CN105604556B - 一种类矩形盾构正面土压力平衡控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类矩形盾构正面土压力平衡控制系统及方法，系统包括：土压力监测装置，包括与螺旋机通信连接的监测主机，以及与监测主体通信连接且对称分布于类矩形盾构机的土仓的顶部两侧、中部两侧和底部两侧的多对土压力传感器；土压补偿装置，包括设于土仓两侧的推进油缸，推进油缸与监测主机通信连接；土体改良装置，包括对称分布于土仓内的多个改良区域以及用于对多个改良区域分别进行注浆的注浆设备，注浆设备与监测主机通信连接。本发明通过土压力监测装置实时监测类矩形盾构机的土仓内的土压力值，根据监测到的实时土压力值利用土压补偿装置及土体改良装置配合螺旋机的转速控制对掘进过程中的类矩形盾构正面土压力平衡进行协同控制。
Description
技术领域
本发明涉及类矩形盾构施工领域，尤其涉及一种类矩形盾构正面土压力平衡控制系统及方法。
背景技术
土压平衡盾构是在开挖面土仓及螺旋输送机内部充满的土砂所产生的压力与开挖面的土压保持平衡。施工中主要控制掘进千斤顶推力、掘进速度、刀盘扭矩和转速、螺旋输送机扭矩和转速以及闸门的开口度等技术参数，使之与开挖面的土压保持动态平衡。土压平衡盾构是以充满土仓内的刚开挖下来的土体对开挖面提供连续的支护，隧道开挖面的稳定，是通过土仓内土体的压力传递来起到与外界水土压力相平衡的作用，土仓内的土体压力减小外界水土压力的压力梯度，于是开挖面在有压力的土体的直接支护以及土中渗漏力的减小的条件下得以稳定。
类矩形盾构因其断面空间利用率高，正逐渐成为城市地下空间开发的重要手段。但类矩形盾构隧道在施工过程中与常规圆形盾构隧道相比较面临诸多困难与挑战，例如大断面类矩形盾构正面土压力的平衡控制，常规圆形盾构隧道施工的土压平衡控制方法难以满足，具体表现在以下几点：
1.大断面类矩形盾构开挖断面尺寸相对较大，土压平衡传导区域大；
2.类矩形盾构断面不规则，不同区域土压差异大，且相比圆形盾构无线性规律可循；
3.为保证类矩形盾构的全断面切削，一般均布置多个刀盘，为防止刀盘直接互相干扰或触碰，类矩形盾构土仓内搅拌棒布置受到局限，加剧了土压力控制的难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够解决类矩形盾构土压力波动大、控制困难的难题的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统及方法，实现了类矩形盾构土压平衡模式下的成功掘进与质量控制。
为实现上述技术效果，本发明公开了一种类矩形盾构正面土压力平衡控制系统，包括：
土压力监测装置，包括与类矩形盾构机内部两侧的螺旋机通信连接的监测主机，以及对称分布于类矩形盾构机的土仓的顶部两侧、中部两侧和底部两侧的多对土压力传感器，所述监测主机内预设有控制参数，所述土压力传感器与所述监测主体通信连接；
土压补偿装置，包括设于所述土仓两侧的推进油缸，所述推进油缸与所述监测主机通信连接；
土体改良装置，包括对称分布于土仓内的多个改良区域以及用于对多个所述改良区域分别进行注浆的注浆设备，所述注浆设备与所述监测主机通信连接。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制系统进一步的改进在于，所述监测主机内设有与所述土压力传感器通信连接的阈值比较模块和差值比较模块，所述控制参数包括设于所述阈值比较模块中的土压力的设定阈值和设于所述差值比较模块中的土压力的设定差值；所述设定阈值根据盾构土层、隧道埋深计算确定；对称分布于所述土仓顶部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于所述土仓中部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制系统进一步的改进在于，所述螺旋机与所述阈值比较模块通信连接，用于将所述压力传感器监测到的实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力大于所述设定阈值时提高所述螺旋机的转速，在所述实时土压力小于所述设定阈值时降低所述螺旋机的转速；
所述螺旋机与所述差值比较模块通信连接，用于将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定差值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，提高实时土压力值高一侧对应的螺旋机的转速和/或降低实时土压力值低一侧对应的螺旋机的转速。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制系统进一步的改进在于，所述推进油缸与所述阈值比较模块通信连接，用于将所述压力传感器监测到的实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力小于所述设定阈值时推进所述推进油缸，在所述实时土压力大于所述设定阈值时收缩所述推进油缸；
