盾构施工长距离斜井数字化远程监控系统.pdf

第 4 2卷 第 6期 2 0 1 6 年 6月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o mat i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 6 J u n ．2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 I 一2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 8 0 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 2 0 牛云鹏． 盾构施工长距离斜井数字化远程监控系统[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 8 0 8 2 ． 盾构施工长距离斜井数字化远程监控系统 牛 云鹏 神 华新 街 能源 有 限责任 公 司 ，内蒙古 鄂 尔 多斯O 1 7 2 0 0 摘 要 以新 街 台格庙 矿 区长距 离斜 井 工程 为背景 ， 从 设 计原 则 、 功 能设 计 及现 场 实施 方 案等 方 面介 绍 了 盾 构施 工 长距 离斜 井数 字化远 程监 控 系统 的构 建 。该 系统 可 实现 对盾 构 设备 运 行 状 态和参 数 、 盾 构 施 工过 程 、 深部斜 井复杂 场体 形 态、 拼 装 式 管片结 构 力学形 态等 的远 程监控 。 关键 词 长距 离斜 井 ；盾 构 施工 ；远 程监 控 中图分类 号 TD 6 7 文 献标 志码 B 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 6 一 O l 1 0 3 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 3 4 ． 0 1 9 ． h t ml Di g i t a l r e mo t e mo ni t o r i n g s y s t e m f o r l o ng i nc l i ne d s h a f t c o n s t r u c t e d b y s h i e l d me t h o d N1 U Yunp e n g S h e n h u a Xi n j i e En e r g y Co ． ，Lt d ． ，Or d o s 0 1 7 2 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t A di gi t a l r e m o t e mon i t o r i ng s ys t e m f o r l on g i nc l i ne d s h a f t c o ns t r u c t e d by s hi e l d me t ho d wa s i nt r o du c e d f r o m a s pe c t s o f d e s i gn pr i n c i p l e ，f un c t i on a nd f i e l d a p pl i c a t i on s c he me t a ki ng l o ng i nc l i ne d s ha f t p r o j e c t o f Xi n j i e Ta i g e mi a o c o a l mi n e a s a n e x a mp l e ．