基于Mat lab的盾构施工数据分析平台

陈刚（上海隧道工程有限公司盾构分公司，上海 200092）

基于Mat lab的盾构施工数据分析平台

陈刚
（上海隧道工程有限公司盾构分公司，上海 200092）

设计并建立了一个基于Mat lab的盾构施工数据分析平台，主要包括盾构姿态调整分析模块、千斤顶油压分析模块和管片间隙趋势模块。在该平台上可以获得盾构油压合力、千斤顶最优净行程，完成从油压变化到盾构姿态调整的对比分析。通过对上海虹梅南路工程施工数据研究表明，该平台能够方便地实现对盾构姿态变化情况分析，发现施工中存在的问题。

Matlab；盾构施工数据；平台设计

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

1　引言

盾构姿态调整质量对周围环境影响很大，较好姿态，地表沉降或隆起就会较小；反之会引起较大地表变形，危及地面建筑安全。控制盾构姿态需要知道当前姿态偏差、DTA线形、盾尾间隙等信息，依据操作者个人经验设定推进千斤顶压力值，受到个人能力、身体情况、情绪等因素影响，姿态控制质量很难保证[1]。因此，需要开发一个平台，用于分析不同工况条件下设定千斤顶推进压力，以及千斤顶净行程对盾构姿态的影响。

本文研究并开发盾构施工数据分析平台，目的在于分析盾构姿态调整过程，并对千斤顶推进压力、盾尾间隙测量数据进行研究，为相关技术人员提供数据资料，提高施工质量。这里介绍了平台开发工具MatlabGUI，构建施工数据库、功能原理和具体模块。通过工程数据应用表明，该平台能够方便地实现对盾构姿态变化情况分析，发现施工中存在的问题。

2　Mat lab简介

Matlab是一套功能非常强大的工程计算及数学分析可视化软件。1984年，Mathwork公司将Matlab推向市场，20世纪90年代又逐步拓展起数值计算、符号解析运算、文字处理、图形显示等功能，至今Matlab已经成为线性代数、自动控制理论、概率论及数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等方面重要的数学计算工具。它具有程序可读性强、程序简单等特点，尤其是在编写含矩阵运算的复杂程序时，能给用户提供极大方便[2]。

MatlabGUI是一种新型的图形用户界面开发方式，与其他GUI设计语言（如VC、Java、VB等)相比，除了与这些编程语言一样，能够方便地实现友好界面的设计外，Matlab还是一款功能强大的仿真软件，在数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示等方面均具有明显的优势[3]。运用Matlab强大的运算和数据可视化功能，可使得设计出的GUI程序能准确、快速绘制出所需要结果，使得设计与分析更为简便、直观。

3　历史数据库的建立

3.1施工数据

盾构施工方使用过程逻辑控制器（PLC），采集相应盾构设备状态信息——推进千斤顶状态。德国海瑞克14.93m盾构推进千斤顶总条数为19个，分为A、B、C、D、E、F共6个区，A区由18号、19号、1号千斤顶组成，B区由2号、3号、4号千斤顶组成，C区由5号、6号、7号千斤顶组成，D区由8号、9号、10号、11号千斤顶组成，E区由12号、13号、14号千斤顶组成，F区由15号、16号、17号千斤顶组成，如图1所示。同一区内千斤顶动作一致，每个区间各布置一个逻辑控制器，采集油缸伸长量和油压。

要对盾构施工过程进行分析，不仅要采集千斤顶状态，还需要记录与其对应的盾构机姿态。施工数据采用链表结构的文本形式存储[4]，需要使用专门软件将这些数据以及环号、时间、里程、净行程等信息，按照excel表格形式转换出来[5]，建立盾构历史施工数据库。该数据库内文件以环号为名称，以表中各区千斤顶油压值为主要研究对象，为分析盾构姿态与油压之间的关系提供数据基础。

图1　各区千斤顶编组

有时盾构停止进行衬砌也会记录数据，这种情况下各区千斤顶压力小于1bar（0.1MPa），如图2所示；PLC有时会出现采集到油压值过大的情况，甚至记录的油压数值大于1000bar（100MPa）；开始和结束施工阶段，盾构姿态自动导向系统采集到的姿态数据可能会出现异常情况。必须对历史施工数据进行初步整理，消除采集信息中的错误数据和无用数据，确保数据的完整性和有效性。

图2　盾构停止时记录的数据

3.2盾尾间隙

DTA线路曲率发生变化、推进油缸伸长长度不一致，将会导致盾尾内壁与管片外径之间空间发生变化，这个空间就是盾尾间隙。当盾尾间隙变化量超过设计允许变化范围时，就会使盾尾与管片发生挤压，致使盾尾密封刷被过快磨损而导致盾尾密封系统受到破坏，同时造成盾构机掘进轴线发生更大程度偏离，给施工带来不便。施工过程中要对盾尾间隙进行连续测量，以便及时调整盾构机姿态，保证施工顺利进行。

