基于Mat lab的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺

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

陳剛
（上海隧道工程有限公司盾構(gòu)分公司，上海 200092）

設(shè)計并建立了一個基于Mat lab的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺，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模塊。在該平臺上可以獲得盾構(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)整的對比分析。通過對上海虹梅南路工程施工數(shù)據(jù)研究表明，該平臺能夠方便地實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)變化情況分析，發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題。

Matlab；盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)；平臺設(shè)計

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

1　引言

盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整質(zhì)量對周圍環(huán)境影響很大，較好姿態(tài)，地表沉降或隆起就會較小；反之會引起較大地表變形，危及地面建筑安全?？刂贫軜?gòu)姿態(tài)需要知道當前姿態(tài)偏差、DTA線形、盾尾間隙等信息，依據(jù)操作者個人經(jīng)驗設(shè)定推進千斤頂壓力值，受到個人能力、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，需要開發(fā)一個平臺，用于分析不同工況條件下設(shè)定千斤頂推進壓力，以及千斤頂凈行程對盾構(gòu)姿態(tài)的影響。

本文研究并開發(fā)盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺，目的在于分析盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整過程，并對千斤頂推進壓力、盾尾間隙測量數(shù)據(jù)進行研究，為相關(guān)技術(shù)人員提供數(shù)據(jù)資料，提高施工質(zhì)量。這里介紹了平臺開發(fā)工具MatlabGUI，構(gòu)建施工數(shù)據(jù)庫、功能原理和具體模塊。通過工程數(shù)據(jù)應(yīng)用表明，該平臺能夠方便地實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)變化情況分析，發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題。

2　Mat lab簡介

Matlab是一套功能非常強大的工程計算及數(shù)學(xué)分析可視化軟件。1984年，Mathwork公司將Matlab推向市場，20世紀90年代又逐步拓展起數(shù)值計算、符號解析運算、文字處理、圖形顯示等功能，至今Matlab已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、概率論及數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等方面重要的數(shù)學(xué)計算工具。它具有程序可讀性強、程序簡單等特點，尤其是在編寫含矩陣運算的復(fù)雜程序時，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發(fā)方式，與其他GUI設(shè)計語言（如VC、Java、VB等)相比，除了與這些編程語言一樣，能夠方便地實現(xiàn)友好界面的設(shè)計外，Matlab還是一款功能強大的仿真軟件，在數(shù)值分析、矩陣計算、信號處理和圖形顯示等方面均具有明顯的優(yōu)勢[3]。運用Matlab強大的運算和數(shù)據(jù)可視化功能，可使得設(shè)計出的GUI程序能準確、快速繪制出所需要結(jié)果，使得設(shè)計與分析更為簡便、直觀。

3　歷史數(shù)據(jù)庫的建立

3.1施工數(shù)據(jù)

盾構(gòu)施工方使用過程邏輯控制器（PLC），采集相應(yīng)盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)信息——推進千斤頂狀態(tài)。德國海瑞克14.93m盾構(gòu)推進千斤頂總條數(shù)為19個，分為A、B、C、D、E、F共6個區(qū)，A區(qū)由18號、19號、1號千斤頂組成，B區(qū)由2號、3號、4號千斤頂組成，C區(qū)由5號、6號、7號千斤頂組成，D區(qū)由8號、9號、10號、11號千斤頂組成，E區(qū)由12號、13號、14號千斤頂組成，F(xiàn)區(qū)由15號、16號、17號千斤頂組成，如圖1所示。同一區(qū)內(nèi)千斤頂動作一致，每個區(qū)間各布置一個邏輯控制器，采集油缸伸長量和油壓。

