CN104990589B - 一种盾构开挖测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构开挖测量系统，包括盾构机和远程控制器，盾构机上设有刀盘和盾体，盾体上设有至少两个雷达天线，雷达天线与雷达主机相连接，雷达主机通过串口与盾构上位机相连接，盾构上位机与远程控制器相连接；雷达主机上设有数据采集模块和数据传送模块，盾构上位机上设有数据存贮模块、开挖量监测模块、刀具磨损监测模块、地层监测模块、显示器和无线通信模块。本发明通过开挖量监测模块、刀具磨损监测模块、地层监测模块利用雷达天线测量雷达天线与开挖面的间隙测量值测量刀具的磨损量及磨损趋势、监测地层的变化趋势，实现制定换刀计划、判断测量面位置出现空洞或坍塌，掌握地层沉降信息，从而指导盾构机的掘进施工。

Description

一种盾构开挖测量系统

技术领域

本发明涉及盾构施工的技术领域，具体涉及一种盾构开挖测量系统。

背景技术

由于盾构技术不用大量拆迁，不用开挖地面，地面上无噪音、无尘土、不扰民，而且全部采用自动化控制，工程进度较快，城市中修建地铁等一般使用盾构机进行开挖。盾构施工中情况复杂多变，常常存在不良地质因素和未知的震动。为了确保盾构掘进过程中盾体能够顺利通过开挖面，刀盘的开挖直径总是略大于盾体直径。因此，当盾构在自稳性较好的地层中掘进时，盾体与开挖面之间将会存在环形空隙，这段空隙在未被注浆或加固填充前，必然处于一种不稳定的状态。受到地应力变化、地面扰动等因素影响，开挖面将出现不同的变形与位移特征。

探地雷达是一种可进行无损检测的高科技产品，在工程施工中得到了广泛地应用，但是在盾构机上的应用目前沿未有成熟的应用案例。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种盾构开挖测量系统，通过探地雷达对开挖面进行实时监测，可以捕获丰富的信息，从而指导盾构的掘进，确保施工安全。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种盾构开挖测量系统，包括盾构机和远程控制器，盾构机上设有刀盘和盾体，所述盾体上设有至少两个雷达天线，雷达天线与雷达主机相连接，雷达主机通过串口与盾构上位机相连接，盾构上位机与远程控制器相连接；所述雷达主机上设有数据采集模块和数据传送模块，所述盾构上位机上设有数据存贮模块、开挖量监测模块、刀具磨损监测模块、地层监测模块、显示器和无线通信模块。

所述盾构上位机上的数据存贮模块与雷达主机上的数据传送模块相连接，数据传送模块将雷达天线测量的雷达天线与开挖面的间隙测量值传送到数据存贮模块。

所述数据存贮模块与开挖量监测模块相连接，开挖量监测模块分别与刀具磨损监测模块、地层监测模块相连接，刀具磨损监测模块、地层监测模块分别与显示器相连接，显示器与无线通信模块相连接，无线通信模块与远程控制器相连接。

所述开挖量监测模块与显示器相连接。

所述雷达主机还设有数据处理模块，数据处理模块分别与数据采集模块和数据传送模块相连接，用于将雷达天线测量的数据转换为雷达天线与开挖面的间隙测量值。

所述雷达天线与开挖面的间隙测量值为盾构机的开挖量，开挖量监测模块根据开挖量判断地层的稳定性。

所述串口为RS485串口。

其工作方法是：1）雷达主机的数据采集模块采集每个雷达天线测量的数据，数据处理模块将测量数据转化为雷达天线与开挖面的间隙测量值，并传送至数据传送模块；

2）数据传送模块通过串口实时把雷达天线与开挖面的间隙测量值传送至盾构上位机上的数据存贮模块；

3）数据存贮模块将数据存贮并传送至开挖量监测模块，开挖量监测模块根据开挖量初步判断地层的稳定性；

4）开挖量监测模块将雷达天线测量的开挖量传送至刀具磨损监测模块和地层监测模块；

5）地层稳定时，刀具磨损监测模块根据开挖量的变化值测量出刀具磨损情况；刀具磨损监测模块刀具磨损趋势预测达到最大磨损量的里程数；

6）地层监测模块根据雷达天线测量的开挖量随位置的变化其值突然增大或超出正常范围时，判断测量面位置出现空洞；当测量间隙突然减小，判断地面很可能出现局部坍塌；

7）刀具磨损监测模块、地层监测模块将检测数据传输至显示器，显示器通过无线通信模块将器传送至远程控制器；

8）远程控制器综合检测数据，智能分析与判断，通过无线通信模块将指导信息传送至盾构上位机的显示器上。

本发明利用固定在盾构机盾体上且分布在一条直线上的雷达天线测量雷达天线与开挖面的间隙测量值，并将该测量值作为开挖量，盾构上位机的开挖量监测模块、刀具磨损监测模块、地层监测模块通过开挖量测量刀具的磨损量及磨损趋势、监测地层的变化趋势，实现制定换刀计划、判断测量面位置出现空洞或坍塌，掌握地层沉降信息，从而指导盾构机的掘进施工。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的雷达连接的结构示意图。

