盾构施工水平运输中电瓶车组安全行驶自动控制系统的制作方法

本发明涉及盾构施工领域，特别涉及一种盾构施工水平运输中电瓶车组安全行驶自动控制系统。

背景技术

随着城市轨道交通、综合管廊、引水工程等地下工程建设的快速发展，盾构施工作为安全性高、质量优、速度快的选择，越来越普遍的应用于地下工程领域。同步，对配套盾构机施工的水平运输(主要由电瓶车组)承担的安全管理要求越来越高和精细，这也是行业发展的趋势。

目前盾构施工水平运输中电瓶车组包括含驾驶室的电瓶车机车、四部出渣车、运浆车和管片车(参见图1)，其盾构施工的原理是：自渣土吊出口、管片下放口接收物料，经过盾构区间进入盾构机台车区域。电瓶车组自身刹车装置有：气刹、手刹、尾钩，在电瓶车组停止时，驾驶员可以放下气刹、手刹、尾钩，将电瓶车组锁止。由于盾构区间有大量人员施工，有盾构机和轨道设备，电瓶车组在盾构区间内行驶时，如果电瓶车组出现超速、失速，会给区间和盾构机区域内施工人员和盾构机、电瓶车设备等造成严重损害。

造成电瓶车组失速的主要因素有：一是人的因素，如驾驶员和安全员违章操作和设备检修不到位；二是机械因素，如设备刹车故障；三是工程因素，如走行范围内坡度。电瓶车组安全行驶自动控制技术的目标基本是控制电瓶车组常规可控状态下的行驶、电瓶车组发生不可控制的失速状态后的被动防护措施——将人员和设备损失降至最低。

盾构机掘进施工时，以工程因素分类，电瓶车组走行区域有：地下盾构区间外部的吊渣土端口、下管片和其它材料的端口、盾构施工完成后的区间、盾构台车区域，其中吊渣土和下材料端口到洞门区域，走行坡度基本为0或很小，这个区域只要刹车和限位器放置到位，基本不会出现失速；盾构区间内坡度下降段，因驾驶员操作不当或是刹车系统失灵，加之坡度下降影响，会出现失速情况，整列电瓶车组重量在200吨左右，一旦失速，在自身动能与势能作用下，电瓶车组会不受控制的超速冲进台车，撞向出渣皮带、拼装机，同时，盾构机台车和拼装机区域是盾构施工时作业人员最多的范围，因此，从施工安全和工效等角度，必须找到一种有效的安全控制方法，解决电瓶车组安全行驶及在最不利情况下——发生失速后的安全问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种盾构施工水平运输中电瓶车组安全行驶自动控制系统，该系统可解决盾构施工中电瓶车组安全行驶和在最不利情况下及时止损，最大限度地降低电瓶车因失速对施工人员和设备的损失，可以避免车辆冲入盾构机头伤人、损坏设备等事故的发生，确保盾构区间、台车、主机区域范围内人员和设备的安全。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种盾构施工水平运输中电瓶车组安全行驶自动控制系统，包括固定点位视频监控装置、区间视频监控装置、测速装置、自动控制主机和被动防护装置，所述固定点位视频监控装置安装在电瓶车组固定停靠区域且同步安装有语音和警报器，所述区间视频监控装置设置在电瓶车行驶区域内且同步安装语音和报警器，所述测速装置间隔安装在盾构区间内，所述被动防护装置安装在盾构机台车尾部，所述自动控制主机安装在盾构机操作室内对电瓶车组的行驶状态进行分析，接收视频监控装置和测速装置传输的数据，并对其进行运算分析，得出电瓶车组是否超速，然后将下达相应指令上传至地面监控室，地面监控室指令给驾驶员、安全员、授权管理人员、做出盾构机台车尾部被动防护装置启闭动作。

