CN109540018B - 一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，该装置由固定在防护箱内安装板上的推杆电机、H桥电路、ARM芯片和电源模块，固定于电机推杆的激光雷达，嵌于防护箱侧壁的便携式WIFI模块等硬件部分，以及为此装置编写的控制程序和通讯协议等软件部分组成，并通过信号处理等技术和曲线拟合算法对测量数据进行过滤，重现围岩断面形状。箱体利用两侧挂耳嵌于护盾内壁，激光雷达通过推动箱体顶部钢化玻璃探出护盾进行测量。本发明能够实时获取精确的围岩变化曲线，对围岩挤压变形造成的盾构机卡机进行监测预警，减少由于卡机带来的巨大经济损失。该装置装配拆解方便，整体体积较小，采用无线传输的方式，适用于各种复杂的地质环境。

Description

一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置
技术领域
本发明涉及一种盾构机护盾区域围岩变形情况监测装置，具体涉及一种基于激光雷达的双护盾式盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置。
技术背景
盾构掘进机是隧道、地铁建设的大型装备。其中护盾式盾构机在土质疏松的高地应力软弱围岩洞室内的应用尤为广泛。在隧道挖掘过程中，护盾式盾构机护盾区域围岩会随着掘进发生变形，当变形达到一定程度且作用在护盾处的围岩应力引起的阻力超过了盾构机的脱困推力，就会导致盾构机护盾卡死，造成卡机事故。因此，护盾式盾构机开挖隧道，主要面临的问题是隧道围岩稳定性能否确保盾构机正常掘进，避免出现卡机、埋机等事故。围岩的变形除了可能会造成卡机事故外也会危及施工人员安全。在施工过程中实时监测护盾区域的围岩变形情况，已成为国内外掘进装备生产商竞相开发的核心技术。
加强支护监测是避免高地应力软弱围岩洞室发生卡机事故的重要环节之一。围岩收敛变形监测不仅是支护监测的重要内容，而且也是评价围岩稳定性、提供二次支护最佳时间段以及确定围岩变形破坏关键部位的重要信息来源。临时量测隧洞围岩周边位移相对变化的手段有很多，多采用人工测量的方式，目前主要有两种：收敛计法和全站仪法。收敛计法是日常用得最多的监测方法，它通过收敛计的张力调节器调节张紧的钢尺来读取位移。早期的收敛计通过百分表来测读隧洞周边某两点的相对位移变化，现在大多采用数字显示器测读。这种量测方法简单、方便、灵活、投资小，但需要人工拉尺读数，效率相对较低，测量结果容易受人为因素影响，量测结果精度不高，当条件恶劣、隧道跨度大、地
形复杂时，该方法就难以适用。
除收敛计法外，目前一些国家在隧道及地下工程中。利用全站仪自由设站进行围岩净空位移观测.利用这项技术可自动采集隧道围岩净空位移的外业量测数据。通过计算机对数据进行自动分析处理拼以准确、直观的图形或报表形式将数据分析结果输出及时为围岩稳定性判断和指导施工提供数据依据。这种方法是目前隧洞开挖中很好的监控量测手段。
但以上传统的测量方式只能获得盾构机后方已掘进的围岩数据，无法对当前盾构机护盾的围岩数据进行实时采集，当前围岩变形数据只能通过人工方式采集，但由于采用双护盾式盾构机施工，护盾处围岩被机械和管片隔离，施工人员不能直接的获取隧道围岩的地质情况以及整体的变形情况，因此，通过自动监测装置获取数据是理想的解决方案，本发明的提出可以很好的解决上述难题。
发明内容
本发明旨在利用新兴的技术手段解决双护盾式盾构机护盾处围岩变形的监测问题，该用于双护盾式盾构机护盾处围岩变形的监测装置具有实时性好、安装便捷，远程无线操作、对施工进程的干扰较小等优点。
本发明的具体技术方案如下：
一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块通过防护机箱两边挂耳固定在双护盾式盾构护盾的内壁；内壁开与钢化玻璃盖板尺寸相同的孔，数据采集模块与上位机连接；。
