北京地鐵鉸接式土壓平衡盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)

1、北京地鐵鉸接式土壓平衡盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)盾構(gòu)概況北京地鐵 4 號(hào)線頤和園至圓明園之間的隧道施工,采用日本小松公司生產(chǎn)的鉸接式土壓平衡盾構(gòu)。 它將穿越砂礫復(fù)合地層,推進(jìn)距離約 1.5km。該盾構(gòu)主要參數(shù)有，直徑：6140mm長(zhǎng)度：8570mm;推進(jìn)速度:08.5cm/min;總推力：37730kN。較接式土壓平衡盾構(gòu)主要部件的功能和特點(diǎn)如下:(1)大刀盤是通過9 臺(tái)刀盤電機(jī)來驅(qū)動(dòng),再由5 臺(tái)變頻器控制刀盤電機(jī),實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速的選擇和切換。 刀盤速度設(shè)有五檔分別為0.5、 0.7、 1.1、2.2r/min 。(2)螺旋機(jī)由1 個(gè)液壓馬達(dá)來拖動(dòng),它可通過比例閥進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,螺旋機(jī)調(diào)速范圍為025r/min

2、 。(3)螺旋機(jī)有伸縮功能,維修時(shí)可將螺旋機(jī)軸縮回關(guān)閉前部二道螺旋機(jī)閘門 ,使螺旋機(jī)與泥土倉完全隔離。(4)推進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)泵帶動(dòng)分成四區(qū)的22 個(gè)推進(jìn)千斤頂,并通過一個(gè)比例閥對(duì)油壓進(jìn)行調(diào)整和控制來調(diào)節(jié)推進(jìn)速度。(5)鉸接系統(tǒng)由鉸接泵帶動(dòng)4 個(gè)鉸接千斤頂進(jìn)行上、下、左、右的轉(zhuǎn)動(dòng)與全伸、全縮等動(dòng)作,調(diào)整盾構(gòu)的推進(jìn)姿態(tài)。(6)拼裝回轉(zhuǎn)和螺旋機(jī)閘門合用1 臺(tái)液壓泵 ,分別在拼裝 /推進(jìn)狀態(tài)中使用。(7)皮帶機(jī)在運(yùn)行前，予報(bào)警5s才能正式運(yùn)轉(zhuǎn)。在皮帶機(jī)兩邊設(shè)有拉繩式 緊停鈕 ,可以緊急停止皮帶機(jī)。(8)盾尾油脂設(shè)前后二道密封,由 1 臺(tái)盾尾油脂密封泵每道各分6 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壓注。(9)有 2 臺(tái)集中潤滑油脂

3、泵(簡(jiǎn)稱油脂泵)分連續(xù)和間斷二個(gè)工作狀態(tài)分別注入油脂。(10)有 1 套稀油潤滑循環(huán)泵(簡(jiǎn)稱循環(huán)泵)進(jìn)行潤滑油的加注。(11)用 2 臺(tái)泥漿泵通過變頻器調(diào)節(jié)加泥流量。向土倉內(nèi)加泥漿。(12)由注漿泵和攪拌機(jī)組成的注漿系統(tǒng)可進(jìn)行單液漿壓注,有清洗管道功能。(13)有 1 套泡沫裝置可發(fā)生泡沫注入盾構(gòu)前方土體中。盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)盾構(gòu)控制系統(tǒng)盾構(gòu)控制系統(tǒng)主要由PLC可控制編程控制器和顯示操作終端機(jī)組成。PLC采用主從結(jié)構(gòu)，有1個(gè)主站和2個(gè)從站，另有一套注漿PLGPLC可編程控制器采用日本三菱公司制造的 Ans系列產(chǎn)品。該盾構(gòu)采用 的A2USHCPUS件是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的微型化 PLCCPU一。它采用

4、三菱順控處理器(MSP)使得其可以達(dá)到與許多大型、更昂貴的PLCf媲 美的速度和功能。PLC主站設(shè)在控制臺(tái)，主CPU型號(hào)為A2USHCPU-S帶3個(gè)顯示操作終端 機(jī),編號(hào)為GCt GC2 GC7。其中GC1、GC2分別操作盾構(gòu)設(shè)備，互為備 用。另一個(gè)GC7 操作加泥設(shè)備。1#從站設(shè)在盾構(gòu)內(nèi)，帶3個(gè)顯示操作終端機(jī)，編號(hào)為GC35其中GC3GC4操作盾構(gòu)千斤頂，GC5遠(yuǎn)程操作注漿。2#從站設(shè)在2#車架，帶1個(gè)顯 示操作終端機(jī)（俗稱觸摸屏）,編號(hào)為GC6操作注漿設(shè)備。主站同1#、 2#從站通過兩個(gè)并行的電纜環(huán)路連接（雙環(huán)網(wǎng)）。 系統(tǒng)采用了高速可靠的數(shù)據(jù)通信，即MELSECNET/數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，它采用