所述推进油缸与所述差值比较模块通信连接，用于将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定差值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，推进实时土压力值低一侧对应的推进油缸和/或收缩实时土压力值高一侧对应的推进油缸。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制系统进一步的改进在于，多个所述改良区域对称布置在所述土仓的类矩形断面范围内，并与邻近的所述土压力传感器相对应；所述监测主机内设有与所述土压力传感器通信连接的区域比较模块和对称比较模块，所述控制参数包括设于所述区域比较模块中的土压力的设定区域改良值和设于所述对称比较模块中的土压力的设定对称改良值；
所述注浆设备与所述区域比较模块通信连接，用于将位于所述土仓两侧的土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述区域比较模块中的设定区域改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定区域改良值时，增加实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备的注入率；
所述注浆设备与所述对称比较模块通信连接，用于将每对土压力传感器监测到的实施土压力值的差值与所述对称比较模块中的设定对称改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定对称改良值时，通过注浆设备对实时土压力值高一侧对应的改良区域内注入水进行改良。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制系统进一步的改进在于，所述设定区域改良值为0.1MPa，所述设定对称改良值为0.3MPa，改良后的实时土压力值的差值小于0.1MPa，且多个改良区域内注浆设备的注入率差异控制在±2％。
本发明还公开了一种类矩形盾构正面土压力平衡控制方法，采用类矩形盾构正面土压力平衡控制系统；所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法包括步骤：
在掘进过程中，利用土压力传感器实施监测类矩形盾构机的土仓的实时土压力值，并将监测到的实时土压力值反馈至监测主机；
监测主机在接收到所述实时土压力值后，将所述实时土压力值与预设的控制参数进行比较，并根据比较结果向类矩形盾构机的螺旋机、土压补偿装置的推进油缸及土体改良装置的注浆设备发送控制信号，螺旋机、推进油缸及注浆设备在接收到所述控制信号后对类矩形盾构机的正面土压力平衡进行控制。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法进一步的改进在于，在所述监测主机内设置与所述土压力传感器通信连接的阈值比较模块和差值比较模块，所述控制参数包括设于所述阈值比较模块中的土压力的设定阈值和设于所述差值比较模块中的土压力的设定差值；所述设定阈值根据盾构土层、隧道埋深计算确定；对称分布于所述土仓顶部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于所述土仓中部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法进一步的改进在于，将所述螺旋机与所述阈值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将所述实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力值大于所述设定阈值时向所述螺旋机发送提高转速的控制信号，在所述实时土压力值小于所述设定阈值时向所述螺旋机发送降低转速的控制信号；
将所述螺旋机与所述差值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定差值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，向实时土压力值高一侧对应的螺旋机发送提高转速的控制信号和/或向实时土压力值低一侧对应的螺旋机发送降低转速的控制信号。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法进一步的改进在于，将所述推进油缸与所述阈值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将所述实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力值小于所述设定阈值时向所述推进油缸发送向土仓内推进的控制信号，在所述实时土压力值大于所述设定阈值时向所述推进油缸发送向土仓外收缩的控制信号；
将所述推进油缸与所述差值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，向实时土压力值低一侧对应的推进油缸发送向土仓内推进的控制信号和/或向实时土压力值高一侧对应的推进油缸发送向土仓外收缩的控制信号。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法进一步的改进在于，还包括：