图3为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例具体描述一下本发明。

一种盾构开挖测量系统，如图1、图2和图3所示，包括盾构机和远程控制器7，盾构机包括刀盘1和盾体3，刀盘1位于盾体3的前端，且刀盘1的掘进直径大于盾体3的高度。盾构机的盾体3上设有至少两个雷达天线4，雷达天线4与雷达主机5相连接，雷达主机5通过串口与盾构上位机6相连接，盾构上位机6与远程控制器7相连接。

优选地，雷达天线4设有3或4个。雷达主机5可以通过RS485串口与盾构上位机6相连接。

雷达天线4沿掘进方向固定在盾体3上，且位于盾体3的外壳上。雷达天线4沿掘进方向分布在同一直线上，雷达天线4与盾构机的位置关系如图1所示。雷达主机5安装于盾体3右侧的控制柜内，盾构上位机6位于盾构机的控制室内。雷达主机5内设有数据采集模块和数据传送模块，数据采集模块可以同时接收4个雷达天线4采集的信号。数据传送模块将数据采集模块采集的数据通过RS485串口实时的传送到盾构上位机6上，保证了现场检测的数据即时的传输至盾构机上位机6上进行下一步的运算。

优选地，雷达主机5内设有数据处理模块，数据处理模块分别与数据采集模块和数据传送模块相连接，即设置在数据采集模块和数据传送模块之间。数据处理模块可以将雷达天线4测量的数据转换为雷达天线4与开挖面的间隙测量值。

盾构上位机6上设有数据存贮模块、开挖量监测模块、刀具磨损监测模块、地层监测模块、显示器和无线通信模块。盾构上位机6上的数据存贮模块与雷达主机5上的数据传送模块相连接。数据存贮模块与开挖量监测模块相连接，开挖量监测模块分别与刀具磨损监测模块、地层监测模块相连接，刀具磨损监测模块、地层监测模块分别与显示器相连接，显示器与无线通信模块相连接，无线通信模块与远程控制器7相连接。

数据存贮模块接收雷达主机5上的数据传送模块传送来的雷达天线4与开挖面的间隙测量值，并存储。同时，数据存贮模块上还存储有时间、雷达天线4的位置、地层分界面值等原始信息。数据存贮模块的数据可以以CSV文件格式存贮在盾构上位机6上，从而方便后续分析与查询。

正常情况下，刀盘1的开挖直径与安装雷达天线4处的盾体3的直径之差为测量位置的开挖间隙。实际上，盾体3在重力作用下，开挖间隙都集中于盾体3的上部。理论上开挖量为刀盘1的开挖直径与安装雷达天线4处的盾体3的直径差，实际开挖量为雷达天线4测量到的开挖面与盾体3之间的间隙测量值，即数据存贮模块中的雷达天线4与开挖面的间隙测量值。实际开挖量与理论开挖量之差等于开挖面的变形量和刀具磨损量之和。开挖量监测模块根据开挖量的变化趋势初步判断地层的稳定性，具体地为：开挖量变化缓慢，地层是稳定的；开挖量突变，地层发生变形。进一步地，开挖量监测模块与显示器相连接，开挖量监测模块将测算的开挖量显示到盾构上位机6的显示器上，可指导盾构机司机通过调整掘进参数及控制超挖刀控制开挖直径。

在地层稳定时期视为地层变形量是相等的，开挖量的变化值就是刀具的磨损量，开挖量监测模块将开挖量传送至刀具磨损监测模块，刀具磨损监测模块根据开挖量的变化值测量出刀具磨损情况。以刚刚换刀后测算的开挖量为基准，随着掘进距离的延长，开挖量逐渐增加，增加值可以大体表征边缘滚刀的磨损量，当测算的磨损量达到或接近极限值时说明需要换刀。刀具磨损监测模块根据刀具磨损趋势还可以预测若干里程后将达到的磨损量，从而提前计划换刀日期，达到辅助制定换刀计划的作用。

由于盾体3上的雷达天线4沿掘进方向分布在同一直线上，以最前端的天线检测到的开挖间隙为基准，当盾构掘进的里程等于最前端天线与第二个天线之间的距离时，第二个天线所处的位置就正是之前第一个天线所处的位置，将这两个天线检测到的距离进行比较，可以判断经历了这段时间后同一位置地层发生的变化量和趋势。开挖量监测模块将每个雷达天线4测量的开挖量、雷达天线4的位置关系、时间传送至地层监测模块，地层监测模块通过时空对比分析监测地层稳定性精确地分析出地层的变化趋势。当盾构机处于停机状态时，通过对比同一位置经历了一段时间后检测到的开挖量的变换判断地层变化，可以捕获地层变化趋势。盾构机掘进时，地层监测模块根据依次到达同一位置的间隙对比，可以监测到地层的变化趋势。通过监测盾构机停机和掘进时地层的变化趋势，可以掌握地层沉降信息，从而指导盾构机的掘进施工。