盾尾间隙目前采用人工测量方式，每天由推进班组进行测量、记录，结果汇总到一个excel表格中。考虑到文件中盾尾间隙值每环都是固定值，可以把它们做成单独一个文件，每个文件的第一列为“环号”，各个位置测到的盾尾间隙值作为其他列。

3.3DTA线形

DTA分为平面线形与高程线形，平面线形是指DTA在水平面上的投影形状，高程线形是指DTA在纵剖面上的起伏形状。线形要素是指构成平面线形及高程线形的几何特征值，平面线形的线形要素有直线和平曲线，平曲线是指在平面线形中路线转向处曲线的总称，包括两种基本线形：圆弧曲线、缓和曲线；高程线形的线形要素有直线和竖曲线，竖曲线是指在线路纵坡的变坡处设置的竖向曲线，一般采用圆弧曲线。

4　平台功能原理

盾构姿态变化与千斤顶所产生合力位置有关，可以根据力矩分解原理计算各区千斤顶其合力的位置。盾构姿态通过各个千斤顶之间的净行程差来控制，施工人员调整油压时会采用某几个区间千斤顶伸长量为主、其他区间为辅的方式，可将千斤顶净行程做为空间矢量，采用矢量平面方法计算出最优净行程。

4.1合力位置计算

将盾构机视作一个刚体，每个千斤顶都是面向盾构正前方施加力，可将它们看做与整个千斤顶平面成垂直关系的空间矢量。盾构千斤顶合力先根据千斤顶所在位置以及各区油压，与盾构机中心距离都是内径R，每个千斤顶在盾构上产生力矩为M=F×R，其中F=P×π×D2/4，P为千斤顶油压，D为千斤顶缸径。将任意千斤顶所产生的推力Fi在盾构机平面上进行矢量分解，分别投影到X轴和Y轴上方，得到X轴上的分力矩为Mxi=Mi×cosθi，Y轴上的分力矩为Myi=Mi×sinθi，其中θ为第i个千斤顶在盾构平面上与X轴正向之间的夹角。对所有千斤顶在X轴、Y轴上的力矩求和，同时计算出当前盾构机的总推力，最后得到千斤顶在盾构机上的合力所处位置

4.2净行程矢量

千斤顶净行程矢量空间如图3所示。

图3　千斤顶净行程矢量空间

盾构掘进过程中操作人员通过设定油压，使得伸出千斤顶长度发生变化，从而改变盾构机姿态。操作人员对油压进行操作时，会以某几个千斤顶净行程为基准，判断其他千斤顶净行程是否合适，以此为依据操作盾构。

计算千斤顶净行程矢量时，先要确定3个主要千斤顶，根据它们在盾构机平面上的位置、各自净行程值，组成3个向量构成1个平面，其余千斤顶净行程值就是千斤顶向量与该平面相交得到。用户选择3个千斤顶的空间坐标分别为(X1、Y1、Z1)、(X2、Y2、Z2)、(X3、Y3、Z3)假设这个时候代表盾构机的向量为X，Y，Z，则根据法向量定义：就可计算出其他任意千斤顶的最优净行程矢量，其中X和Y为该千斤顶在盾构机平面的位置。

对于整个盾构机平面，可以选取互为对角的千斤顶作为基准（例如，A、C、E为一组，B、D、F为一组），求其法向量均值作为最优净行程矢量平面，得到所有千斤顶最优净行程。

5　具体模块

该平台读取盾构姿态、千斤顶油压等数据，将数据转化为更为直观的曲线，显示出盾构机当前、历史的状态，为操作者决策提供参考信息。盾构机操作人员都比较关心油压变化与盾构姿态调整之间的关系，需要对相同区间段内实际油压与姿态偏差进行比较；为研究盾构液压系统的灵敏度和精度，需要对人工设定油压与实际压力进行综合分析；为研究盾尾间隙测量、记录的准确性，需要对整个施工过程中间隙值进行连续性分析。

针对上述实际施工过程中的要求，对盾构施工数据分析平台进行总体设计，要求能方便地对施工数据进行调用、处理和分析。根据上面所述的设计思路与主要内容，可将平台分为3大部分：盾构姿态调整分析部分、液压系统分析部分、盾尾间隙分析部分。

6　实例应用

盾构施工数据分析平台研制好后，于2014年10月对上海市虹梅南路工程施工数据进行试验应用，该工程当时推进到了1300环左右。各区千斤顶净行程和油压具体的地址如表1所示，其中地址为PLC地址、代码为标准代码。