5、2個(gè)并行 的電纜環(huán)路連接各PLC站，其中一個(gè)稱之為正向環(huán)路（或主環(huán)路），另一個(gè) 稱之為反向環(huán)路（或副環(huán)路）。 當(dāng)主環(huán)路內(nèi)發(fā)生電纜斷裂,通信自動(dòng)切換到副環(huán)路,繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。如果 2個(gè)環(huán)路均斷裂或者均脫接,除斷裂的PLC連接的站之間仍保持繼續(xù)通信。注漿PLC獨(dú)立于PLC系統(tǒng)外，型號(hào)為:FX1N-40MRS過I/O 口同PLC主站 進(jìn)行信號(hào)的交換。PLC配置了開關(guān)量輸入/輸出組件、模擬量輸入/輸出組件、通信接口組 件和計(jì)算機(jī)通信組件。詳見表1PLCS己置表。姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)盾構(gòu)的姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)由盾構(gòu)和地面2 個(gè)部分組成。盾構(gòu)部分主要有全站儀、棱鏡、測(cè)量接口、控制單元、計(jì)算機(jī)（顯示器）等設(shè)備組成。地面部

6、分主要有計(jì)算機(jī)（顯示器）和集線器等設(shè)備組成,盾構(gòu)與地面部分通過一對(duì)兆比特調(diào)制解調(diào)器（SDSL行信號(hào)的聯(lián)接。見圖2。該系統(tǒng)通過高精度的測(cè)量?jī)x器和專用軟件來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的自動(dòng)測(cè)量,可以取得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息有:后視點(diǎn)、站的坐標(biāo)和登錄名稱 ;測(cè)量目標(biāo)的數(shù)據(jù);測(cè)量時(shí)的盾構(gòu)俯角和轉(zhuǎn)角;盾構(gòu)前、中、后的坐標(biāo)值,方位偏差等計(jì)算結(jié)果。在盾構(gòu)內(nèi)，全站儀測(cè)量得到的姿態(tài)信號(hào)和PLC獲取的盾構(gòu)施工信號(hào)在測(cè)量接口單元中集成在一起,在盾構(gòu)計(jì)算機(jī)顯示器上顯示,并送地面計(jì)算機(jī)。檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的需求,配置了基本的檢測(cè)儀器,檢測(cè)的模擬量信號(hào)有:土倉土壓力 ,推進(jìn)千斤頂油壓、行程、速度,四區(qū)油壓 ,螺旋機(jī)油壓、轉(zhuǎn)速,鉸接千斤

7、頂行程,刀盤變頻器輸出功率,刀盤密封溫度,螺旋機(jī)閘門開度 ,注漿壓力 ,注漿桶漿液位,泡沫壓力 ,加泥壓力 ,加泥流量 ,盾構(gòu)的坡度和轉(zhuǎn)角等。配置的傳感器（變送器）共有40 多套 ,見表 2。另外,對(duì)開關(guān)量信號(hào)的檢測(cè),配置了60 余個(gè)限位和 10 多個(gè)壓力繼電器。主要檢測(cè)拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)左/ 右限位狀態(tài),拼裝機(jī)電纜盤左/ 右限位狀態(tài),螺旋機(jī)的伸 / 縮狀態(tài),螺旋機(jī)閘門的開/ 關(guān)狀態(tài) ,氣閥、加泥閥、注漿閥、盾尾密封閥的開/ 閉狀態(tài),集中潤滑的油脂油位,盾尾油脂油位等,以及集中潤滑油脂泵和管道的壓力高/低 ,盾尾密封油壓高低,稀油潤滑堵塞等信號(hào)。盾構(gòu)的控制和操作盾構(gòu)的控制盾構(gòu)的主要控制有:土壓平衡控制