将多个改良区域对称布置在所述土仓的类矩形断面范围内，并与邻近的所述土压力传感器相对应；在所述监测主机内设置与所述土压力传感器通信连接的区域比较模块和对称比较模块，在所述区域比较模块中设置土压力的设定区域改良值，在所述对称比较模块中设置土压力的设定对称改良值；
将注浆设备与所述区域比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将位于所述土仓两侧的所述土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述区域比较模块中的设定区域改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定区域改良值时，向实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备发送增加泥浆注入率的控制信号；
将注浆设备与所述对称比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实施土压力值的差值与所述对称比较模块中的设定对称改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定对称改良时，向实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备发送注入水的控制信号。
所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法进一步的改进在于，所述设定区域改良值为0.1MPa，所述设定对称改良值为0.3MPa，改良后的实时土压力值的差值小于0.1MPa，且多个改良区域内注浆设备的注入率差异控制在±2％。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：通过土压力监测装置实时监测类矩形盾构机的土仓内的土压力值，根据监测到的实时土压力值利用土压补偿装置及土体改良装置配合螺旋机的转速控制对掘进过程中的类矩形盾构正面土压力平衡进行协同控制，解决了类矩形盾构土压力波动大、控制困难的难题，实现了类矩形盾构土压平衡模式下的成功掘进与质量控制。
附图说明
图1为本发明类矩形盾构正面土压力平衡控制系统的土仓内土压力传感器的布置示意图。
图2为本发明类矩形盾构正面土压力平衡控制系统的土仓内螺旋机的出土口的布置示意图。
图3为本发明类矩形盾构正面土压力平衡控制系统的推进活塞的布置示意图。
图4为本发明类矩形盾构正面土压力平衡控制系统的推进油缸的推进过程示意图。
图5为本发明类矩形盾构正面土压力平衡控制系统的土仓内的改良区域的布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统主要由土压力监测装置、土压补偿装置及土体改良装置构成，通过土压力监测装置实时监测类矩形盾构机的土仓内的土压力值，根据监测到的实时土压力值利用土压补偿装置及土体改良装置配合螺旋机的转速控制对掘进过程中的类矩形盾构正面土压力平衡进行协同控制，以解决类矩形盾构土压力波动大、控制困难的难题，实现类矩形盾构土压平衡模式下的成功掘进与质量控制。
参阅图1和图2所示，土压力监测装置包括监测主机及与监测主体通信连接的多个土压力传感器，监测主机内预设有控制参数，多个土压力传感器对称分布于类矩形盾构机的土仓11的顶部两侧、中部两侧及底部两侧，构成以类矩形盾构机的短轴为对称轴的对称分布的多对土压力传感器。在本实施例中，土压力传感器的布置如图1所示，在土仓的顶部两侧对称设置一对土压力传感器：土压力传感器1#和土压力传感器2#；在土仓的中部两侧对称设置一对土压力传感器：土压力传感器3#和土压力传感器4#；在土仓的底部两侧对称设置一对土压力传感器：土压力传感器5#和土压力传感器6#。由于土压力传感器1#和土压力传感器2#位于土仓11承受主要压力的顶部两侧，因此以读取土压力传感器1#和土压力传感器2#的实时土压力值为主，而土压力传感器3#和土压力传感器4#位于土仓11承受次要压力的中部两侧，所以以读取土压力传感器3#和土压力传感器4#的实时土压力值为辅，分布于土仓内的多个土压力传感器在盾构掘进或停止过程中负责实时感应盾构土仓内的土压力值，并将感应到的土压力值即时传输至监测主机内。
在监测主机内设有与多个土压力传感器通信连接的阈值比较模块和差值比较模块。配合图2所示，对应于类矩形盾构机中两个扭矩刀盘12的两个螺旋机的出土口7#和出土口8#分别位于土仓11的底部两侧位置，对称分布于土仓11底部两侧的土压力传感器5#和土压力传感器6#位于两螺旋机的出土口7#和出土口8#的外侧。类矩形盾构机两侧的螺旋机与监测主机内的阈值比较模块和差值比较模块通信连接。
为控制类矩形盾构开挖面土压力平衡，在第一阈值比较模块中设有土压力的设定阈值，该设定阈值根据盾构土层、隧道埋深计算确定，用于将压力传感器监测到的实时土压力值与设定阈值进行比较，在实时土压力值大于设定阈值时提高螺旋机的转速，使螺旋机加速排土，达到降低实时土压力值的目的；反之，在实时土压力值小于设定阈值时降低螺旋机的转速。
