北京地鐵鉸接式土壓平衡盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的消化吸收

1、北京地鐵鉸接式土壓平衡盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的消化吸收                        摘要:概括介紹了日本小松公司生產(chǎn)的鉸接式土壓平衡盾構(gòu)的功能和特點(diǎn),以及測(cè)控系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)思想,剖析了盾構(gòu)的控制和操作方法,總結(jié)了測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn),對(duì)國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了建議。關(guān)鍵詞:地鐵;鉸接式土壓平衡盾構(gòu);盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng);消化和吸收 1盾構(gòu)概況

2、60;     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。鉸接式土壓平衡盾構(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、1.6、2.2r/min。(2)螺旋機(jī)由1個(gè)液壓馬達(dá)來拖

3、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。      (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(cāng)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

4、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(rùn)滑油脂泵(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(rùn)滑循環(huán)泵(簡(jiǎn)稱循環(huán)泵)進(jìn)行潤(rùn)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(cāng)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。2盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)2.1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

5、2個(gè)從站,另有一套注漿PLC。見圖1      PLC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A2USHCPU組件是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的微型化PLCCPU之一。它采用三菱順控處理器(MSP),使得其可以達(dá)到與許多大型、更昂貴的PLC相媲美的速度和功能。      PLC主站設(shè)在控制臺(tái),主CPU型號(hào)為A2USHCPU-S1,帶3個(gè)顯示操作終端機(jī),編號(hào)為GC1、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。  

6、0;   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GC3、GC4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

7、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-40MR,通過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1PLC配置表。2.2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。地面部分

8、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)進(jìn)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)。  

9、60;                          2.3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(cāng)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

10、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(rùn)滑的油脂油位,盾尾油脂油位等,以及集中潤(rùn)滑油脂泵和管道的壓力高/低,盾尾密封油壓高低,稀油潤(rùn)滑堵塞等信號(hào)。2.4盾構(gòu)的控制和操作2.4.1盾構(gòu)的控制     

11、盾構(gòu)的主要控制有:土壓平衡控制、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(cāng)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(cāng)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)行潤(rùn)滑泵運(yùn)行刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)螺閘門開皮帶機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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。    &#

12、160; 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。      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。

13、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、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。      控制臺(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

14、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、

15、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/減、千斤頂同步設(shè)定、推進(jìn)速度切換等,顯示推力中心位置、四區(qū)推力、總推力、千斤頂行程、推進(jìn)速度等,另有操作引導(dǎo)指示。      “輔助操作”畫面:主要操作鉸接系統(tǒng)和盾尾油脂系統(tǒng)的設(shè)備,并顯示這些設(shè)備的運(yùn)

16、行狀態(tài)。      “其它設(shè)定”畫面:由多幅分畫面組成,可對(duì)系統(tǒng)和土壓的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在控制室還有2個(gè)觸摸屏,一臺(tái)操作加泥設(shè)備,另一臺(tái)操作注漿設(shè)備。3盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)      鉸接式土壓平衡盾構(gòu)配置設(shè)備基本齊全,測(cè)控系統(tǒng)組成完整,功能齊全。      控制系統(tǒng)以三菱公司的小型化模塊式可編程控制器為主,集小尺寸、高精度、高性能于一體,適合于隧道施工應(yīng)用。      PLC之間的通信采用MELSE

17、CNET/方式,它是一種高速可靠的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。采用2個(gè)并行的電纜環(huán)路連接各PLC站。當(dāng)一環(huán)路電纜斷裂時(shí)可自動(dòng)切換到另一個(gè)環(huán)路,繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。      控制系統(tǒng)中采用計(jì)算機(jī)通信組件技術(shù),使得系統(tǒng)能掛上多個(gè)顯示操作終端機(jī),極大地方便了盾構(gòu)司機(jī)的監(jiān)視和操作。      盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng),由日本的專業(yè)公司(演算工房)開發(fā),專業(yè)功能性強(qiáng)。      地面和盾構(gòu)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)采用兆比特調(diào)制解調(diào)器(SDSL)技術(shù),使得電纜鋪設(shè)方便,

18、能可靠進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。      系統(tǒng)具有報(bào)警查詢功能,除及時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容外,還可以進(jìn)行查詢。      刀盤由8臺(tái)75kW電機(jī)和1臺(tái)110kW電機(jī)拖動(dòng),采用5臺(tái)變頻器分檔速度調(diào)節(jié),可以避免無級(jí)調(diào)速時(shí)的主從同步控制難點(diǎn)。      臺(tái)車上的盾構(gòu)設(shè)備信號(hào)通過電纜接入PLC主站,采用多芯(19芯)接插件(共有40多個(gè)),方便現(xiàn)場(chǎng)的接線工作。      盾構(gòu)采用以順序邏輯控制為主的控制方式,為能不按順序單獨(dú)控制某個(gè)主要設(shè)備,在控制臺(tái)設(shè)置了多個(gè)聯(lián)鎖解除鈕,可方便解除一些聯(lián)鎖條件,單獨(dú)操作某個(gè)設(shè)備。4盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的改進(jìn)意見      測(cè)控系統(tǒng)中缺少一些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信號(hào),不能在控制臺(tái)的觸摸屏上觀察設(shè)備是否運(yùn)行。如:各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)確認(rèn)信號(hào)。      臺(tái)車上應(yīng)增加一個(gè)從站,使得臺(tái)車上的盾構(gòu)設(shè)備信號(hào)直接就近進(jìn)入PLC從站,以減少電纜接線的故障。如2#臺(tái)