8、、順序控制和邏輯控制等。 土壓平衡控制是盾構(gòu)的主要控制 ,正面土體擾動(dòng), 使土倉土壓發(fā)生變化時(shí) ,它同設(shè)定值之間產(chǎn)生一個(gè)偏差值,通過自動(dòng)控制螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)泥土輸出量來減少偏差量,達(dá)到土倉土壓動(dòng)態(tài)平衡在設(shè)定值上。順序控制是在推進(jìn)狀態(tài)下,結(jié)合時(shí)序、邏輯等控制條件,使推進(jìn)設(shè)備按正常的工作順序進(jìn)行：冷卻泵運(yùn)行一潤滑泵運(yùn)行一刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一螺閘門開一皮帶機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一螺旋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一推進(jìn)千斤頂動(dòng)作。不按順序操作將不能使 盾構(gòu)正常工作。邏輯控制是盾構(gòu)對(duì)每個(gè)設(shè)備按特定的邏輯關(guān)系所制定的控制,如推進(jìn)時(shí) ,若發(fā)生刀盤扭矩過載或螺旋機(jī)反轉(zhuǎn),或推進(jìn)速度過速或土壓超過上限時(shí) ,按邏輯條件就將停止推進(jìn)千斤頂?shù)纳斐鰟?dòng)作。又如鉸接必須

9、在鉸接泵運(yùn)行正常、刀盤正常轉(zhuǎn)動(dòng)、鉸接角度在正常范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行上、下、左、右轉(zhuǎn)動(dòng)與全伸、全縮等控制 ,當(dāng)某個(gè)條件不存在時(shí),立即結(jié)束鉸接控制。 TOC o 1-5 h z 聯(lián)鎖條件是盾構(gòu)控制不可缺少的 ,盾構(gòu)中所有設(shè)備均涉及聯(lián)鎖條件,如當(dāng)電源反相、PLC通信故障時(shí)，各設(shè)備均不能工作。有些設(shè)備的動(dòng)作是互鎖的 ,如前閘門開關(guān)時(shí)不能進(jìn)行螺旋機(jī)的伸縮與螺旋機(jī)出土閘門或拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)的控制 ,反之相同。這些聯(lián)鎖條件在任何情況下均不能解除,而有些設(shè)備在非正常情況下 ,可以通過解除聯(lián)鎖來單獨(dú)控制某個(gè)設(shè)備,如解除刀盤聯(lián)鎖的方法使刀盤停止運(yùn)行,就可以單獨(dú)控制皮帶機(jī)或螺旋機(jī)的運(yùn)行了。2.4.2 盾構(gòu)的操作在操作臺(tái)通過按鈕、

10、旋鈕可以操作刀盤、螺旋機(jī)、皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止,刀盤速度的選擇,推進(jìn)千斤頂?shù)倪x擇和伸縮以及螺旋機(jī)閘門的開與關(guān)等。而大量的其它操作是在觸摸屏上進(jìn)行的?？刂婆_(tái)上有2 個(gè)觸摸屏分上下排列。 它有 : “運(yùn)轉(zhuǎn)顯示 ” 、 “檢測(cè)顯示 ”、 “泵啟動(dòng) ” 、 “推進(jìn) ”、 “輔助操作 ”、 “其它設(shè)定 ”、 “異常顯示 ”等畫面。平時(shí),上觸摸屏只可以操作一些顯示畫面,下觸摸屏只可以操作一些操作畫面。當(dāng)一臺(tái)觸摸屏故障時(shí),可以把故障一臺(tái)的畫面切換到正常的一臺(tái)上 , 即可操作所有的畫面?！?運(yùn)轉(zhuǎn)顯示 ”畫面 :主要顯示各設(shè)備的狀態(tài),如刀盤電機(jī)、 推進(jìn)泵、 螺旋機(jī)、皮帶機(jī)、盾尾油脂泵、拼裝平移泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);后閘門、前閘門、 人行閘門的開/ 閉狀態(tài) ,螺旋機(jī)千斤頂?shù)纳?/縮,推進(jìn)條件確認(rèn),異常狀態(tài)等等?！?檢測(cè)顯示 ”畫面 :主要顯示設(shè)備和施工數(shù)據(jù),如刀盤密封溫度、 盾構(gòu)姿態(tài)角度、鉸接角度、推進(jìn)行程、推力中心位置、四區(qū)推力、土壓力、后閘門開度、 刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩、 推進(jìn)速度和推力、 螺旋機(jī)速度和油壓、刀盤轉(zhuǎn)數(shù)累計(jì)等?！?泵啟動(dòng) ”畫面:主要操作推進(jìn)、螺旋機(jī)、拼裝以及其它泵的啟和停以及顯示運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)?！?推進(jìn) ”畫面 :主要操作推進(jìn)千斤頂?shù)倪x擇、 四區(qū)油壓加/