进一步，所述固定点位视频监控装置安装在渣土吊出口、管片下方口和其它材料下放端口。

进一步，所述区间视频监控装置间隔150m到200m之间安装在电瓶车行驶区域内。

进一步，所述测速装置安装在洞外从坡度为0处到台车尾部，间隔150-200m。

进一步，所述被动防护装置是在盾构机台车尾部钢架结构上安装的两层中空弧形钢板。

进一步，所述被动防护装置安装在电瓶车组中的电机车、渣土车、砂浆车和管片车之间。

进一步，所述自动控制主机对电瓶车组的行驶状态进行分析的策略是：(1)电瓶车组始终处于限速内，属限速可控状态，电瓶车警报器关闭，电瓶车语音播报器广播发出电瓶车组到来的提醒内容，台车尾部被动防护消能吸能装置正常开启；(2)电瓶车组由限速转为超速但未失速状态，属超速可控状态，区间警报器开启，区间语音播报器广播发出电瓶车组到来的提醒内容，电瓶车组驾驶室内警报器和语音播报器开启，提醒驾驶员限速行驶，待驾驶员操作电瓶车组限速行驶后开启台车尾部被动防护装置放行；(3)电瓶车组由限速转为超速达到失速状态，属失速不可控状态，区间警报器开启，区间语音播报器广播发出电瓶车组失速不可控的报警内容，电瓶车组驾驶室内警报器和语音播报器开启，提醒驾驶员限速行驶，台车尾部被动防护装置关闭，同时失速情况报至地面监控室，由指挥人员启动电瓶车组失速应急预案；(4)遇有电瓶车组失速情况，电瓶车组驾驶员、监控室指挥人员、盾构区间作业人员均可通知自动控制主机操作人员对台车尾部被动防护装置关闭，以保障区间人员和设备安全。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种电瓶车安全行驶自动监控与控制系统，对电瓶车组在四种状态：一是正常行驶状态，二是超速后可控行驶状态，三是超速后不可控行驶状态，四是对不可控行驶后产生的破坏控制，整体形成一个可控的状态。

2、本发明通过被动安全控制，保障电瓶车组与盾构机运行、区间和盾构机内作业人员安全的最后一关，降低碰撞对盾构机等设备结构的破坏，保护区间、盾构机、电瓶车组内人员的安全。

3、本发明适用于盾构施工的水平运输用的电瓶车组，也适用于各类地下水平巷道运输，具有较大的推广前景。

附图说明

图1是常规的盾构施工水平运输列车编组图；

图2是盾构机与电瓶车组示意图；

图3是电瓶车组安全行驶自动控制系统总示意图；

图4是被动防护装置示意图；

图5是被动防护装置安装在盾构机台车尾部示意图。

图中，1-地面监控室，2-盾构机操作室，3-渣土吊出口，4-管片下放口，5-盾构区间，6-盾构主机区域，7-盾构台车区域，8-刀盘，9-土舱，10-前盾，11-中盾，12-盾尾，13-管片拼装机，14-螺旋输送机和出渣口，15-出土皮带，16-盾构机台车，17-台车尾部，18-电瓶车机车(含驾驶室)，19-出渣车4部，20-运浆车，21-管片车，22-汽刹车，23-手刹车，24-尾钩，25-钢轨、轨枕、道岔，26-电瓶车驾驶室监控，27-电瓶车组驾驶室内警报器与语音播报器，28-视频监控，29-测速装置，30-区间和台车警报器和语音播报器，31-信号传输线，32-自动控制主机，33-台车尾部、电瓶车组各车辆间被动防护装置，34-被动防护启闭装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细阐述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下描述。

为使本发明实施方式应用目的、技术方案和优势更加明确，下面结合本发明附图，对本发明方案采取的技术方案进行清楚、客观、完整的描述，结合本发明实施方式中的附图，自然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域其他技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或系统元器件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有其它的限定描述加以功能区分，如含有术语“安全防护”、“控制”、“连接”、“间距”等应作广义理解。例如，可以是主动安全防护也可是被动安全防护；可以是自动化控制也可以有人为干预控制；数据传输可以通过有线也可以是无线网络传输；可以是150米或是250米的间距等。对于本领域的工程技术人员来讲，可以根据具体情况区分本发明中的具体含义。

