《盾构法隧道施工技术及应用》第九章第二节 盾构施工监控系统

1、第九章第二节盾构施工监控系统盾构电气监控系统是盾构设备的一个重要组成部分。随着电子技术的飞速发展，盾构电气监控技术发展 较快。深入消化吸收国外先进盾构的电气监控技术，对开发国产土压平衡盾构电气监控系统具有十分重要作 用。一、土压平衡盾构电气监控系统1、国产土压平衡盾构电气监控系统（1）盾构监控系统总体设计方法 研究盾构工艺流程系统地协调盾构电气系统与盾构机械功能、掘进施工参数的关系；系统地协调供配电、传感器、仪表、 控制器、计算机的电量关系；系统地协调设备状态和数据信息流的关系；系统地协调软件和硬件的关系，在 此基础上建立盾构控制模型，确定供配电器件、传感器、仪表、PLC、计算机基本配制；确定PLC的I/O 口信 息的性质、流向、数量；确定系统的逻辑和时序关系、数值变换关系。 总结盾构施工经验掌握盾构切口压力自动平衡PID控制参数的确定和调整方法，以稳定盾构切口压力；掌握同步注浆控制算法，实时控制注浆量，以减少地面沉降； 掌握掘进分区油压控制特点，合理设计操作界面，以便操作和控制盾构掘进轴线。（2）PLC 控制技术在盾构中的设计方法 PLC在盾构应用中的三大设计原则：满足盾构控制功能原

2、则；安全可靠原则；合理的性价比原则。 PLC在盾构应用的质保措施：硬件设计阶段的抗干扰措施；软件设计阶段的可靠性措施；软件编程阶 段的测试措施。 综合考虑PLC在盾构中应用的下列因素：a. I/O容量。统计PLC开关量I/O和模拟量I/O的总数。b. I/O电气特性。考虑开关量I/O电压等级和输出功率，模拟量I/O的标准信号类型。c. 控制方式。根据设备布局，考虑采用集中控制方式或集散控制方式。d. PLC选型。综合考虑PLC技术指标、PLC价格、设计人员对所选PLC型号软硬件熟悉程度等因素。e. 通信问题。考虑通信距离、网络结构、上位机通信软件。f. I/O分类划分。可按设备系统划分，按输入输出功能划分，按模拟量和开关量划分。（3）系统构成国产土压平衡盾构监控系统由供配电设备、传感器仪表、PLC控制器、计算机等组成的集散监控系统， 见图9-2-1 。地铁10号土压平衡盾构总装机容量670KW, 10KV供电，380V配电。系统控制25台电动机、72个电磁 阀，通过液压系统实现对刀盘、推进千斤顶、螺旋机、拼装机等设备的控制。图9-2-1 地铁10号盾构集散监控系统系统配置压力、转速、行

3、程、姿态等各种传感器23套以检测盾构和施工的各种参数。控制系统采用日本三菱公司A系列PLC。系统配置PLC主控制器1套，PLC从控制器2套，PLC的D/I 模块9块、D/O模块8块、A/I模块5块、A/O模块4块。PLC之间采用MELSECENT/B总线型通信拓扑结构。 PLC与计算机之间采用RS232标准接口，与所配制的工业控制计算机组成土压平衡盾构集散监控系统。（4）PLC控制模型 土压平衡控制土压平衡自动控制是负反馈控制系统，盾构正面土仓的土压力作为土压平衡盾构自动控制的对象。其技 术关键是根据盾构机械传动状态、施工土质条件实际情况，结合土压平衡盾构自动控制原理和施工经验，确 定和调整合理的PID控制参数。 同步注浆控制掘进过程中，注浆量为Q（t）,盾壳外径为D1,管片外径为D2,掘进相对长度为L1,注浆泵活塞外径为d,注浆泵活塞长度为L2,推进速度为V（t）,推进时间为t，注浆次数为n，注浆量比例设定参数为K,则有:上式中的Dl、D2、d、L2和K都是已知量，故m也是个常数。在编制程序时，只要计算出当前的行程相 对值L1即能实现同步实时控制要求。 掘进分区油压控制盾构千斤顶设4

