CN102353472B - 盾构壳体温度场监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构壳体温度场监测系统，包括内表面温度传感器、温度梯度传感器和计算机测试系统，内表面温度传感器置于盾构壳的内表面监测盾构壳体内表面温度，温度梯度传感器置于盾构壳的预设孔内监测盾构壳体厚度上的温度梯度、确定盾构壳体外表面温度，内表面温度传感器和温度梯度传感器通过导线与计算机测试系统相连。该测温系统主要用于盾构始发和接收等过程中穿越冻土加固体时盾构壳表面温度场的动态监测，便于掌握盾构壳外围土体的冻结状态，避免发生涌水涌砂的险情，保证施工安全，必要时也可为冻土解冻提供实际参考。
Description
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，涉及用于盾构隧道施工中温度测量的系统，尤其是一种盾构壳体温度场监测系统。
背景技术
人工地层冻结法(简称“冻结法”)是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，作为一种支护结构，隔绝地下水与地下工程的联系，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以加固地层。由于其具有适应性强、强度高、隔水性能好、环境影响小等优点，广泛应用于矿井、隧道、基坑工程、盾构始发和接收、联络通道等多种工程。近年来，随着城市地铁隧道的发展，冻结法在盾构始发和接收施工中得到了越来越多的应用，此外在隧道修复工程中也得到广泛应用。
人工地层冻结法主要有盐水冻结和液氮冻结两种方式，无论采用何种冻结方式，掌握冻结所形成冻土帷幕的发展及性状，尤其是盾构壳外表面的温度是至关重要的。盾构进入冻结加固区时，盾构壳外表面为负温能确保盾构机与岩土的交界面没有液态水存在，即不存在通水路径，不会造成涌水涌砂等危险情况。但盾构壳外表面温度过低，容易造成冻土体将盾构机冻住而无法前进的情况。因此，需要掌握盾构壳外表面温度的实时变化和发展情况，以保证盾构施工的顺利进行和安全，必要时也为解冻给出明确的指导。
发明内容
针对盾构机穿越冻土加固区时，盾构壳外表面温度变化未知的情况，本发明提供了一种盾构壳体温度场监测系统，该系统不仅能测定盾构壳外表面上的温度，还能通过大量测点的数据反映盾构壳整体的温度场分布情况。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种盾构壳体温度场监测系统，包括内表面温度传感器、温度梯度传感器和计算机测试系统，内表面温度传感器置于盾构壳的内表面监测盾构壳体内表面温度，温度梯度传感器置于盾构壳的预设孔内监测盾构壳体厚度上的温度梯度、确定盾构壳体外表面温度，内表面温度传感器和温度梯度传感器通过导线与计算机测试系统相连。
所述计算机测试系统包括二次仪表和计算机，二次仪表的输入端通过导线与内表面温度传感器和温度梯度传感器相连，二次仪表的输出端通过导线与计算机相连。
所述内表面温度传感器包括第一热敏电阻测温元件、磁铁和隔热外套，第一热敏电阻测温元件嵌设于磁铁顶部的预留孔中，隔热外套包覆于磁铁的外部，磁铁和隔热外套的底部预留供导线穿设的孔。
所述磁铁顶部用于嵌设第一热敏电阻测温元件的预留孔中采用环氧树脂填充。
所述温度梯度传感器包括第二热敏电阻测温元件、第三热敏测温元件和构造螺栓，构造螺栓为中空结构，第二热敏电阻测温元件置于构造螺栓中空结构的底部，第三热敏电阻测温元件置于构造螺栓中空结构的顶部，构造螺栓的螺帽中心预留供导线穿设的孔。
所述构造螺栓用于装设第二、第三热敏电阻测温元件的中空结构的空隙采用环氧树脂填充。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：首先，传感器布置简单易行，具有全面性，可以实时监测并快速返回数据。其次，温度监测对盾构机正常工作影响小，传感器预设孔和构造螺栓相结合可以降低在盾构壳厚度上开孔对其自身强度的削弱作用，而盾构壳内表面温度传感器的封装方式对盾构机内部的正常工作几乎无影响。最后，将测量盾构壳内表面温度与测量盾构壳厚度上的温度梯度相结合，可以完整准确的测量盾构壳外表面温度场变化发展情况，在远端计算机上通过软件整理，可进行可视化显示。
附图说明
图1为本发明的测温系统的结构示意图。
图2为本发明的内表面温度传感器的结构示意图。
图3为本发明的温度梯度传感器的结构示意图。
图4为本发明的封堵螺栓的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的盾构壳体温度场监测系统，包括：内表面温度传感器2、温度梯度传感器3和计算机测试系统。内表面温度传感器2安装于盾构壳1的内表面，温度梯度传感器3安装于盾构壳1的预设孔10内。计算机测试系统包括二次仪表5和计算机6，内表面温度传感器2和温度梯度传感器3通过导线4连接至二次仪表5，二次仪表5通过导线4连接至计算机6。其中，二次仪表5作为温度监测数据的采集仪器，种类不限，本例采用Data Taker公司生产的DT80G GeoLogger万用数据采集器(最终需通过电脑采集数据)。利用内表面温度传感器2测量盾构壳1内表面温度，利用温度梯度传感器3测量盾构壳1厚度上的温度梯度、确定盾构壳体外表面温度。测量数据经过二次仪表5，用导线4将测温数据传回远端的计算机6进行整合处理，根据热传导规律得到盾构壳1整体的外表面温度场。