地层监测模块可以检测盾体前端是否出现空洞或坍塌。其原理是：当雷达天线4测量的开挖量随位置的变化其值突然增大或超出正常范围时，可以判断测量面位置出现空洞；当测量间隙突然减小，可以判断地面很可能出现局部坍塌。比如理论开挖间隙为30mm，检测到的值为25 mm，说明掘进后地层下陷了5mm，属正常变形量。随着向前掘进检测值基本维持在25mm，突然增加并远超过30mm，达到了40mm，甚至超过了检测最大极限值，就可以判断有空洞，同时也可以开挖量判断空洞的大小。

刀具磨损监测模块、地层监测模块将刀具磨损情况、换刀情况、地层沉降情况、空洞出现的情况等信息传输至显示器，显示器这些信息无线通信模块传送至远程控制器7。远程控制器7可以根据刀具磨损情况、换刀情况、地层沉降情况、空洞出现的情况、预警信息等，综合检测数据，智能分析与判断，通过无线通信模块将指导信息传送至盾构上位机6的显示器上，对盾构上位机6作出指导。远程控制器7所在的远程监控中心有施工专家和领导，他们可以及时发现和查看所有检测数据和分析结果，从而能够在人员不到工地现场就可以做出判断和决策，指导掘进施工。远程控制器7可以结合专家的个人经验，在远程监控中心对盾构上位机6的司机的操作和工程施工提出预警、报警和操作、施工建议，帮助解决问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种盾构开挖测量系统，包括盾构机和远程控制器（7），盾构机上设有刀盘（1）和盾体（3），其特征在于：所述盾体（3）上设有至少两个雷达天线（4），雷达天线（4）与雷达主机（5）相连接，雷达主机（5）通过串口与盾构上位机（6）相连接，盾构上位机（6）与远程控制器（7）相连接；所述雷达主机（5）上设有数据采集模块和数据传送模块，所述盾构上位机（6）上设有数据存贮模块、开挖量监测模块、刀具磨损监测模块、地层监测模块、显示器和无线通信模块；所述盾构上位机（6）上的数据存贮模块与雷达主机（5）上的数据传送模块相连接，数据传送模块将雷达天线（4）测量的雷达天线（4）与开挖面的间隙测量值传送到数据存贮模块；

所述数据存贮模块与开挖量监测模块相连接，开挖量监测模块分别与刀具磨损监测模块、地层监测模块相连接，刀具磨损监测模块、地层监测模块分别与显示器相连接，显示器与无线通信模块相连接，无线通信模块与远程控制器（7）相连接；

所述开挖量监测模块与显示器相连接；

所述雷达主机（5）还设有数据处理模块，数据处理模块分别与数据采集模块和数据传送模块相连接，用于将雷达天线（4）测量的数据转换为雷达天线（4）与开挖面的间隙测量值；

其工作方法是：

1）雷达主机（5）的数据采集模块采集每个雷达天线（4）测量的数据，数据处理模块将测量数据转化为雷达天线（4）与开挖面的间隙测量值，并传送至数据传送模块；

2）数据传送模块通过串口实时把雷达天线（4）与开挖面的间隙测量值传送至盾构上位机（6）上的数据存贮模块；

3）数据存贮模块将数据存贮并传送至开挖量监测模块，开挖量监测模块根据开挖量初步判断地层的稳定性；

4）开挖量监测模块将雷达天线（4）测量的开挖量传送至刀具磨损监测模块和地层监测模块；

5）地层稳定时，刀具磨损监测模块根据开挖量的变化值测量出刀具磨损情况；刀具磨损监测模块刀具磨损趋势预测达到最大磨损量的里程数；

6）地层监测模块根据雷达天线（4）测量的开挖量随位置的变化其值突然增大或超出正常范围时，判断测量面位置出现空洞；当测量间隙突然减小，判断地面很可能出现局部坍塌；

7）刀具磨损监测模块、地层监测模块将检测数据传输至显示器，显示器通过无线通信模块将器传送至远程控制器（7）；

8）远程控制器（7）综合检测数据，智能分析与判断，通过无线通信模块将指导信息传送至盾构上位机（6）的显示器上。

2.根据权利要求1所述的盾构开挖测量系统，其特征在于，所述雷达天线（4）与开挖面的间隙测量值为盾构机的开挖量，开挖量监测模块根据开挖量判断地层的稳定性。

3.根据权利要求1所述的盾构开挖测量系统，其特征在于，所述串口为RS485 串口。