陳剛（上海隧道工程有限公司盾構(gòu)分公司，上海 200092）

基于Mat lab的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

陳剛
（上海隧道工程有限公司盾構(gòu)分公司，上海 200092）

設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)基于Mat lab的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，主要包括盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整分析模塊、千斤頂油壓分析模塊和管片間隙趨勢(shì)模塊。在該平臺(tái)上可以獲得盾構(gòu)油壓合力、千斤頂最優(yōu)凈行程，完成從油壓變化到盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)上海虹梅南路工程施工數(shù)據(jù)研究表明，該平臺(tái)能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)變化情況分析，發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題。

Matlab；盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)；平臺(tái)設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.053

1　引言

盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整質(zhì)量對(duì)周圍環(huán)境影響很大，較好姿態(tài)，地表沉降或隆起就會(huì)較??；反之會(huì)引起較大地表變形，危及地面建筑安全。控制盾構(gòu)姿態(tài)需要知道當(dāng)前姿態(tài)偏差、DTA線形、盾尾間隙等信息，依據(jù)操作者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)定推進(jìn)千斤頂壓力值，受到個(gè)人能力、身體情況、情緒等因素影響，姿態(tài)控制質(zhì)量很難保證[1]。因此，需要開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺(tái)，用于分析不同工況條件下設(shè)定千斤頂推進(jìn)壓力，以及千斤頂凈行程對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的影響。

本文研究并開(kāi)發(fā)盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，目的在于分析盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整過(guò)程，并對(duì)千斤頂推進(jìn)壓力、盾尾間隙測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，為相關(guān)技術(shù)人員提供數(shù)據(jù)資料，提高施工質(zhì)量。這里介紹了平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具M(jìn)atlabGUI，構(gòu)建施工數(shù)據(jù)庫(kù)、功能原理和具體模塊。通過(guò)工程數(shù)據(jù)應(yīng)用表明，該平臺(tái)能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)變化情況分析，發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題。

2　Mat lab簡(jiǎn)介

Matlab是一套功能非常強(qiáng)大的工程計(jì)算及數(shù)學(xué)分析可視化軟件。1984年，Mathwork公司將Matlab推向市場(chǎng)，20世紀(jì)90年代又逐步拓展起數(shù)值計(jì)算、符號(hào)解析運(yùn)算、文字處理、圖形顯示等功能，至今Matlab已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等方面重要的數(shù)學(xué)計(jì)算工具。它具有程序可讀性強(qiáng)、程序簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，尤其是在編寫含矩陣運(yùn)算的復(fù)雜程序時(shí)，能給用戶提供極大方便[2]。

MatlabGUI是一種新型的圖形用戶界面開(kāi)發(fā)方式，與其他GUI設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如VC、Java、VB等)相比，除了與這些編程語(yǔ)言一樣，能夠方便地實(shí)現(xiàn)友好界面的設(shè)計(jì)外，Matlab還是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，在數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、信號(hào)處理和圖形顯示等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。運(yùn)用Matlab強(qiáng)大的運(yùn)算和數(shù)據(jù)可視化功能，可使得設(shè)計(jì)出的GUI程序能準(zhǔn)確、快速繪制出所需要結(jié)果，使得設(shè)計(jì)與分析更為簡(jiǎn)便、直觀。

3　歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

3.1施工數(shù)據(jù)

盾構(gòu)施工方使用過(guò)程邏輯控制器（PLC），采集相應(yīng)盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)信息——推進(jìn)千斤頂狀態(tài)。德國(guó)海瑞克14.93m盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂總條數(shù)為19個(gè)，分為A、B、C、D、E、F共6個(gè)區(qū)，A區(qū)由18號(hào)、19號(hào)、1號(hào)千斤頂組成，B區(qū)由2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)千斤頂組成，C區(qū)由5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)千斤頂組成，D區(qū)由8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)千斤頂組成，E區(qū)由12號(hào)、13號(hào)、14號(hào)千斤頂組成，F(xiàn)區(qū)由15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)千斤頂組成，如圖1所示。同一區(qū)內(nèi)千斤頂動(dòng)作一致，每個(gè)區(qū)間各布置一個(gè)邏輯控制器，采集油缸伸長(zhǎng)量和油壓。