Th e s y s t e m c a n r e a l i z e r e mo t e mo n i t o r i n g o f r u n n i n g s t a t e a n d p a r a me t e r o f s h i e l d d e v i c e s ， s h i e l d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，c o mp l e x f i e l d mo r p h o l o g y o f d e e p i n c l i n e d s ha f t ，me c ha ni c a l f o r m o f a s s e mbl i n g t y pe pi p e s t r u c t u r e，e t c． Ke y wo r ds l o ng i n c l i n e d s ha f t ；s h i e l d c on s t r u c t i on；r e mo t e m o ni t or i n g 0 引 言 新 街 台格庙 矿 区位于 内蒙 古 自治 区鄂尔 多斯 市 境内， 矿 区井 田面积约 7 3 8 k m ， 已探明煤炭资源储 量约 1 4 2亿 t ， 是神东矿区周边 尚未开发的大型整装 煤 田 ] 。该矿 区煤层 赋 存 较 深 ， 可 采 煤 层 最 浅 埋 深 为 6 5 0 m， 采用斜井运输方 式。传统的斜井建设 技 术制 约 了矿井 安全 与快速 建设 ， 需 要 寻求更 安全 、 高 效 的建井 技术 。盾 构是 集机 械 、 电气 、 液压 、 测量 、 控 制 等多 学 科 技术 于一 体 ] ， 专 用 于 地下 隧 道 开挖 的 技术 密集 型 重 大 工 程 装 备 。与 传 统 的 施 工 方 法 相 比， 盾构法具有施工安全、 快速 、 工程质量高、 地面扰 动小 、 劳动强度低等优点 ， 能够保障施工安全 ， 并显 著 缩短 斜井 施工 工 期 。因此 ， 新街 台格 庙 矿 区采 用 盾构法 施工 长距 离斜 井 ， 斜 井 长约 6 5 5 0 m， 坡 度 为 6 。 。本 文 主要研 究盾 构施 工煤 矿 长距 离 斜 井 数字 化 远程 监 控技术 ， 主要 包 括 对 盾 构设 备 运 行 状 态 和 参 数 、 盾构施工过程、 深部斜井 复杂场体形态 、 拼装式 管片结构力学形态等的远程监控 ， 并形成一套 以盾 构 一 场体 一 结 构 综合 监 测 体 系为 代 表 的盾 构 施 工 煤 矿 长距 离斜 井数 字化 远程 监控 系统 。 1系统 设计原 则 盾构施工煤矿长距离斜井数字化远程监控系统 以及时、 全面、 准确地 掌握盾构工作 面前方实 时情 况、 盾构施工参数 、 设备运转情况及综合处理地面、 地 下信 息为 目的 ， 达 到统 一 监 控 、 集 中管 理 的 功 能 ， 具有可靠性 、 开放性、 先进性 、 可扩展性等特点。系 统 设计 应遵 守 以下原 则 1 系统 通 常 工 作 于 较 恶 劣 环 境 中 ， 各 种 干扰 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 2 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 5 0 3； 责任编辑 李 明。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 3 B AB 1 0 B 0 0 。 作者 简介 牛云鹏 1 9 7 3 ， 男 ， 内蒙古鄂尔多斯人 ， 高N．T ． NN ， 硕 士， 主要从 事煤矿机 电技术 与设备 、 科 技创新 、 信 息化建设 、 节能 等管理 _ T ‘ 作 ， E ma i l n i u y u n p e n g s i n a ． c o rn。 2 0 1 6年 第 6期 牛云 鹏 盾 构施 工 长距 离斜 井数 字化远 程监 控 系统 8 1 会对 系 统正 常工 作 产 生影 响 ， 因 此将 系统 可 靠 性 放 在第一位 ， 以保证施工安全 、 可靠和稳定进行 。采用 高 质量 的 电源 、 线 缆 ， 以及 各 种 抗 干 扰 措 施 、 多 种 冗 余工作方式等 ， 以确保整个 系统的高可靠性 。 2 系统设 计 时应 做 到 以 人 为 本 ， 人 机 界 面 友 好 ， 方 便 操 作 、 运行 ， 易 于维 护 。系统 硬 件尽 可能 按 模块 化 设计 ， 系统 软 件开 发应 方便 调整 ， 在施 工 过程 中确保 硬 、 软件运 行顺 畅[ 3 ] 。 