为控制类矩形盾构推进轴线的控制，在差值比较模块中设有土压力的设定差值，用于将每对对称分布的土压力传感器(土压力传感器1#和土压力传感器2#为一对、土压力传感器3#和土压力传感器4#为一对、土压力传感器5#和土压力传感器6#为一对)监测到的实时土压力值的差值与设定差值进行比较，在实时土压力值的差值大于设定差值时，提高实时土压力值高一侧对应的螺旋机的转速和/或降低实时土压力值低一侧对应的螺旋机的转速。其中，对称分布于土仓顶部两侧的土压力传感器1#和土压力传感器2#在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，且土压力传感器1#和土压力传感器2#在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于土仓中部两侧的土压力传感器3#和土压力传感器4#在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，且土压力传感器3#和土压力传感器4#在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。比如，土压力传感器1#或土压力传感器3#土压力值超过土压力的设定阈值过大，导致土压力差值过大，则提高相应侧(左侧)螺旋机转速。
参阅图3、图4所示，土压补偿装置包括设于土仓两侧的推进油缸9#和推进油缸10#，推进油缸9#和推进油缸10#分别与土压力监测装置的监测主机通信连接。
推进油缸9#和推进油缸10#分别与监测主机内的阈值比较模块通信连接，用于将土压力传感器监测到的实时土压力值与阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在实时土压力值小于设定阈值时推进推进油缸9#和推进油缸10#，在实时土压力值大于设定阈值时收缩推进油缸9#和推进油缸10#。在盾构掘进过程中，或盾构停止过程中，一旦发生土压力值下降，开挖面面临失稳风险，可开启土压补偿装置，其原理为：推进土压补偿装置的推进油缸至土仓内，随着推进油缸逐步顶至土仓内，减少了土仓内空间，推进油缸顶进过程中挤压周边土体，从而实现土压力的提高及稳定。
推进油缸9#和推进油缸10#分别与监测主机内的差值比较模块通信连接，用于将左右对称分布的每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值(土压力传感器1#与土压力传感器2#的差值、土压力传感器3#与土压力传感器4#的差值、土压力传感器5#与土压力传感器6#的差值)与设定差值进行比较，在实时土压力值的差值大于设定差值时，推进实时土压力值低一侧对应的推进油缸和/或收缩实时土压力值高一侧对应的推进油缸，实现减小土压力差，平衡正面土压力的作用。其中，对称分布于土仓顶部两侧的土压力传感器1#和土压力传感器2#在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，且土压力传感器1#和土压力传感器2#在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于土仓中部两侧的土压力传感器3#和土压力传感器4#在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，且土压力传感器3#和土压力传感器4#在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。
再参阅图5所示，土体改良装置包括对称分布于土仓内的多个改良区域以及用于对多个改良区域分别进行注浆的注浆设备，其中注浆设备与监测主机通信连接。在本实施例中，土仓内包括8个改良区域，分别布置在土仓内矩形断面范围内，并与邻近的土压力传感器相对应，具体布置示意图如图5所示，8个改良区域包括：位于类矩形盾构机中部左上侧的第一改良区域Q1，该第一改良区域Q1可与土仓内的土压力传感器1#、土压力传感器3#对应；位于类矩形盾构机中部左下侧的第二改良区域Q2，该第二改良区域Q2可与土仓内的土压力传感器3#、土压力传感器5#对应；与第一改良区域Q1以类矩形盾构的短轴相对称的第三改良区域Q3，该第三改良区域Q3可与土仓内的土压力传感器2#、土压力传感器4#对应；与第二改良区域Q2以类矩形盾构的短轴相对称的第丝改良区域Q4，该第四改良区域Q4可与土仓内的土压力传感器4#、土压力传感器6#对应；位于类矩形盾构机的顶部的第五改良区域Q5，该第五改良区域Q5可与土压力传感器1#、土压力传感器2#对应；与第五改良区域Q5对称且位于类矩形盾构机的底部的第六改良区域Q6，该第六改良区域Q6可与土压力传感器5#、土压力传感器6#对应；位于类矩形盾构机左侧的第七改良区域Q7，该第七改良区域Q7可与土压力传感器3#对应；与第七改良区域Q7对称且位于类矩形盾构机右侧的第八改良区域Q8，该第八改良区域Q8可与土压力传感器4#对应。各土体改良区域内的注浆设备可实现单独控制，实现土仓内全断面改良，确保各区域内土质均匀、土压力均衡。
监测主机内设有与注浆设备通信连接的区域比较模块和对称比较模块。