要對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行分析，不僅要采集千斤頂狀態(tài)，還需要記錄與其對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。施工數(shù)據(jù)采用鏈表結(jié)構(gòu)的文本形式存儲(chǔ)[4]，需要使用專門軟件將這些數(shù)據(jù)以及環(huán)號(hào)、時(shí)間、里程、凈行程等信息，按照excel表格形式轉(zhuǎn)換出來(lái)[5]，建立盾構(gòu)歷史施工數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)文件以環(huán)號(hào)為名稱，以表中各區(qū)千斤頂油壓值為主要研究對(duì)象，為分析盾構(gòu)姿態(tài)與油壓之間的關(guān)系提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1　各區(qū)千斤頂編組

有時(shí)盾構(gòu)停止進(jìn)行襯砌也會(huì)記錄數(shù)據(jù)，這種情況下各區(qū)千斤頂壓力小于1bar（0.1MPa），如圖2所示；PLC有時(shí)會(huì)出現(xiàn)采集到油壓值過(guò)大的情況，甚至記錄的油壓數(shù)值大于1000bar（100MPa）；開(kāi)始和結(jié)束施工階段，盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)異常情況。必須對(duì)歷史施工數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，消除采集信息中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和無(wú)用數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

圖2　盾構(gòu)停止時(shí)記錄的數(shù)據(jù)

3.2盾尾間隙

DTA線路曲率發(fā)生變化、推進(jìn)油缸伸長(zhǎng)長(zhǎng)度不一致，將會(huì)導(dǎo)致盾尾內(nèi)壁與管片外徑之間空間發(fā)生變化，這個(gè)空間就是盾尾間隙。當(dāng)盾尾間隙變化量超過(guò)設(shè)計(jì)允許變化范圍時(shí)，就會(huì)使盾尾與管片發(fā)生擠壓，致使盾尾密封刷被過(guò)快磨損而導(dǎo)致盾尾密封系統(tǒng)受到破壞，同時(shí)造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軸線發(fā)生更大程度偏離，給施工帶來(lái)不便。施工過(guò)程中要對(duì)盾尾間隙進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，以便及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，保證施工順利進(jìn)行。

盾尾間隙目前采用人工測(cè)量方式，每天由推進(jìn)班組進(jìn)行測(cè)量、記錄，結(jié)果匯總到一個(gè)excel表格中?？紤]到文件中盾尾間隙值每環(huán)都是固定值，可以把它們做成單獨(dú)一個(gè)文件，每個(gè)文件的第一列為“環(huán)號(hào)”，各個(gè)位置測(cè)到的盾尾間隙值作為其他列。

3.3DTA線形

DTA分為平面線形與高程線形，平面線形是指DTA在水平面上的投影形狀，高程線形是指DTA在縱剖面上的起伏形狀。線形要素是指構(gòu)成平面線形及高程線形的幾何特征值，平面線形的線形要素有直線和平曲線，平曲線是指在平面線形中路線轉(zhuǎn)向處曲線的總稱，包括兩種基本線形：圓弧曲線、緩和曲線；高程線形的線形要素有直線和豎曲線，豎曲線是指在線路縱坡的變坡處設(shè)置的豎向曲線，一般采用圓弧曲線。

4　平臺(tái)功能原理

盾構(gòu)姿態(tài)變化與千斤頂所產(chǎn)生合力位置有關(guān)，可以根據(jù)力矩分解原理計(jì)算各區(qū)千斤頂其合力的位置。盾構(gòu)姿態(tài)通過(guò)各個(gè)千斤頂之間的凈行程差來(lái)控制，施工人員調(diào)整油壓時(shí)會(huì)采用某幾個(gè)區(qū)間千斤頂伸長(zhǎng)量為主、其他區(qū)間為輔的方式，可將千斤頂凈行程做為空間矢量，采用矢量平面方法計(jì)算出最優(yōu)凈行程。