在上述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，所述数据采集模块包括激光雷达、推杆电机、H桥电路、电源模块、ARM芯片、便携WIFI模块、导杆、直线轴承、U型导轨、钢化玻璃盖板与防护机箱；激光雷达与推杆电机通过推杆连接头和雷达连接板连接，推杆连接头利用外螺纹与推杆电机的推杆组合；推杆电机通过电机固定板固定在机箱安装板上。
在上述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，激光雷达通过其底座的4个M3螺纹孔与雷达连接件利用螺丝固定，同时，利用其侧面螺纹孔与雷达定位板连接，通过安装雷达定位板，进一步防止雷达连接板以螺丝为轴发生转动；雷达定位板与推杆连接头的L型槽共同对雷达连接件进行定位；雷达连接件与推杆连接头通过螺丝和其配套的锁死螺母固定，推杆连接头与螺丝间装有垫圈增加密封和防滑性。
在上述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，顶板的中部与激光雷达正对的位置处开有与激光雷达大小相同的雷达孔，使雷达可自由探出防护箱进行测量，在该孔的四周对称装有泥沙挡板与泥沙挡板，通过螺丝固定，防止当雷达探出机箱时，机箱失去密封性，使泥沙流入机箱内部。
在上述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，在顶板雷达孔的上方装有钢化玻璃盖板，钢化玻璃盖板通过通孔与四根导杆相连，导杆与直线轴承的组合，使钢化玻璃盖板在竖直方向自由移动，直线轴承通过两侧的通孔，利用螺丝与顶板连接；在雷达的两侧对称安装雷达限位板，雷达限位板通过螺丝与顶板固定，保证激光雷达始终与雷达孔对齐；便携WIFI模块安装在防护机箱侧板，采用高强度塑料保护；ARM芯片、U型导轨、H桥电路、电路转接板通过螺丝固定在安装板上，电源模块通过U型导轨固定。
在上述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，防护机箱整体利用机箱左板和右侧板的挂耳与盾构机护盾内壁通过螺丝固定，激光雷达正上方的护盾上开与钢化玻璃板大小相同的孔；计算机以及相应的局域网路由器安装在盾构机后方操作室。
在上述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，上位机包括计算机、数据显示模块，数据处理存储模块、数据接收模块、控制模块，和局域网服务器组成；其中控制模块与数据接收模块根据通讯协议利用局域网服务，与数据采集模块进行指令和数据的交互，数据存储模块对接收到的数据进行解码，过滤和处理，并存储在计算机中，数据显示模块对处理后的数据进行显示，为专业人员提供分析判断的依据。
本发明主要通过激光测距技术、无线通讯技术与相应的软件的配合来代替人工检测工作。其特点和有益效果是，能够实时获取传统方式无法监测的双护盾式盾构机护盾区域围岩的收敛变形情况，而不影响施工的正常进行。从而有效的减少或避免由于围岩变形导致的卡机事故造成的经济损失和人身伤亡。由于可以及时的获取护盾区域围岩情况，可有效的保障掘进的可靠性。
附图说明
图1是盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置的数据采集模块整体结构示意图。
图2是激光雷达与升降装置的组装图。
图3是激光雷达与升降装置连接件的局部结构图。
图4是数据采集模块的防护机箱顶板的组装结构图。
图5是检测装置在盾构机护盾的布置示意图。
图6是数据采集模块结构示意图。
图7是上位机系统组成示意图。
