工并与测量参数进行对比；

盾构智能纠偏模块，包括盾构行程建议和管片拼装建议，通过已有的施工和测量参数进行测算和分析后，对盾构的下一环节具体施工直接提出建议值。

盾构智能预测模块的实现过程包括：

B1，获取上一环节的盾构掘进参数,包括油缸行程差；

B2，根据理论行程差预测当前环节掘进完时的盾尾间隙，

盾尾间隙表述了管片与盾构机的相对关系，其值的大小与盾构机与管片的相对转角及相对偏差有关，当盾构机与管片的相对转角可忽略时，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,则水平或垂直方向的ΔT由式(1)近似表示：

B3，判断盾尾间隙是否超限，

盾尾间隙的合理值同时考虑两个方向的合理值，满足式(2)：

(n₁-n)²+(n₂-n)≤n² (2)

其中n₁、n₂分别是本环水平向及竖直向的盾尾间隙，其大小等于上一环节的n₁、n₂加上ΔT，n为标准盾尾间隙；

B4，如果B3中盾尾间隙取得合理值,则进入下一步,否则返回B2,调整油缸行程差；

B5，输入管片拼装参数，包括管片楔形量、贴片量；

B6，根据理论行程差预测当前拼装完毕后的姿态变化，

盾构机中心的偏离值改变量由式(3)决定：

ΔH＝b×tan(θ₁-θ) (3)

其中θ₁为盾构姿态的绝对转角，由盾构姿态计算，θ为盾构机与管片的相对转角；

而盾构机中心的偏离值改变量与切口、盾尾偏差改变量满足式(4)：

ΔH＝(L-S)×Δd/L+S×Δq/L (4)

其中L为盾构机长度，S为切口到盾构机中心的距离，Δd为盾尾改变量，Δq为切口改变量，结合式(3)(4)计算姿态的变化量；

B7，根据管片楔形量预测当前拼装完毕后的盾尾间隙变化，

当盾构机与管片的相对转角可忽略时，设管片楔形量改变量为Δu1,管环宽为b,油缸安装直径为D,盾尾间隙的改变量为ΔT,则水平或垂直方向的ΔT由式(5)近似表示：

当盾构机与管片的相对转角不可忽略时，式(5)可近似为：

B8，判断盾尾间隙及盾构姿态是否合理，

盾尾间隙的合理值应同时考虑两个方向的合理值，应满足式(2)，

(n₁-n)²+(n₂-n)≤n² (2)

其中n₁、n₂分别是本环水平向及竖直向的盾尾间隙，其大小等于上一环节的n₁、n₂加上ΔT，n为标准盾尾间隙；

B9，如果B8中盾尾间隙取得合理值,则进入下一步,否则返回B5,调整施工参数。

轴线智能纠偏模块的实现过程包括：

C1，获取姿态数据；

C2，纠偏情景及距离判定，根据其姿态转角及偏离度判断其相对位置，

盾构存在多种偏离模式，第一偏离模式是方向及水平均偏离，第二偏离模式是水平偏离但方向不偏离，第三偏离模式是方向偏离但水平未偏离，

通过姿态数据的获取，计算姿态的偏转角，用以判断盾构方向是否偏离，通过盾构中心偏差来判断盾构机的水平偏离(式子(3))，确定是哪一种偏离模式，

C3，选择目标偏转角，例如，当第一偏离模式时，此时盾构机应尽快改变方向，此时管片偏角转应选择考虑盾尾间隙条件下的最大容许偏转角；当第二偏离模式时，此时盾构机应判断盾构中心偏差的大小来选择：距离较远时，选择最大容许偏转角，距离较近时，选择较小的偏转角，如第三偏离模式。

C4，根据目标偏转角计算施工参数建议值，

在确定了管片偏转角后，根据式子

ΔK＝D×tan(θ_mu-θ_dq) (7)

式子中ΔK为管片楔形量加贴片量的值，θ_mu为目标管片偏转角，θ_dq为当前管片偏转角，

C5，验算盾尾间隙；

C6，如果C5中盾尾间隙的验算通过,则进入下一步,否则返回C4,调整施工参数；

C7，利用盾尾间隙及盾构姿态计算行程差改变量，

ΔT＝n-n₁ (8)

利用本发明的轴线控制系统，在进行盾构姿态纠偏的同时考虑管片的偏差管理，利用轴线控制系统综合评估；对推进结果进行预测，并与测量组的测量结果相互验证，一方面保证测量系统的正常，一方面利用该预测结果进行纠偏指导；对推进过程中的轴线纠偏量及管片纠偏量提供准确的计算结果。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图。