4.1合力位置計(jì)算

將盾構(gòu)機(jī)視作一個(gè)剛體，每個(gè)千斤頂都是面向盾構(gòu)正前方施加力，可將它們看做與整個(gè)千斤頂平面成垂直關(guān)系的空間矢量。盾構(gòu)千斤頂合力先根據(jù)千斤頂所在位置以及各區(qū)油壓，與盾構(gòu)機(jī)中心距離都是內(nèi)徑R，每個(gè)千斤頂在盾構(gòu)上產(chǎn)生力矩為M=F×R，其中F=P×π×D2/4，P為千斤頂油壓，D為千斤頂缸徑。將任意千斤頂所產(chǎn)生的推力Fi在盾構(gòu)機(jī)平面上進(jìn)行矢量分解，分別投影到X軸和Y軸上方，得到X軸上的分力矩為Mxi=Mi×cosθi，Y軸上的分力矩為Myi=Mi×sinθi，其中θ為第i個(gè)千斤頂在盾構(gòu)平面上與X軸正向之間的夾角。對(duì)所有千斤頂在X軸、Y軸上的力矩求和，同時(shí)計(jì)算出當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的總推力，最后得到千斤頂在盾構(gòu)機(jī)上的合力所處位置

4.2凈行程矢量

千斤頂凈行程矢量空間如圖3所示。

圖3　千斤頂凈行程矢量空間

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中操作人員通過(guò)設(shè)定油壓，使得伸出千斤頂長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而改變盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。操作人員對(duì)油壓進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)以某幾個(gè)千斤頂凈行程為基準(zhǔn)，判斷其他千斤頂凈行程是否合適，以此為依據(jù)操作盾構(gòu)。

計(jì)算千斤頂凈行程矢量時(shí)，先要確定3個(gè)主要千斤頂，根據(jù)它們?cè)诙軜?gòu)機(jī)平面上的位置、各自凈行程值，組成3個(gè)向量構(gòu)成1個(gè)平面，其余千斤頂凈行程值就是千斤頂向量與該平面相交得到。用戶選擇3個(gè)千斤頂?shù)目臻g坐標(biāo)分別為(X1、Y1、Z1)、(X2、Y2、Z2)、(X3、Y3、Z3)假設(shè)這個(gè)時(shí)候代表盾構(gòu)機(jī)的向量為X，Y，Z，則根據(jù)法向量定義：就可計(jì)算出其他任意千斤頂?shù)淖顑?yōu)凈行程矢量，其中X和Y為該千斤頂在盾構(gòu)機(jī)平面的位置。

對(duì)于整個(gè)盾構(gòu)機(jī)平面，可以選取互為對(duì)角的千斤頂作為基準(zhǔn)（例如，A、C、E為一組，B、D、F為一組），求其法向量均值作為最優(yōu)凈行程矢量平面，得到所有千斤頂最優(yōu)凈行程。

5　具體模塊

該平臺(tái)讀取盾構(gòu)姿態(tài)、千斤頂油壓等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更為直觀的曲線，顯示出盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前、歷史的狀態(tài)，為操作者決策提供參考信息。盾構(gòu)機(jī)操作人員都比較關(guān)心油壓變化與盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整之間的關(guān)系，需要對(duì)相同區(qū)間段內(nèi)實(shí)際油壓與姿態(tài)偏差進(jìn)行比較；為研究盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的靈敏度和精度，需要對(duì)人工設(shè)定油壓與實(shí)際壓力進(jìn)行綜合分析；為研究盾尾間隙測(cè)量、記錄的準(zhǔn)確性，需要對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中間隙值進(jìn)行連續(xù)性分析。

針對(duì)上述實(shí)際施工過(guò)程中的要求，對(duì)盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，要求能方便地對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、處理和分析。根據(jù)上面所述的設(shè)計(jì)思路與主要內(nèi)容，可將平臺(tái)分為3大部分：盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整分析部分、液壓系統(tǒng)分析部分、盾尾間隙分析部分。