4、个控制区间，根据分区油压差值，可分别控制盾构的坡度和方位。PLC设置4个分区油 压的上下限控制值，用于报警显示。PLC协调4个区间压力设定、控制输出、异常报警、状态显示等开环控 制的全过程。 拼装回转限位的控制盾构拼装机设置正反转限位开关，PLC控制程序设置位置状态记忆功能,防止误动作造成电缆和油管的损 伤。 电动机控制PLC控制电动机的工作状态，采取过载、失压软件保护和报警措施，低起动电流措施。 时序逻缉控制初始化：机械位置、温度、液压等状态的初始化。 状态选择：掘进或拼装状态选择。掘进状态控制顺序：刀盘、皮带运输机、螺旋输送机、掘进机的正向和逆向控制顺序。 逻缉控制：控制状态判别、轻载启动、限值判别、电气保护、机械设备保护等。 数值处理模拟量输入信号标度：零点、增益、工程单位标度。 模拟量输入信号运算：算术求和运算、微积分运算。（5）施工管理系统地铁10号土压平衡盾构计算机施工管理系统的实时信息来自A系列PLC的通信模块（21个模拟量、189 个离散量）。其主要功能有：施工参数、控制参数设定；实时显示盾构设备状态和施工状态；设备故障报警 查询；数据算术运算、数据统计；盾构掘进环报表

5、数据处理等。（6）应用效果地铁10号土压平衡盾构应用于地铁2号线静安寺站至江苏路站区间隧道，效果如下： PLC控制可靠性高于传统继电器控制。盾构控制系统在地铁二号线施工中未发生任何故障。 采用网络通信方式，节省大量控制电缆，比用继电器控制的盾构缩短2天。 应用灵活，根据施工需要可方便地修改控制方式。 土压平衡计算机施工管理系统的实时管理功能为盾构司机提供了良好的施工和设备操作界面，历史 功能为施工管理部门提供了分析和决策依据。 土压平衡控制精度为K1%，轴线偏差控制在K50mm之内，地面沉降控制在一30mm到+ 10mm之间。2、国外盾构电气监控系统的优化（1）（p 7.65m铰接式土压平衡盾构（法国FCB公司产，二手盾构）经改制和优化后的盾构用于上海外滩观光隧道工程，总装机容量1181 KW、10KV供电。系统配有压力、 转速、行程、转角、倾角等各种传感器34套。系统控制145个电磁阀。控制系统硬件（TE公司PLC）基本 利用原设备，新配制一套计算机监控系统硬件。开发的土压平衡盾构PLC集散控制应用软件和计算机施工管 理软件，实现了盾构集散监控的功能。 开发TE系列PLC 土压平衡盾

6、构控制系统系统采取集散控制技术方案。控制系统硬件由一台PLC主站、六台就地站、一台远程站、一套LOCAL通 信适配器和一套REMOTE通信适配器组成（见图9-2-2）。盾构控制室PLC主站LES805LES805盾构配电室SCA50PLC(7)盾构本体盾构2#设备台车PLCPLC(1)PLC(2)PLC(3)PLC(4)PLC(5)PLC(6)从站图9-2-2盾构PLC系统总体结构图所编制的PLC应用软件特点：采用集散控制方式，从站PLC具有CPU处理能力，提高了数据处理和状态控制的可靠性。 采用文本块直接通信方式，数据传送速率高。 PLC应用软件满足观光隧道土压平衡盾构的系统控制要求。 开发土压平衡盾构计算机施工管理系统 开发的土压平衡盾构计算机施工管理系统，应用效果优于引进盾构的数据采集系统。其特点如下： 操作方式优化。由计算机触摸屏代替原专用键盘和法文显示屏，方便盾构司机辨识和操作。 操作界面优化。由菜单分别选择显示屏上九个页面，全中文显示信息，图文并茂。 管理功能优化。根据施工管理模式，能实时显示盾构设备状态和盾构施工参数；及时记录和发布报 警事件；方便施工参数设置和调整；自动