区域比较模块中设有土压力的设定区域改良值，该设定区域改良值一般为0.1MPa，用于将位于土仓两侧的土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与设定区域改良值进行比较，在实时土压力值的差值大于等于设定区域改良值时，增加实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备的膨润土泥浆的注入率，同时保证多个改良区域的注入率差异控制在±2％，直至每个土压力传感器的实时土压力值<0.1MPa为止。比如，当某一区域土压力出现异常，左右类矩形盾构机左右两侧的土压力差异达0.1MPa以上时，适当增加土压力值较大一侧的扭矩刀盘后土仓内(区域1、区域2、区域7为右部土压力区域，区域3、区域4、区域8为左部土压力区域)膨润土泥浆的注入率，注入率差异控制在±2％，直至土压力差异<0.1MPa为止。
对称比较模块中设有土压力的设定对称改良值，该设定对称改良值一般为0.3MPa，用于将每对对称分布的土压力传感器监测到的实施土压力值的差值与设定对称改良值进行比较，在实施土压力值的差值大于等于设定对称改良时，通过注浆设备对实时土压力值高一侧对应的改良区域内注入水进行改良。比如：当某一个改良区域对应的土压力传感器的土压力出现异常，与对称改良区域对应的土压力传感器的土压力差异达0.3MPa以上时，对土压力对应改良区域土仓内注入水改良，直至土压力差异<0.1MPa为止。
本发明采用上述的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统进行土压力平衡控制的方法如下，包括：
在掘进过程中，利用土压力传感器实施监测类矩形盾构机的土仓的实时土压力值，并将监测到的实时土压力值反馈至监测主机；
监测主机在接收到实时土压力值后，将实时土压力值与预设的控制参数进行比较，并根据比较结果向类矩形盾构机的螺旋机、土压补偿装置的推进油缸及土体改良装置的注浆设备发送控制信号，螺旋机、推进油缸及注浆设备在接收到控制信号后对类矩形盾构机的正面土压力平衡进行控制。
进一步，在监测主机内设置与土压力传感器通信连接的阈值比较模块和差值比较模块，控制参数包括设于阈值比较模块中的土压力的设定阈值和设于差值比较模块中的土压力的设定差值；设定阈值根据盾构土层、隧道埋深计算确定；对称分布于土仓顶部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于土仓中部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。
利用调节螺旋机转速的方式控制类矩形盾构正面土压力平衡，包括：
将螺旋机与阈值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将实时土压力值与阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在实时土压力值大于设定阈值时向螺旋机发送提高转速的控制信号，在实时土压力值小于设定阈值时向螺旋机发送降低转速的控制信号；
将螺旋机与差值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与差值比较模块中的设定差值进行比较，在实时土压力值的差值大于设定差值时，向实时土压力值高一侧对应的螺旋机发送提高转速的控制信号和/或向实时土压力值低一侧对应的螺旋机发送降低转速的控制信号。
利用推进油缸进行土压补偿的方式控制类矩形盾构正面土压力平衡，包括：
将推进油缸与阈值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将实时土压力值与阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在实时土压力值小于设定阈值时向推进油缸发送向土仓内推进的控制信号，在实时土压力值大于设定阈值时向推进油缸发送向土仓外收缩的控制信号；
将推进油缸与差值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与差值比较模块中的设定阈值进行比较，在实时土压力值的差值大于设定差值时，向实时土压力值低一侧对应的推进油缸发送向土仓内推进的控制信号和/或向实时土压力值高一侧对应的推进油缸发送向土仓外收缩的控制信号。
利用改良区域进行土体改良的方式控制类矩形盾构正面土压力平衡，包括：
将多个改良区域对称布置在土仓的类矩形断面范围内，并与邻近的土压力传感器相对应；在监测主机内设置与土压力传感器通信连接的区域比较模块和对称比较模块，在区域比较模块中设置土压力的设定区域改良值，在对称比较模块中设置土压力的设定对称改良值；
将注浆设备与区域比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将位于土仓两侧的土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与区域比较模块中的设定区域改良值进行比较，在实时土压力值的差值大于等于设定区域改良值时，向实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备发送增加泥浆注入率的控制信号；