6　實(shí)例應(yīng)用

盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺(tái)研制好后，于2014年10月對(duì)上海市虹梅南路工程施工數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，該工程當(dāng)時(shí)推進(jìn)到了1300環(huán)左右。各區(qū)千斤頂凈行程和油壓具體的地址如表1所示，其中地址為PLC地址、代碼為標(biāo)準(zhǔn)代碼。

表1　各分區(qū)的油壓和行程代碼和地址

6.1姿態(tài)調(diào)整分析

盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，都會(huì)摻雜一些人為操作上的隨意性與機(jī)械方面的誤差。例如：有的操作人員發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)水平方向有些偏左，那他有可能逐漸加大左區(qū)壓力，過(guò)一會(huì)兒隨著盾構(gòu)機(jī)緩慢推進(jìn)，姿態(tài)逐漸恢復(fù)正常停止增加左區(qū)壓力；有的操作人員可能會(huì)迅速增大左區(qū)壓力，后觀測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化情況，如果盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的合適，就減小左區(qū)壓力；不合適則繼續(xù)保持壓力。另外,操作人員在調(diào)整油壓時(shí)會(huì)因人而異，例如E區(qū)、F區(qū)千斤頂油壓會(huì)影響盾構(gòu)左半?yún)^(qū)推力，要增加盾構(gòu)左半?yún)^(qū)推力的話，有的人會(huì)選擇增大E區(qū)油壓，有的人會(huì)選擇增大F區(qū)油壓。

圖4顯示的是155環(huán)姿態(tài)變化情況，該環(huán)DTA平面線形為右曲線，切口、盾尾在DTA外側(cè)，盾構(gòu)機(jī)可在施工過(guò)程中向內(nèi)進(jìn)行糾偏。從圖中可以看出，開(kāi)始階段操作人員設(shè)定完油壓后，盾構(gòu)從0mm一直推進(jìn)到300mm左右，平面姿態(tài)仍然沒(méi)有太大變化。合力曲線顯示操作人員在這時(shí)調(diào)整油壓，增大了右半?yún)^(qū)壓力，希望盾構(gòu)平面姿態(tài)向里調(diào)整。盾構(gòu)推進(jìn)到1500mm左右時(shí)，他認(rèn)為這個(gè)平面姿態(tài)較為合適，可以不需要再糾偏，就增大左半?yún)^(qū)油壓，使得左、右半?yún)^(qū)油壓在水平方向達(dá)到平衡，盾構(gòu)繼續(xù)保持姿態(tài)向前推進(jìn)。

圖4　盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整分析

同樣，從0mm到300mm之間各區(qū)凈行程與最優(yōu)行程相差不大，盾構(gòu)機(jī)平面姿態(tài)保存平衡。在這之后左邊E、F區(qū)凈行程逐漸小于最優(yōu)凈行程，右邊B、C區(qū)凈行程大于最優(yōu)值，這與平面姿態(tài)變化情況類似，證實(shí)操作人員調(diào)整各區(qū)油壓來(lái)改變千斤頂凈行程，從而達(dá)到控制姿態(tài)目的。

高程方面上盾構(gòu)從0mm推進(jìn)到1 400mm左右，下半?yún)^(qū)油壓大于平衡條件切口高程偏差逐漸減小。在推進(jìn)到1500mm時(shí)操作人員調(diào)大了上半?yún)^(qū)油壓，使得切口高程偏差從此處到最后逐漸增大。從圖中油壓合力曲線所處位置也可以看出，該環(huán)施工時(shí)候盾構(gòu)水平方向壓力的平衡點(diǎn)不是在正中間，而是稍微靠右的位置上，這與施工時(shí)的土質(zhì)、以及機(jī)械情況有關(guān)；高程方向上盾構(gòu)則是“低著頭”向前推進(jìn)，造成下半?yún)^(qū)與上半?yún)^(qū)的壓力差值較大，高程壓力的平衡點(diǎn)離DTA較遠(yuǎn)。