要對盾構(gòu)施工過程進行分析，不僅要采集千斤頂狀態(tài)，還需要記錄與其對應(yīng)的盾構(gòu)機姿態(tài)。施工數(shù)據(jù)采用鏈表結(jié)構(gòu)的文本形式存儲[4]，需要使用專門軟件將這些數(shù)據(jù)以及環(huán)號、時間、里程、凈行程等信息，按照excel表格形式轉(zhuǎn)換出來[5]，建立盾構(gòu)歷史施工數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫內(nèi)文件以環(huán)號為名稱，以表中各區(qū)千斤頂油壓值為主要研究對象，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

有時盾構(gòu)停止進行襯砌也會記錄數(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有時會出現(xiàn)采集到油壓值過大的情況，甚至記錄的油壓數(shù)值大于1000bar（100MPa）；開始和結(jié)束施工階段，盾構(gòu)姿態(tài)自動導(dǎo)向系統(tǒng)采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)異常情況。必須對歷史施工數(shù)據(jù)進行初步整理，消除采集信息中的錯誤數(shù)據(jù)和無用數(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、推進油缸伸長長度不一致，將會導(dǎo)致盾尾內(nèi)壁與管片外徑之間空間發(fā)生變化，這個空間就是盾尾間隙。當盾尾間隙變化量超過設(shè)計允許變化范圍時，就會使盾尾與管片發(fā)生擠壓，致使盾尾密封刷被過快磨損而導(dǎo)致盾尾密封系統(tǒng)受到破壞，同時造成盾構(gòu)機掘進軸線發(fā)生更大程度偏離，給施工帶來不便。施工過程中要對盾尾間隙進行連續(xù)測量，以便及時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，保證施工順利進行。

盾尾間隙目前采用人工測量方式，每天由推進班組進行測量、記錄，結(jié)果匯總到一個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一個文件，每個文件的第一列為“環(huán)號”，各個位置測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)力矩分解原理計算各區(qū)千斤頂其合力的位置。盾構(gòu)姿態(tài)通過各個千斤頂之間的凈行程差來控制，施工人員調(diào)整油壓時會采用某幾個區(qū)間千斤頂伸長量為主、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算出最優(yōu)凈行程。

4.1合力位置計算

將盾構(gòu)機視作一個剛體，每個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)機中心距離都是內(nèi)徑R，每個千斤頂在盾構(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)機平面上進行矢量分解，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個千斤頂在盾構(gòu)平面上與X軸正向之間的夾角。對所有千斤頂在X軸、Y軸上的力矩求和，同時計算出當前盾構(gòu)機的總推力，最后得到千斤頂在盾構(gòu)機上的合力所處位置

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)掘進過程中操作人員通過設(shè)定油壓，使得伸出千斤頂長度發(fā)生變化，從而改變盾構(gòu)機姿態(tài)。操作人員對油壓進行操作時，會以某幾個千斤頂凈行程為基準，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)。

計算千斤頂凈行程矢量時，先要確定3個主要千斤頂，根據(jù)它們在盾構(gòu)機平面上的位置、各自凈行程值，組成3個向量構(gòu)成1個平面，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個千斤頂?shù)目臻g坐標分別為(X1、Y1、Z1)、(X2、Y2、Z2)、(X3、Y3、Z3)假設(shè)這個時候代表盾構(gòu)機的向量為X，Y，Z，則根據(jù)法向量定義：就可計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)機平面的位置。

對于整個盾構(gòu)機平面，可以選取互為對角的千斤頂作為基準（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)機當前、歷史的狀態(tài)，為操作者決策提供參考信息。盾構(gòu)機操作人員都比較關(guān)心油壓變化與盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整之間的關(guān)系，需要對相同區(qū)間段內(nèi)實際油壓與姿態(tài)偏差進行比較；為研究盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的靈敏度和精度，需要對人工設(shè)定油壓與實際壓力進行綜合分析；為研究盾尾間隙測量、記錄的準確性，需要對整個施工過程中間隙值進行連續(xù)性分析。

針對上述實際施工過程中的要求，對盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺進行總體設(shè)計，要求能方便地對施工數(shù)據(jù)進行調(diào)用、處理和分析。根據(jù)上面所述的設(shè)計思路與主要內(nèi)容，可將平臺分為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　實例應(yīng)用

盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺研制好后，于2014年10月對上海市虹梅南路工程施工數(shù)據(jù)進行試驗應(yīng)用，該工程當時推進到了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、代碼為標準代碼。

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)掘進過程中，都會摻雜一些人為操作上的隨意性與機械方面的誤差。例如：有的操作人員發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機水平方向有些偏左，那他有可能逐漸加大左區(qū)壓力，過一會兒隨著盾構(gòu)機緩慢推進，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迅速增大左區(qū)壓力，后觀測盾構(gòu)機姿態(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)整油壓時會因人而異，例如E區(qū)、F區(qū)千斤頂油壓會影響盾構(gòu)左半?yún)^(qū)推力，要增加盾構(gòu)左半?yún)^(qū)推力的話，有的人會選擇增大E區(qū)油壓，有的人會選擇增大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)機可在施工過程中向內(nèi)進行糾偏。從圖中可以看出，開始階段操作人員設(shè)定完油壓后，盾構(gòu)從0mm一直推進到300mm左右，平面姿態(tài)仍然沒有太大變化。合力曲線顯示操作人員在這時調(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)推進到1500mm左右時，他認為這個平面姿態(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)油壓在水平方向達到平衡，盾構(gòu)繼續(xù)保持姿態(tài)向前推進。

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，證實操作人員調(diào)整各區(qū)油壓來改變千斤頂凈行程，從而達到控制姿態(tài)目的。

高程方面上盾構(gòu)從0mm推進到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。在推進到1500mm時操作人員調(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)施工時候盾構(gòu)水平方向壓力的平衡點不是在正中間，而是稍微靠右的位置上，這與施工時的土質(zhì)、以及機械情況有關(guān)；高程方向上盾構(gòu)則是“低著頭”向前推進，造成下半?yún)^(qū)與上半?yún)^(qū)的壓力差值較大，高程壓力的平衡點離DTA較遠。

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)實際輸出油壓值。操作人員在開始階段設(shè)定了油壓，隨著盾構(gòu)機推進到一定程度，會根據(jù)實際工況進行微調(diào)，避免盾構(gòu)姿態(tài)糾正過量。

從圖5中可以看出，操作人員希望千斤頂輸出壓力與實際輸出壓力不盡相同，即人工設(shè)定油壓與實際輸出油壓存在差異。經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，這種差異是PLC工作電路將信號放大、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)機各個區(qū)間設(shè)定油壓與實際油壓比值都各不相同，需要通過一段時間施工才能摸索出來。

圖5　設(shè)定油壓與實際油壓之間比較

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)油壓來調(diào)控，D區(qū)油壓根本不受人工控制，無論操作人員設(shè)定什么值，該區(qū)實際輸出油壓一直都是120bar (12MPa)左右波動。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)油壓無法調(diào)節(jié)。

6.3盾尾間隙連續(xù)性分析

人工測量、記錄時將會有誤差，這給盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整帶來滯后性。為避免數(shù)據(jù)錯誤，要對測量盾尾間隙值進行校驗。圖6中顯示虹梅南路施工過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，遠遠小于理論盾尾間隙45mm，這與實際情況不符。經(jīng)過與測量人員討論、驗證后，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

本文以研究盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整為目的，設(shè)計和構(gòu)建盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析平臺。通過對實際工程數(shù)據(jù)分析表明，該平臺可以快速發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，從而方便地實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)變化情況分析，為實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)自動控制提供基礎(chǔ)。

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

【2】馬格雷伯,高會生.MATLAB原理與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002.

【3】陳垚光,王正林.精通MATLABGUI設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

【4】陳剛.盾構(gòu)施工信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的改進與實現(xiàn)[J].盾構(gòu)隧道科技, 2014（6）:42-45

【5】陳剛,楊宏燕,彭瑞.盾構(gòu)施工信息可視化分析軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2010（11）:115-117.

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

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