将注浆设备与对称比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实施土压力值的差值与对称比较模块中的设定对称改良值进行比较，在实时土压力值的差值大于等于设定对称改良时，向实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备发送注入水的控制信号。
其中，设定区域改良值为0.1MPa，设定对称改良值为0.3MPa，改良后的实时土压力值的差值小于0.1MPa，且多个改良区域内注浆设备的注入率差异控制在±2％。
本发明通过土压力监测装置实时监测类矩形盾构机的土仓内的土压力值，根据监测到的实时土压力值利用土压补偿装置及土体改良装置配合螺旋机的转速控制对掘进过程中的类矩形盾构正面土压力平衡进行协同控制，解决了类矩形盾构土压力波动大、控制困难的难题，实现了类矩形盾构土压平衡模式下的成功掘进与质量控制。
以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种类矩形盾构正面土压力平衡控制系统，其特征在于，包括：
土压力监测装置，包括与类矩形盾构机内部两侧的螺旋机通信连接的监测主机，以及对称分布于类矩形盾构机的土仓的顶部两侧、中部两侧和底部两侧的多对土压力传感器，所述监测主机内预设有控制参数，所述土压力传感器与所述监测主机通信连接；
土压补偿装置，包括设于所述土仓两侧的推进油缸，所述推进油缸与所述监测主机通信连接；
土体改良装置，包括对称分布于土仓内的多个改良区域以及用于对多个所述改良区域分别进行注浆的注浆设备，所述注浆设备与所述监测主机通信连接；
其中，所述监测主机内设有与所述土压力传感器通信连接的阈值比较模块和差值比较模块，所述控制参数包括设于所述阈值比较模块中的土压力的设定阈值和设于所述差值比较模块中的土压力的设定差值；
所述推进油缸与所述阈值比较模块通信连接，用于将所述压力传感器监测到的实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力小于所述设定阈值时推进所述推进油缸，在所述实时土压力大于所述设定阈值时收缩所述推进油缸；
所述推进油缸与所述差值比较模块通信连接，用于将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定差值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，推进实时土压力值低一侧对应的推进油缸和/或收缩实时土压力值高一侧对应的推进油缸。
2.如权利要求1所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统，其特征在于：所述设定阈值根据盾构土层、隧道埋深计算确定；对称分布于所述土仓顶部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于所述土仓中部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。
3.如权利要求2所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统，其特征在于：
所述螺旋机与所述阈值比较模块通信连接，用于将所述压力传感器监测到的实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力大于所述设定阈值时提高所述螺旋机的转速，在所述实时土压力小于所述设定阈值时降低所述螺旋机的转速；
所述螺旋机与所述差值比较模块通信连接，用于将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定差值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，提高实时土压力值高一侧对应的螺旋机的转速和/或降低实时土压力值低一侧对应的螺旋机的转速。
4.如权利要求1所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统，其特征在于：多个所述改良区域对称布置在所述土仓的类矩形断面范围内，并与邻近的所述土压力传感器相对应；所述监测主机内设有与所述土压力传感器通信连接的区域比较模块和对称比较模块，所述控制参数包括设于所述区域比较模块中的土压力的设定区域改良值和设于所述对称比较模块中的土压力的设定对称改良值；
所述注浆设备与所述区域比较模块通信连接，用于将位于所述土仓两侧的土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述区域比较模块中的设定区域改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定区域改良值时，增加实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备的注入率；