图2是本发明中盾构智能预测模块流程示意图。

图3是本发明中轴线智能纠偏模块流程示意图。

图4是本发明中盾构偏离模式示意图。

具体实施方式

本发明建立了一个盾构机的轴线控制平台，该平台包括以下部分(见图1)：

A、盾构推进数据库；

B、盾构智能预测模块；

C、轴线智能纠偏模块。

所述部分A盾构推进数据库模块属于存储记录功能模块，其目的是记录所有经过本系统计算或记录的相关数据，这些数据的记录将有利于盾构轴线控制的分析和控制，具体包括：

姿态数据管理，包括盾构机切口水平偏移值、盾构机切口竖直偏移值、盾构机盾尾水平偏移值、盾构机盾尾竖直偏移值等；

管片数据管理，包括管片水平贴片量、管片竖直贴片量等；

盾尾数据管理，包括水平盾尾间隙值、竖直盾尾间隙值等；

所述部分B盾构智能预测模块属于本平台的计算模块，其目的是通过已有的施工和测量参数对盾构的下一环姿态数据、管片数据、盾尾数据进行预测及测算，从而指导实际的盾构施工并与测量参数进行对比，具体包括：姿态数据预测，管片数据预测及盾尾数据管理。

所述模块B的具体实现过程如下(如图2所述)：

①获取上环盾构掘进参数,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尾间隙；

盾尾间隙表述了管片与盾构机的相对关系，其值的大小与盾构机与管片的相对转角及相对偏差有关。当盾构机与管片的相对转角可忽略时，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：

③判断盾尾间隙是否超限；

盾尾间隙的合理值应同时考虑两个方向的合理值，应满足式：

(n₁-n)²+(n₂-n)≤n² (2)

其中n₁、n₂分别是本环水平向及竖直向的盾尾间隙，其大小等于上一环节的n₁、n₂加上ΔT，n为标准盾尾间隙。

④如果③中盾尾间隙取得合理值,则进入下一步,否则返回②,调整油缸行程差；

⑤输入管片拼装参数，如管片楔形量、贴片量等；

⑥根据理论行程差预测当前拼装完毕后的姿态变化；

盾构推进过程中，千斤顶行程差改变了盾构姿态的偏转角和相对转角，但盾构机中心与轴线的偏差本质上是由顶在盾构机末端的管片偏转角决定的。因此，盾构机中心的偏离值可由式决定：

ΔH＝b×tan(θ₁-θ) (3)

其中θ₁为盾构姿态的绝对转角，可由盾构姿态计算，θ为盾构机与管片的相对转角；。

而盾构机中心的偏离值改变量与切口、盾尾偏差改变量满足式：

ΔH＝(L-S)×Δd/L+S×Δq/L (4)

其中L为盾构机长度，S为切口到盾构机中心的距离，Δd为盾尾改变量，Δq为切口改变量，结合上述两式可计算姿态的变化量。

⑦根据理论行程差预测当前拼装完毕后的盾尾间隙变化；

当盾构机与管片的相对转角可忽略时，设管片楔形量改变量为Δu1,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：

然而，当盾构机与管片的相对转角不可忽略时，上式可近似应改为：

⑧判断盾尾间隙及盾构姿态是否合理；

盾尾间隙的合理值应同时考虑两个方向的合理值，应满足式：

(n₁-n)²+(n₂-n)≤n² (2)

其中n₁、n₂分别是本环水平向及竖直向的盾尾间隙，其大小等于上一环节的n₁、n₂加上ΔT，n为标准盾尾间隙。

⑨如果⑧中盾尾间隙取得合理值,则进入下一步,否则返回⑤,调整施工参数；

⑩重复步骤。

所述部分C盾构智能纠偏模块属于本平台的计算模块，其目的是通过已有的施工和测量参数进行测算和分析后，对盾构的下一环具体施工直接提出建议值，具体包括：盾构行程建议及管片拼装建议。

所述模块C的具体实现过程如下(如图3所示)：

①获取姿态数据；

②纠偏情景及距离判定，根据其姿态转角及偏离度判断其相对位置；

如图4所示，盾构存在多种偏离模式，方向及水平均偏离(图4-a)、水平偏离但方向不偏离(图4-b)、方向偏离但水平几乎未偏离(图4-c)。通过姿态数据的获取，计算姿态的偏转角，用以判断盾构方向是否偏离，通过盾构中心偏差来判断盾构机的水平偏离(式子(6))，最终可确定纠偏情景。

③目标偏转角的选择；

例如，当如图4-a时，此时盾构机应尽快改变方向，此时管片偏角转应选择考虑盾尾间隙条件下的最大容许偏转角；当如图4-b时，此时盾构机应判断盾构中心偏差的大小来选择：距离较远时，选择最大容许偏转角，距离较近时，选择较小的偏转角，如图4-c情景。

④根据目标偏转角计算施工参数建议值；

在确定了管片偏转角后，根据式子

ΔK＝D×tan(θ_mu-θ_dq) (7)

式子中ΔK为管片楔形量加贴片量的值，θ_mu为目标管片偏转角，θ_dq为当前管片偏转角。值得说明的是，ΔK在施工过程中有上限，并且该数值应满足盾尾间隙的验算。

⑤盾尾间隙验算；

⑥如果⑤中盾尾间隙的验算通过,则进入下一步,否则返回④,调整施工参数；

⑦利用盾尾间隙及盾构姿态计算行程差建议值；

尽管千斤顶行程差可以直接而有效地改变盾构姿态，但其本质上影响的是盾构姿态偏转角和相对偏转角，在轴线纠偏时，千斤顶行程差的调整应配合盾构管片施工，一方面修正姿态，一方面调整盾尾间隙至标准盾尾间隙。如式子(8)，结合式子(2)，可得(9)。