3 系统 网络 应 分 层 次 、 分 功 能 、 分 系 统 ， 完 成 统 一监 控 、 操作 、 通信 、 维 护等 ， 构成 一个 多 系统 的集 成 ， 具体 包 括数 据采 集 、 传 输 网络 、 数据 发布 、 数 据维 护 等子 系统 。各 子 系 统 与 主 系 统 间功 能 明确 ， 且 保 持 相对 独立 。各 子 系统 均有 自诊 断功 能 ， 以及 时 、 准 确 地发 现 异常 和故 障 ， 并 迅速 报警 。 4 系统 须 具 有 良好 的 开 放 性 ， 应 尽 可 能采 用 通 用 软件 和硬件 。 5 系统 能够 对盾 构机 上相 关 设 备 实施 远 程监 控 ， 可 直接 显示 施 工状态 数据 ， 实 现信 息化 施工 。 6 系统 可实 现盾 构施 工 现场 与 指挥 中心 等相 关部门的远程通信 ， 正确、 及时、 有效地传输 盾构施 工现场的相关施工信息 ， 创建相应的管理系统 ， 并将 施工数据发布到网络上 ， 做到施工信息共享， 提高施 工效 率 。 为盾构 施工 参数 ， 包 括 监 测 点 布 置 、 电源状 态 、 刀 盘 掘进参数、 螺旋出土器／ 带式输送机参数、 推进油缸参 数 、 材料消耗参数、 盾构姿态参数、 施工现场视频及施 工进度等 ] ， 通过组 态软件将 这些数据 从盾 构机监 控 P L C上采集 。围岩 结 构参 数 主要 包 括 传 感 器 布置 、 水土压力及管片 内力 ， 通过 自动采集 仪实 时采集 。 盾构后 配套 设备 状 态 主要 指 带 式 输 送 机 、 管 片 运 输 胶轮 车 的监 控 、 井下 通信及 人 员／ 车 辆定 位信 息 。施 工环境参数指不 良气体浓度和地下水位数据 。 2 数据 输入 与存储 。主要 是 将盾 构 机 自带 传 感器测 量 的数据 、 前 方 探 测 雷 达 探 测 的数 据 及 预设 传感器采集数据输入盾构监控室实时数据库 中并保 存下来 。 3 数据 实 时传输 。将 盾构 机 及 围岩 采集 数 据 通过网络发送给监控室实时数据库 。 4 数据远程传输 。将现场监控室数据通过公 用信 息 网络发送 到 监 控 中心数 据库 服 务 器 上 ， 数 据 库服 务器 将现 场数 据汇 总后 进行存 储 和分析 。 5 数 据 报 表 生 成 。系 统 提 供 相 应 的报 表 模 板 ， 用 户 在 电 脑 浏 览 时 ， 可 生 成 和 打 印 Wo r d或 E x c e l 格式的报表 ， 满足办公需求 。 6 数据网上发布。利用 We b的形式将数据 传送到网上 ， 实现移动办公。 2 系统 功能 3场体 一 结构 数据 监测 现场 实施 方案 盾构 施工 煤矿 长距 离斜 井数 字化 远 程监控 系统 功能 主要 包括 盾构 实 时数据 采集 、 数 据输 入与 存储 、 数据实时传输 、 数据远程传输、 数据报表生成和数据 网上 发 布 。 1 盾构实时数据、 围岩结构参数、 盾构后配套 设备 状态 和施 工环 境 数据采 集 。盾 构实 时数 据 主要 3 ． 1 总 体 布 置 方 案 根据 施工 要求 ， 6 5 5 0 r n斜 井 共 有 1 O个 测试 断 面 ， 断面整体按照斜井里程均匀布置 ， 即问隔 6 0 0 m 布 置 1 个 ， 在 特殊 复 杂 地 质条 件 或 结 构 受力 复杂 区 段 ， 可根 据情 况适 当微 调 测 试 断 面 位 置 。斜 井测 试 断面布 置情 况如 图 1 所 示 。 控制室 ． 一 起 始段 图 1 现场监测断 面布置 每个 现 场测 试 断 面 上 布设 有 土 压 力 计 、 孔 隙水 3 ． 2 传感 器型 号及 数量 压力计 、 混凝土应变计 、 钢筋计和温度传感器等 引， 每个测试断面布置的传感器见表 1 。围岩压力 如 图 2 所 示 。 测 试 仪 采 用 振 弦 式 土压 力 计 ， 量程 为 3 0 MP a ； 孔 隙 8 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 E 应变计 钢筋计 温度传感器 光纤通信尾纤 8‘ 图 2现场测试测点布置示意 水 压 测 试 仪 采 用 振 弦 式 孔 隙 水 压 力 计 ， 量 程 为 3 ． 