7、生成环报表。历史数据统计结果便于分析施工情况，为作出正确判 断，指导施工决策提供基础信息。（2）p 6.34m 土压平衡盾构（日本青木公司产，二手盾构） 广州地铁2号线隧道施工一期工程地质条件十分复杂，必须将原从日本引进的二台泥水平衡盾构改造和优化成复合式土压平衡盾构，才能满足施工需要。运用已掌握的土压平衡盾构监控系统研制技术和改制技术，改造和优化广州地铁二号线复合式土压平衡 盾构电气监控系统已取得成功。该盾构监控系统技术特点：具有三种土质的控制模式；数据采集系统采取计 算机仿真技术。（3）改制国外盾构电气监控系统技术路线 在缺少原盾构电气监控系统图纸和技术资料的情况下，技术人员深入盾构现场，仔细勘察、测试、 分析引进国外二手盾构电气监控系统原始状态，掌握原盾构电气设备和元器件状态，掌握原盾构电气设计的 基本思路，掌握原盾构集散监控系统的基本构成，为改造和优化引进国外二手盾构电气监控系统掌握第一手 资料。 根据隧道施工工艺参数和盾构改造要求，优化原盾构电气系统。优化控制功能，优化管理功能，优 化系统配置，优化操作界面。提出开发国产化土压平衡盾构监控系统应用软件的技术方案。 根据勘验结果

8、确定改造目标。以尽可能利用原系统电气设备和元器件为原则。对于原系统已损坏或 缺损的电气设备和元器件，按设备改造需求和可靠性要求调整和重新配置。 在分析盾构工艺流程、设备联锁保护、数据运算处理、数据传送、故障报警要求、操作显示要求的 基础上，建立盾构的控制模型，作为PLC软件设计和程序编制的依据。 软件设计、程序编制、软件调试。 设计与勘察、测试、制造、安装、施工密切结合，及时解决技术问题。3、盾构电气监控系统研制的可靠性技术（1）设计阶段的可靠性措施 控制方案宜采取集中指挥，分散控制的集散控制方案。如果现场发生异常突发事件，由局部控制器（PLC从站） 进行处理。即使局部控制器发生故障，主控制器（PLC主站）亦能进行协调处理，使故障影响面减小。 元器件选择 在满足使用要求的前提下，必须选择成熟产品，在目前市场条件下，宜选择引进技术生产的电气产品。 耐环境设计 元器件环境温度指标宜大于50度，环境湿度指标宜大于85%； 安装在施工现场的传感器保护等级为IP65，否则采取保护措施； 电气箱柜保护等级为IP54。 电气保护措施 电气绝缘指标符合国家标准。动力回路采取短路保护、漏电保护、失压保护

9、、过载保护措施。 抗干扰措施 盾构空间较小，电气元器件布置紧凑，电磁干扰主要以辐射、感应或直接传送的形式对模拟信号作用。盾构监控系统应采取以下抗干扰措施： 信号导线屏蔽措施。屏蔽层单端接地，防止电磁辐射和感应干扰； 信号源隔离措施。防止直接传送和共地干扰； 软件处理措施。采取算术平均值滤波方法，以减少系统的随机干扰对采样结果的影响。采用一阶递推滤 波方法，以减少低频噪声对系统的干扰。采用中位值滤波方法，以减少脉冲干扰的影响。 盾构监控系统应用软件开发可靠性措施 监控系统硬件必须适应盾构施工恶劣环境。软件开发平台必须成熟可靠。 采用软件工程方法,指导盾构监控系统应用软件的设计和编程。正确的软件设计方法和完备的软件文档，是确保应用软件可靠性的基本条件。根据I/O变量和中间变量确定数据字典。根据监控信息流程确定数据流 图。根据监控要求确定图控画面。根据监控信息关系确定数据库结构。编制PLC仿真调试程序，优化计算机应用软件的测试手段。从各种不同工矿条件测试盾构管理计算机系 统的适用性、可靠性，检测是否发生时间冲突和空间竞争。确保所设计和编制的应用软件在实际应用中一次 成功。 落实技术方案和设计图纸的校对、审核措施。（2）制造阶段的可靠性措施 加强元器件质量检验，参照船用电气工艺标准制作和安装箱柜。 落实盾构制造过程的三个阶段质量检验具体措施：a 工厂检验，以检验制造工艺质量、接线准确性为主。b 施工现场掘进前检验，以检验系统功能和调整技术参数为主。c 试掘进检验，以检验总体效果为主。（3）施工阶段的可靠性措施 根据施工工况条件，及时调

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