ΔT＝n-n₁(8)

⑧重复步骤。

Claims (2)

1.一种盾构机轴线控制系统，其特征在于，该系统包括盾构推进数据库、盾构智能预测模块和轴线智能纠偏模块，

盾构推进数据库用于姿态数据管理、管片数据管理和盾尾数据管理，

姿态数据管理，包括盾构机切口水平偏移值、盾构机切口竖直偏移值、盾构机盾尾水平偏移值、盾构机盾尾竖直偏移值，

管片数据管理，包括管片水平贴片量、管片竖直贴片量，

盾尾数据管理，包括水平盾尾间隙值、竖直盾尾间隙值；

盾构智能预测模块，包括姿态数据预测，管片数据预测和盾尾数据预测模块，通过已有的施工和测量参数对盾构的下一环节姿态数据、管片数据、盾尾数据进行预测及测算，从而指导实际的盾构施工并与测量参数进行对比；

盾构智能纠偏模块，包括盾构行程建议和管片拼装建议，通过已有的施工和测量参数进行测算和分析后，对盾构的下一环节具体施工直接提出建议值，

盾构智能预测模块的实现过程包括：

B1，获取上一环节的盾构掘进参数,包括油缸行程差；

B2，根据理论行程差预测当前环节掘进完时的盾尾间隙，

盾尾间隙表述了管片与盾构机的相对关系，其值的大小与盾构机与管片的相对转角及相对偏差有关，当盾构机与管片的相对转角可忽略时，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,则水平或垂直方向的ΔT由式(1)近似表示：

B3，判断盾尾间隙是否超限，

盾尾间隙的合理值同时考虑两个方向，满足式(2)：

(n₁-n)²+(n₂-n)²≤n² (2)

其中n₁、n₂分别是本环水平向及竖直向的盾尾间隙，其大小等于上一环节的n₁、n₂加上ΔT，n为标准盾尾间隙；

B4，如果B3中盾尾间隙满足式子(2)则进入下一步,否则返回B2,调整油缸行程差；

B5，输入管片拼装参数，包括管片楔形量、贴片量；

B6，根据理论行程差预测当前拼装完毕后的姿态变化，

盾构机中心的偏离值改变量由式(3)决定：

ΔH＝b×tan(θ₁-θ) (3)

其中θ₁为盾构姿态的绝对转角，由盾构姿态计算，θ为盾构机与管片的相对转角；

而盾构机中心的偏离值改变量与切口、盾尾偏差改变量满足式(4)：

ΔH＝(L-S)×Δ_d/L+S×Δ_q/L (4)

其中L为盾构机长度，S为切口到盾构机中心的距离，Δ_d为盾尾偏差改变量，Δ_q为切口偏差改变量，结合式(3)(4)计算姿态的变化量；

B7，根据管片楔形量预测当前拼装完毕后的盾尾间隙变化，

当盾构机与管片的相对转角可忽略时，设管片楔形量改变量为Δu1,管环宽为b,油缸安装直径为D,盾尾间隙的改变量为ΔT,则水平或垂直方向的ΔT由式(5)近似表示：

当盾构机与管片的相对转角不可忽略时，式(5)可近似为：

B8，判断盾尾间隙及盾构姿态是否合理，

盾尾间隙的合理值应同时考虑两个方向，应满足式(2)，

盾构姿态的合理与否取决于现场判断；

B9，如果B8中盾尾间隙满足式子(2)且盾构姿态取得了合理值,则进入下一步,否则返回B5,调整施工参数，至此本轮的预测完成，B6中测算的姿态变化及B7后得到的盾尾间隙变化即为预测结果。

2.如权利要求1所述的盾构机轴线控制系统，其特征在于，轴线智能纠偏模块的实现过程包括：

C1，获取姿态数据；

C2，纠偏情景及距离判定，根据其姿态转角及偏离度判断其相对位置，

盾构存在多种偏离模式，第一偏离模式是方向及水平均偏离，第二偏离模式是水平偏离但方向不偏离，第三偏离模式是方向偏离但水平未偏离，

通过姿态数据的获取，计算姿态的偏转角，用以判断盾构方向是否偏离，通过计算盾构中心偏差的公式(3)来判断盾构机的水平偏离，确定是哪一种偏离模式，

C3，选择目标偏转角，

C4，根据目标偏转角计算施工参数建议值，

在确定了管片偏转角后，根据式子

ΔK＝D×tan(θ_mu-θ_dq) (7)

式子中ΔK为管片楔形量加贴片量的值，θ_mu为目标管片偏转角，θ_dq为当前管片偏转角，

C5，验算盾尾间隙；将ΔK代入式子(5)、(6)中替代Δu1计算盾尾间隙变化量，并根据式子(7)验算盾尾间隙，

C6，如果C5中盾尾间隙的验算通过,则进入下一步,否则返回C4,调整施工参数；

C7，利用盾尾间隙及盾构姿态计算行程差改变量，

ΔT＝n-n₁ (8)