图8是检测装置测量原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施示例对本发明做进一步的描述说明。需要说明的是，本实施示例是叙述性的，而不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一、首先介绍本发明的结构原理，本发明主要包括三部分，分别是：
第一部分为数据采集模块，主要由防护机箱、推杆电机、H桥电路、激光雷达、电源模块、下位机ARM芯片组成；
第二部分为通讯交互模块，主要由便携式WIFI模块、局域网路由器以及相关通讯协议组成；
第三部分为软件处理部分，由为此系统编写的特定控制软件和连入局域网的计算机组成，软件运行环境为Windows XP系统及更高版本。
本发明所述的第一部分的作用是采集围岩距离数据。激光雷达固定在推杆电机的推杆处如图1，通过由推杆电机构成的升降平台，激光雷达可以探出防护箱内部，对围岩距离信息进行测量，并将数据信息存储于下位机ARM芯片内。防护箱的顶板开有与雷达尺寸大小相同的方形孔如图1，孔的两短边对称装有4根导杆如图1，导杆与钢化玻璃盖相连如图1，使钢化玻璃盖可在竖直方向的一定范围内自由移动，钢化玻璃盖在雷达处于箱体内部时对雷达起密封和保护作用。装置整体嵌入盾构机护盾内侧，盾构机护盾需开与机箱顶板大小相同的孔，使得雷达可以直接探出护盾。
本发明所述的第二部分起到上位机电脑和下位机数据采集模块通讯，数据传输的作用。该部分主要由便携式WIFI模块和局域网路由器组成。WIFI模块通过路由器连入局域网，与上位机电脑进行通讯。
本发明所述第三部分的主要作用是接收，存储和处理由数据采集模块采集的数据，数据采集模块通过WIFI模块根据通讯协议将数据传递至计算机。同时，上位机根据通讯协议向数据采集模块发送控制指令，控制模块的采集过程。接收到的数据通过成熟的滤波算法进行过滤，过滤后的数据点经过曲线拟合算法，拟合出围岩断面的曲线，进过专业的人员对曲线进行分析和评估，对可能发生的卡机事故进行预测和防范。
二、下面是介绍本发明的一个具体实施案例，主要包括第一节，激光雷达与升降装置的装配
如图2所示，激光雷达8与推杆电机17通过推杆连接头23和雷达连接板15连接，推杆连接头23利用外螺纹与推杆电机17的推杆24组合。推杆电机17通过电机固定板26固定在机箱安装板12上。25为推杆电机的电机。
其中激光雷达8与推杆电机17连接的细节图如图3所示，激光雷达8通过其底座的4个M3螺纹孔与雷达连接件15利用螺丝固定，同时，利用其侧面螺纹孔与雷达定位板29连接，通过安装雷达定位板29，可以进一步防止雷达连接板15以螺丝22为轴发生转动。雷达定位板29与推杆连接头23的L型槽共同对雷达连接件15进行定位。雷达连接件15与推杆连接头23通过螺丝22和其配套的锁死螺母27固定，推杆连接头23与螺丝22间装有垫圈28增加密封和防滑性。
第二节：防护机箱顶板的装配
由于数据采集模块中的激光雷达在进行数据采集时需要探出机箱内部，如图4所示为为防护机箱的顶板结构示意图，其中顶板3的中部与激光雷达8正对的位置处开有与激光雷达8大小相同的雷达孔，使雷达8可自由探出防护箱进行测量，在该孔的四周对称装有泥沙挡板4与泥沙挡板9，通过螺丝固定，可防止当雷达8探出机箱时，机箱失去密封性，使泥沙流入机箱内部。在顶板雷达孔的上方装有钢化玻璃盖板7，钢化玻璃盖板7通过通孔与四根导杆5相连，导杆5与直线轴承16的组合，使钢化玻璃盖板7可在竖直方向自由移动，直线轴承16通过两侧的通孔，利用螺丝与顶板3连接。为防止激光雷达8在探出机箱的过程中，由于推杆电机的推杆24发生的细微自转导致激光雷达与雷达孔发生相对偏转，因此，在雷达的两侧对称安装雷达限位板14，雷达限位板14通过螺丝与顶板固定，保证激光雷达8始终与雷达孔对齐。此外，便携WIFI模块32安装在防护机箱侧板，采用高强度塑料保护。ARM芯片20、U型导轨11、H桥电路19、电路转接板21通过螺丝固定在安装板12上，电源模块18通过U型导轨11固定。