5 监 控 画 面查看 1 0 MP a ； 管片的内力测试仪采用振弦式混凝土应 变 神华新街能源公司和神华集 团总部各 自布设服 计 ， 量程为 4 0 MP a ； 围岩温度测试仪采用差阻式温 务器和工作站 ， 其他地点运行系统监控软件 ， 通过工 度传感器， 量程为一5 o ～3 5 0℃。 作站软件查 看监控 画面 。数 据采用 I n t e r n e t 进 行 表 1 各测试断面元器件布设 接 人 。 对传感 器 的要求 所 有传 感器 内置 智能 芯 片 ， 具 有智能记忆功能 ； 每个传 感器的线缆长度为 l O m； 每种 传感 器需 要一 定 的 富 余 量 ， 防 止 传 感器 因各 种 原 因损坏 导致 无法 测试 。 3 ． 3传 感 器埋设 工 艺 将传 感 器 运 往 场地 前 ， 对 传 感器 逐 个 检 验 和编 号 ， 记 录 自编 号与 出场 编号 的对 照表 ， 并通 过 出场编 号找 出标 定参 数表 ， 用 于后期 处 理数 据时 查询 。 土 压力计 、 孔 隙水 压力计 、 钢 筋计 和混 凝 土应变 计 在现 场浇 注管 片混凝 土前 预先 固定 在钢 筋上 。传 感器 位 置 固定 后 ， 测 试 专 用 电缆 全 部 导 入 专 用走 线 孔 ， 处 理 完 相 应 防 水 后 进 行 盾 构 隧 道 管 片 混 凝 土 浇 注 。 3 ． 4测试 数据 采 集与传 输 斜 井 盾 构施 工与 状态 参 数 、 结 构 安 全 与健 康 状 态监 测参 数通 过光纤 进 行远距 离传 输 。盾 构施 工与 状态参数通过系统传感器采集， 结构安 全与健康状 态监测参数等 由数据采集仪进行数据采集。数据采 集仪 留有数据接 口， 可与光纤数据协议 转换器进行 数据交换 ， 之后进行光纤远程传输 。 从 2个斜井井口到施工单位的传输光缆分别布 设 。视 频服 务器 、 工作 站 、 监视 器 和其他 相关 监控 软 硬 件均 布置 在 中控室 ／ 监 控 中心 。 4 结语 以 国内煤炭 行业 首条 盾构 法施 工斜 井 神华 新 街 台格庙 矿 区长 距 离 斜 井 工程 为背 景 ， 介 绍 了盾 构施 工煤 矿 长 距 离 斜 井 数 字 化 远 程 监 控 系 统 的构 建 。2 0 1 4年 6 月 ， 随着神华新街台格庙矿 区 2条斜 井 的 盾构及 后 配套 设 备 安 装 到 位 ， 盾 构 施 工煤 矿 长 距离斜井数字化远程监控系统建成并投运 。在地面 监控 室 内 ， 可对 设备 状 态和 环境 参数 进行 监控 ， 同时 可根据需要在神华新街能源公司、 神华集团等进行 远程 监控 。在 以后 的盾 构 斜 井 掘 进施 工 中 ， 该 系 统 将在 减人 提效 、 安 全保 障 、 设 备维 护 等方 面发 挥应 有 作用 。 参考文献 E l i 谢松岩 ． 新街 台格庙 矿区总 体规 划设 计主要 特色 成果 研 究F j ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 4 ， 4 6 1 9 1 1 ． [ 2 ] 沈立新 ． 盾构机 实时 远程监 控 系统技 术 [ J ] ． 铁道 建 筑 技 术 ， 2 0 1 0 8 3 4 3 8 ． [ 3 ] 韩建国 ， 杨汉宏 ， 王继生 ， 等． 神华集 团数字矿 山建设研 究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 3 1 卜1 4 ． f 4 ] 管会生 ， 张璃 ， 杨延栋 ． 新 街 台格庙 矿 区斜井 隧道 双模 式盾构关 键 掘 进 参 数 配置 研 究 [ J ] ． 隧 道 建 设 ， 2 0 1 5 4 3 7 7 - 3 8 1 ． E 5 ] 何春 ， 张栲 ， 周诚 ． 地铁 盾构 隧道 管片结 构应 力可 视化 监测技术 [ J ] ． 铁 道工程学报 ， 2 0 1 4 ， 3 1 1 1 1 0 4 1 1 0 ．