所述注浆设备与所述对称比较模块通信连接，用于将每对土压力传感器监测到的实施土压力值的差值与所述对称比较模块中的设定对称改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定对称改良值时，通过注浆设备对实时土压力值高一侧对应的改良区域内注入水进行改良。
5.一种类矩形盾构正面土压力平衡控制方法，其特征在于，采用如权利要求1～4中任意之一所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制系统；所述类矩形盾构正面土压力平衡控制方法包括步骤：
在掘进过程中，利用土压力传感器实施监测类矩形盾构机的土仓的实时土压力值，并将监测到的实时土压力值反馈至监测主机；
监测主机在接收到所述实时土压力值后，将所述实时土压力值与预设的控制参数进行比较，并根据比较结果向类矩形盾构机的螺旋机、土压补偿装置的推进油缸及土体改良装置的注浆设备发送控制信号，螺旋机、推进油缸及注浆设备在接收到所述控制信号后对类矩形盾构机的正面土压力平衡进行控制；
其中，在所述监测主机内设置与所述土压力传感器通信连接的阈值比较模块和差值比较模块，所述控制参数包括设于所述阈值比较模块中的土压力的设定阈值和设于所述差值比较模块中的土压力的设定差值；
将所述推进油缸与所述阈值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将所述实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力值小于所述设定阈值时向所述推进油缸发送向土仓内推进的控制信号，在所述实时土压力值大于所述设定阈值时向所述推进油缸发送向土仓外收缩的控制信号；
将所述推进油缸与所述差值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，向实时土压力值低一侧对应的推进油缸发送向土仓内推进的控制信号和/或向实时土压力值高一侧对应的推进油缸发送向土仓外收缩的控制信号。
6.如权利要求5所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制方法，其特征在于：所述设定阈值根据盾构土层、隧道埋深计算确定；对称分布于所述土仓顶部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.02MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa；对称分布于所述土仓中部两侧的那一对土压力传感器在直线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.05MPa，在曲线段盾构推进过程中的设定差值小于等于0.1MPa。
7.如权利要求6所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制方法，其特征在于：
将所述螺旋机与所述阈值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将所述实时土压力值与所述阈值比较模块中的设定阈值进行比较，在所述实时土压力值大于所述设定阈值时向所述螺旋机发送提高转速的控制信号，在所述实时土压力值小于所述设定阈值时向所述螺旋机发送降低转速的控制信号；
将所述螺旋机与所述差值比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述差值比较模块中的设定差值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于所述设定差值时，向实时土压力值高一侧对应的螺旋机发送提高转速的控制信号和/或向实时土压力值低一侧对应的螺旋机发送降低转速的控制信号。
8.如权利要求5所述的类矩形盾构正面土压力平衡控制方法，其特征在于，还包括：
将多个改良区域对称布置在所述土仓的类矩形断面范围内，并与邻近的所述土压力传感器相对应；在所述监测主机内设置与所述土压力传感器通信连接的区域比较模块和对称比较模块，在所述区域比较模块中设置土压力的设定区域改良值，在所述对称比较模块中设置土压力的设定对称改良值；
将注浆设备与所述区域比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将位于所述土仓两侧的所述土压力传感器监测到的实时土压力值的差值与所述区域比较模块中的设定区域改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定区域改良值时，向实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备发送增加泥浆注入率的控制信号；
将注浆设备与所述对称比较模块通信连接，监测主机在接收到实时土压力值后，将每对土压力传感器监测到的实施土压力值的差值与所述对称比较模块中的设定对称改良值进行比较，在所述实时土压力值的差值大于等于所述设定对称改良时，向实时土压力值高一侧对应的改良区域内的注浆设备发送注入水的控制信号。
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