表1　各分区的油压和行程代码和地址

6.1姿态调整分析

盾构每环掘进过程中，都会掺杂一些人为操作上的随意性与机械方面的误差。例如：有的操作人员发现盾构机水平方向有些偏左，那他有可能逐渐加大左区压力，过一会儿随着盾构机缓慢推进，姿态逐渐恢复正常停止增加左区压力；有的操作人员可能会迅速增大左区压力，后观测盾构机姿态变化情况，如果盾构姿态调整的合适，就减小左区压力；不合适则继续保持压力。另外,操作人员在调整油压时会因人而异，例如E区、F区千斤顶油压会影响盾构左半区推力，要增加盾构左半区推力的话，有的人会选择增大E区油压，有的人会选择增大F区油压。

图4显示的是155环姿态变化情况，该环DTA平面线形为右曲线，切口、盾尾在DTA外侧，盾构机可在施工过程中向内进行纠偏。从图中可以看出，开始阶段操作人员设定完油压后，盾构从0mm一直推进到300mm左右，平面姿态仍然没有太大变化。合力曲线显示操作人员在这时调整油压，增大了右半区压力，希望盾构平面姿态向里调整。盾构推进到1500mm左右时，他认为这个平面姿态较为合适，可以不需要再纠偏，就增大左半区油压，使得左、右半区油压在水平方向达到平衡，盾构继续保持姿态向前推进。

图4　盾构姿态调整分析

同样，从0mm到300mm之间各区净行程与最优行程相差不大，盾构机平面姿态保存平衡。在这之后左边E、F区净行程逐渐小于最优净行程，右边B、C区净行程大于最优值，这与平面姿态变化情况类似，证实操作人员调整各区油压来改变千斤顶净行程，从而达到控制姿态目的。

高程方面上盾构从0mm推进到1 400mm左右，下半区油压大于平衡条件切口高程偏差逐渐减小。在推进到1500mm时操作人员调大了上半区油压，使得切口高程偏差从此处到最后逐渐增大。从图中油压合力曲线所处位置也可以看出，该环施工时候盾构水平方向压力的平衡点不是在正中间，而是稍微靠右的位置上，这与施工时的土质、以及机械情况有关；高程方向上盾构则是“低着头”向前推进，造成下半区与上半区的压力差值较大，高程压力的平衡点离DTA较远。

6.2液压系统分析

图5是将第86环内各区油压做为自变量进行显示，绿色曲线为操作人员的设定油压值，红色曲线为该区实际输出油压值。操作人员在开始阶段设定了油压，随着盾构机推进到一定程度，会根据实际工况进行微调，避免盾构姿态纠正过量。

从图5中可以看出，操作人员希望千斤顶输出压力与实际输出压力不尽相同，即人工设定油压与实际输出油压存在差异。经过研究后发现，这种差异是PLC工作电路将信号放大、缩小造成的，且存在系数关系，各区人工设定油压与实际油压比值分别为：A区1:1.19 44、B区1:1.4408、C区1:0.9386、E区1:0.8080、F区1:1.3339。与操作人员沟通后他们表示，不同盾构机各个区间设定油压与实际油压比值都各不相同，需要通过一段时间施工才能摸索出来。

图5　设定油压与实际油压之间比较

虹梅南路工程使用的海瑞克盾构，其下半区压力主要是靠C区和E区油压来调控，D区油压根本不受人工控制，无论操作人员设定什么值，该区实际输出油压一直都是120bar (12MPa)左右波动。经检查后发现该区间油缸回路存在漏油，造成了该区油压无法调节。

6.3盾尾间隙连续性分析

人工测量、记录时将会有误差，这给盾构姿态调整带来滞后性。为避免数据错误，要对测量盾尾间隙值进行校验。图6中显示虹梅南路施工过程中右上方所有盾尾间隙值，从图中可以看出，在728环、1394环值较小，查盾尾间隙数值表得知这两处值分别为3mm和5mm，远远小于理论盾尾间隙45mm，这与实际情况不符。经过与测量人员讨论、验证后，将这两处值修正为37mm和55mm。

图6　施工右上方盾尾间隙值

7　结语

本文以研究盾构姿态调整为目的，设计和构建盾构施工数据分析平台。通过对实际工程数据分析表明，该平台可以快速发现施工中存在的问题，从而方便地实现对盾构姿态变化情况分析，为实现盾构姿态自动控制提供基础。

【1】李惠平,夏明耀.盾构姿态自动控制技术的应用与发展[J].地下空间, 2003（3）:75-78.

【2】马格雷伯,高会生.MATLAB原理与工程应用[M].北京：电子工业出版社,2002.

【3】陈垚光,王正林.精通MATLABGUI设计[M].北京：电子工业出版社,2008.

【4】陈刚.盾构施工信息数据库系统的改进与实现[J].盾构隧道科技, 2014（6）:42-45

【5】陈刚,杨宏燕,彭瑞.盾构施工信息可视化分析软件的设计与实现[J].工程建设与设计,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

上海市科委资助项目（16111107600）；上海市人才发展资金资助项目（201406）

陈刚（1981～），男，江西赣县人，工程师，从事数据分析、软件工程、盾构智能控制研究。

2016-06-12