如图2所示，内表面温度传感器2包括第一热敏电阻测温元件7、磁铁8和隔热外套9，第一热敏电阻测温元件7嵌设于磁铁8顶端预留的孔位中，并用环氧树脂填充空隙固定，保持热敏电阻测温元件7与被测物体表面良好接触条件的传感器封装方法，实现直接感受被测物体表面温度的条件。隔热外套9包覆于磁铁8的外部，并用胶水固定，消除了空气热量对盾构壳1内表面进行温度测试值的影响。磁铁8和隔热外套9底部预留小孔，以便与第一热敏电阻测温元件7相连的导线4引出。在内表面温度传感器2制作时，需要标定磁铁8造成第一热敏电阻测温元件7测温的偏差值，并进行修正。由于磁铁8产生的磁场和第一热敏电阻元件7已经固定，那么第一热敏电阻元件7受磁铁8的影响大小可以通过测量已知温度，将测量温度和已知温度之差作为该点温度的偏差值，在实际测温中减掉该偏差值即可。
如图3所示，温度梯度传感器3包括第二热敏电阻测温元件13、第三热敏电阻测温元件14和构造螺栓11，构造螺栓11为中空结构，第二热敏电阻测温元件13置于构造螺栓11中空结构的底部，第三热敏电阻测温元件14置于构造螺栓11中空结构的顶部，中空结构的空隙通过环氧树脂填充以固定第二热敏电阻测温元件13、第三热敏电阻测温元件14，构造螺栓11的螺帽中心预留小孔，以便与第二、第三热敏电阻测温元件13、14相连的导线4引出。
内表面温度传感器2安装时，可以利用其磁铁8的吸力在盾构壳1内表面任意需要的位置吸附固定内表面温度传感器2。内表面温度传感器2的数量及分布区域根据实际测温需要确定。温度梯度传感器3安装时，通过螺纹把温度梯度传感器3固定在盾构壳1上预留孔10中。而在非测试工作状态时，将封堵螺栓12插入孔中，补足盾构壳1强度。温度梯度传感器3的数量相对于内表面温度传感器2较少，根据盾构内温度场分布选择代表性的点位。具体可以根据盾构壳1内表面面积和测温精度确定的测点间距，布置大量内表面温度传感器2反映整个盾构壳1内表面温度场。在能反映盾构壳1关键部位的内外温差的情况下，布置少量温度梯度传感器3。由于两种传感器已排除外界热源和磁场干扰，测温精度即为热敏电阻测温元件的精度，精度高，可靠性好。最终将在盾构壳1厚度上的温度梯度与盾构壳内表面温度场相加，得到盾构壳1外表面温度场。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：包括内表面温度传感器、温度梯度传感器和计算机测试系统，内表面温度传感器置于盾构壳体的内表面监测盾构壳体内表面温度，温度梯度传感器置于盾构壳体的预设孔内监测盾构壳体厚度上的温度梯度、确定盾构壳体外表面温度，内表面温度传感器和温度梯度传感器通过导线与计算机测试系统相连；
所述内表面温度传感器包括第一热敏电阻测温元件、磁铁和隔热外套，第一热敏电阻测温元件嵌设于磁铁顶部的预留孔中，隔热外套包覆于磁铁的外部，磁铁和隔热外套的底部预留供导线穿设的孔；
所述温度梯度传感器包括第二热敏电阻测温元件、第三热敏电阻测温元件和构造螺栓，构造螺栓为中空结构，第二热敏电阻测温元件置于构造螺栓中空结构的底部，第三热敏电阻测温元件置于构造螺栓中空结构的顶部，构造螺栓的螺帽中心预留供导线穿设的孔。
2.如权利要求1所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：所述计算机测试系统包括二次仪表和计算机，二次仪表的输入端通过导线与内表面温度传感器和温度梯度传感器相连，二次仪表的输出端通过导线与计算机相连。
3.如权利要求1所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：所述磁铁顶部用于嵌设第一热敏电阻测温元件的预留孔中采用环氧树脂填充。
4.如权利要求1所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：所述构造螺栓用于装设第二、第三热敏电阻测温元件的中空结构的空隙采用环氧树脂填充。
5.如权利要求1所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：内表面温度传感器安装时，利用其磁铁的吸力在盾构壳体内表面任意需要的位置吸附固定内表面温度传感器；内表面温度传感器的数量及分布区域根据实际测温需要确定；温度梯度传感器安装时，通过螺纹把温度梯度传感器固定在盾构壳体上预设孔中；在非测试工作状态时，将封堵螺栓插入盾构壳体上的预设孔中，补足盾构壳体强度。
6.如权利要求1所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：温度梯度传感器的数量相对于内表面温度传感器较少，根据盾构壳体内温度场分布选择代表性的点位。
7.如权利要求6所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：根据盾构壳体内表面面积和测温精度确定的测点间距，布置大量内表面温度传感器反映整个盾构壳体内表面温度场，在能反映盾构壳体关键部位的内外温差的情况下，布置少量温度梯度传感器。
8.根据权利要求1所述的盾构壳体温度场监测系统，其特征在于：在盾构壳体厚度上的温度梯度与盾构壳体内表面温度场相加即得到盾构壳体外表面温度场。
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