本发明提供一种盾构施工水平运输中电瓶车组安全行驶自动控制系统，可以使电瓶车组处于可控状态，即使失速，也可以通过被动安全控制，降低风险，保护盾构区间人员与设备。

参见图2、3所示，本发明包括：

(一)工作控制部分：1-地面监控室、2-盾构机操作室、32-自动控制主机、26-电瓶车驾驶室监控、27-电瓶车警报器与语音播报器、28-视频监控装置(包括固定点位视频监控装置和区间视频监控装置)、29-测速装置、30-区间和台车警报器和语音播报器、31-信号传输线；

在渣土吊出口、管片下方口和其它材料下放端口(常在洞门)，即电瓶车组固定停靠区域安装固定点位监控装置且同步安装有语音和警报器，用于监控操作人员是否按规程放置限位、地面拉钩等安全操作。

区间视频监控装置间隔150m到200m之间安装在电瓶车行驶区域内，且同步安装有语音和警报器，用于监控电瓶车组行驶状态是否正常。

在盾构区间，即在洞外从坡度为0处到台车尾部间隔150-200m安装一组测速装置，通过电瓶车组经过前后两个监控点的时间来计算电瓶车组在该区段的平均行驶速度，经计算后自动与该区段上的限速标准对比，从而判定电瓶车组是否超速，反馈给盾构机操作室内的自动控制主机。

自动控制主机安装在盾构机操作室内对电瓶车组的行驶状态进行分析，接收视频监控装置和测速装置传输的数据，并对其进行运算分析，得出电瓶车组是否超速，然后将下达相应指令上传至地面监控室，地面监控室指令给驾驶员、安全员、授权管理人员、做出盾构机台车尾部被动防护装置启闭动作，以确保盾构区间作业人员和设备处于安全可控状态。

(二)涉及作业区域包括：3-渣土吊出口、4-管片下放口、5-盾构区间、6-盾构主机区域、7-盾构台车区域；

(三)被动安全控制装置包括：33-被动防护装置，34-被动防护启闭装置；

本发明在盾构机台车尾部设置被动防护装置，起到对电瓶车组的放行、阻止和保护功能，防止电瓶车组不受控制失速后，保护盾构机和台车区域内，作业的人员和盾构机、台车不受损伤。所述被动防护装置是在盾构机台车尾部钢架结构上安装的两层中空弧形钢板，从而形成消能吸能区，通过碰撞变形消化和吸收破环能量，抵减部分电瓶车组失速后的冲击动能，最大限度的降低失速后的电瓶车组同台车间发生碰撞后的损失，将电瓶车组的人员、设备损伤降到最低。

同时，本发明在电瓶车组中的电机车、渣土车、砂浆车和管片车之间也安装被动防护装置，起到车辆失速碰撞后消能吸能作用，对电瓶车组之间起到保护作用。

(四)盾构机设备含：8-刀盘、9-土舱、10-前盾、11-中盾、12-盾尾、13-管片拼装机、14-螺旋输送机和出渣口、15-出土皮带、16-盾构机台车、17-台车尾部；

(五)电瓶机组含：18-电瓶车机车(含驾驶室)、19-出渣车4部、20-运浆车、21-管片车、22-汽刹车、23-手刹车、24-尾钩；

(六)轨道装置含：25-钢轨、轨枕、道岔。

本发明的工作过程是：盾构机刀盘8旋转切削渣土进入土舱9，通过螺旋输送机和出渣口14，将渣土卸在出土皮带15上，经过部分盾构机台车16，卸至进入盾构机台车下方的电瓶车组的出渣土车19内，常规出渣车配置4辆满足一环管片的出土量，出渣车装满后，由电瓶车组18牵引经盾构区间5，驶至渣土吊出口3，经地面垂直提升系统运出。在电瓶车组驶入区间时，随电瓶车通过管片车21和运浆车20送入管片材料和注浆所需浆液。管片和注浆材料通过设在车站端头的下放口4，放在管片车21和运浆车20上面，由电瓶车机组18牵引经过区间5通过盾构机台车尾部17，盾构机台车16，停于台车区域7，通过管片拼装机13拼装管片，通过注浆系统补充管片背后与周边土体间隙。盾构机掘进、出土、拼装、注浆一环，电瓶车组在区间一进一出完成一个作业循环。依此类推，循环施工。