6.2液壓系統(tǒng)分析

圖5是將第86環(huán)內(nèi)各區(qū)油壓做為自變量進(jìn)行顯示，綠色曲線為操作人員的設(shè)定油壓值，紅色曲線為該區(qū)實(shí)際輸出油壓值。操作人員在開(kāi)始階段設(shè)定了油壓，隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)到一定程度，會(huì)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行微調(diào)，避免盾構(gòu)姿態(tài)糾正過(guò)量。

從圖5中可以看出，操作人員希望千斤頂輸出壓力與實(shí)際輸出壓力不盡相同，即人工設(shè)定油壓與實(shí)際輸出油壓存在差異。經(jīng)過(guò)研究后發(fā)現(xiàn)，這種差異是PLC工作電路將信號(hào)放大、縮小造成的，且存在系數(shù)關(guān)系，各區(qū)人工設(shè)定油壓與實(shí)際油壓比值分別為：A區(qū)1:1.19 44、B區(qū)1:1.4408、C區(qū)1:0.9386、E區(qū)1:0.8080、F區(qū)1:1.3339。與操作人員溝通后他們表示，不同盾構(gòu)機(jī)各個(gè)區(qū)間設(shè)定油壓與實(shí)際油壓比值都各不相同，需要通過(guò)一段時(shí)間施工才能摸索出來(lái)。

圖5　設(shè)定油壓與實(shí)際油壓之間比較

虹梅南路工程使用的海瑞克盾構(gòu)，其下半?yún)^(qū)壓力主要是靠C區(qū)和E區(qū)油壓來(lái)調(diào)控，D區(qū)油壓根本不受人工控制，無(wú)論操作人員設(shè)定什么值，該區(qū)實(shí)際輸出油壓一直都是120bar (12MPa)左右波動(dòng)。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)該區(qū)間油缸回路存在漏油，造成了該區(qū)油壓無(wú)法調(diào)節(jié)。

6.3盾尾間隙連續(xù)性分析

人工測(cè)量、記錄時(shí)將會(huì)有誤差，這給盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整帶來(lái)滯后性。為避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，要對(duì)測(cè)量盾尾間隙值進(jìn)行校驗(yàn)。圖6中顯示虹梅南路施工過(guò)程中右上方所有盾尾間隙值，從圖中可以看出，在728環(huán)、1394環(huán)值較小，查盾尾間隙數(shù)值表得知這兩處值分別為3mm和5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論盾尾間隙45mm，這與實(shí)際情況不符。經(jīng)過(guò)與測(cè)量人員討論、驗(yàn)證后，將這兩處值修正為37mm和55mm。

圖6　施工右上方盾尾間隙值

7　結(jié)語(yǔ)

本文以研究盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整為目的，設(shè)計(jì)和構(gòu)建盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程數(shù)據(jù)分析表明，該平臺(tái)可以快速發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題，從而方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)變化情況分析，為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制提供基礎(chǔ)。

【1】李惠平,夏明耀.盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].地下空間, 2003（3）:75-78.

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The Analysis Platform for ShieldConstruction Data Based on Matlab

CHEN Gang
(ShanghaiTunnelEngineeringConstructionCompany Ltd.TBM ConstructionBranch，Shanghai 200032,China)

A analysisplatform ofMatlab-based shield constructiondataisestablished，includesShieldattitudeadjustmentmodule，oilpressureofshield jacksanalysismoduleandshield tailclearancemodule.The resultantforceofoilpressureand thenormalvectorof jack strokecanbeachieved,comparativeanalysisforoilpressurechangingand shieldattitudeadjustmentalso canbecompletedon the platform．ThedataofSouthHongmeiRoadprojectin Shanghaiisused toshow thattheplatform canbeeasily implemented toanalyze Shieldattitudeand foundsomeproblems.

Matlab；shield constructiondata；platform design

U455.43

A

1007-9467（2016）11-0169-05

上海市科委資助項(xiàng)目（16111107600）；上海市人才發(fā)展資金資助項(xiàng)目（201406）

陳剛（1981～），男，江西贛縣人，工程師，從事數(shù)據(jù)分析、軟件工程、盾構(gòu)智能控制研究。

2016-06-12