在循环施工过程中设置在盾构机操作室2内的自动控制主机32通过信号传输线31接收测速装置29、固定点位视频监控装置和区间视频监控装置28采集的电瓶车组行驶状态和数据，自动控制主机32经过逻辑运算，由主机自动下达指令给电瓶车警报器和语音播报器27、区间和台车警报器和语音播报器30，对区间人员进行报警，同时由主机下达指令上传至地面监控室，地面监控室指令给驾驶员、安全员、授权管理人员、做出盾构机台车尾部被动防护装置34启闭动作，通过启闭装置操作盾构台车尾部被动防护装置33落下锁止后阻止电瓶车组进入台车区域7，或是开启放行电瓶车组进入台车区域7。

参见图4、5：当电瓶车组失速撞击台车尾部被动防护装置33时，为减少对设备的损伤，所述被动防护装置是在盾构机台车尾部钢架结构上安装的两层中空弧形钢板，形成消能吸能区，通过碰撞变形消化和吸收破环能量，抵减部分电瓶车组失速后的冲击动能。且参见图2，电瓶车组各车辆之间也安装有被动防护装置33，当电瓶车组失速后也可以起到对电瓶车组的保护。

本发明自动控制主机32对电瓶车组的行驶状态进行分析，其控制策略是区分出：(1)电瓶车组始终处于限速内，属限速可控状态，警报器关闭，语音播报器30广播发出：电瓶车组到来的提醒内容，作业人员进入走道板避让，盾构机台车尾部的被动防护装置33正常开启；(2)电瓶车组由限速转为超速但未失速状态，属超速可控状态，区间警报器开启，区间语音播报器30广播发出：电瓶车组到来的提醒内容，电瓶车组驾驶室内警报器和语音播报器27开启，提醒驾驶员限速行驶，作业人员进入走道板上避让，待驾驶员操作电瓶车组限速行驶后开启盾构机台车尾部的被动防护装置33放行；(3)电瓶车组由限速转为超速达到失速状态，属失速不可控状态，区间警报器开启，区间语音播报器30广播发出：电瓶车组失速不可控的报警内容，电瓶车组驾驶室内警报器和语音播报器27开启，提醒驾驶员限速行驶，作业人员进入走道板避让，盾构机台车尾部的被动防护装置33关闭，同时失速情况报至地面监控室，由指挥人员启动电瓶车组失速应急预案；(4)遇有电瓶车组失速情况，电瓶车组驾驶员、监控室指挥人员、盾构区间作业人员均可通知自动控制主机32操作人员对盾构机台车尾部的被动防护装置33关闭，以保障区间人员和设备安全。

本发明在盾构施工循环中，通过自动控制主机32的运行，确保盾构机主机区域6、台车区域7、盾构区间5及管片下放口4、渣土吊出口3均处于安全可控范围。

综上，参见图2和图3，本发明通过对电瓶车组的视频监控和速度监测，分析出电瓶车组的四种状态，经过安全行驶自动系统控制，将盾构区间人员、设备形成联动，即使电瓶车组失速，但仍使设备通过被动安全装置避免设备处于不可控状态，保障盾构区间人员、设备安全。

本发明适用于巷道内水平运输方式，除了盾构施工场所外，在铁路、矿山等场所，经过适当改造后，均可适用。

本发明所介绍的各类实施案例和方法，本发明为原创，相关领域人员在了解具体实施方式和相应变化形式后，在本发明基础上衍生出类似的一系列方法，均在本发明保护范围；凡在本发明原则、概念之内所做的任何代换、改进、修改，均应属于本发明的保护范围。