第三节：检测装置在盾构机护盾的布置
如图5所示，防护机箱整体33利用机箱左板1和右侧板10的挂耳与盾构机护盾内壁通过螺丝固定，护盾上(激光雷达8正上方)开与钢化玻璃板7大小相同的孔。计算机30以及相应的局域网路由器31安装在盾构机后方操作室。
第四节：数据采集模块和上位机系统的组成
如图6所示，数据采集模块主要由主控芯片ARM、WIFI通讯模块、H桥电路，推杆电机、激光雷达组成，其中ARM芯片负责控制协调各个模块的工作，WIFI通讯模块负责与上位机的交互，ARM芯片通过向H桥电路提供高低电平，控制推杆电机的上下移动，激光雷达负责采集围岩的原始数据，采集到的数据通过WIFI模块发送到上位机系统。
上位机系统如图7所示，主要由计算机、数据显示模块，数据处理存储模块、数据接收模块、控制模块，和局域网服务器组成。其中控制模块与数据接收模块根据通讯协议利用局域网服务，与数据采集模块进行指令和数据的交互，数据存储模块对接收到的数据进行解码，过滤和处理，并存储在计算机中，数据显示模块对处理后的数据进行显示，为专业人员提供分析判断的依据。
第五节：测量原理
如图8所示，激光雷达8探出护盾，测量点u(x，y)到雷达的距离为L，角度为θ，雷达探出的高度为H，坐标原点距离监测装置为s，由此，便可求得测量点u(x，y)的坐标：
ux＝s+L·sinθ
uy＝H+L·cosθ
根据一系列坐标点，便可绘制出围岩断面曲线。
第六节：软件流程及通讯协议
控制软件流程为：首先用户需要通过账户和密码登录，登陆后会自动进行测试，确保与数据采集模块连接成功，无误后进入工作模式。进入工作模式后，操作人员可根据需求控制数据采集模块的状态。以自动采集模式为例，操作人员输入需要采集的次数(激光雷达默认每次采集获取两圈的数据)，控制软件会将推杆电机上升、激光雷达开启、采集次数、激光雷达关闭、推杆电机下降等控制命令进行组合，通过通讯协议编码后发送到数据采集模块，数据采集模块的ARM芯片根据命令控制其他模块完成相应的操作。由控制软件发出的控制命令会存储在数据采集模块的控制列表尾部，按照先入先出的原则，数据采集模块会优先执行靠前的命令。如果遇到需要紧急处理的命令，则需要先发送终止命令取消当前所有任务。由于数据采集模块的ARM主控芯片存储空间有限，激光雷达采集的数据以每256bit字节为一个数据包通过WIFI模块实时发送到计算机，由计算机的数据处理模块处理后，处理结果以日期为抬头自动保存为Excel表格，便于后期的围岩断面曲线的绘制，研究人员也可根据日期，轻松获取某一天的数据。
通讯协议：根据监测装置的需求，本发明设定了适用于该装置的通讯协议，由计算机向数据采集模块发送的控制命令均以“A5”为头，后拼接相应数字对应相应控制指令，操作人员可根据需求进行扩充。由数据采集模块向计算机发送的命令以“5A”为头，后拼接相应的响应信息。其中，测量数据的发送分为两步，先向计算机发送数据请求“5A06”，之后以“5A”为头后拼接256bit数据信息发送到计算机。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围.
尽管本文较多的使用了防护机箱左侧板1、防护机箱后板2,、防护机箱顶板，泥沙挡板4、导杆5、泥沙挡板9、钢化玻璃盖板7、激光雷达8、防护机箱右侧板10、U型导轨11、安装板12、雷达限位板14、直线轴承16、H桥电路19、电源模块18、推杆连接头23、推杆电机的推杆24、电路转接板21等术语。但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块通过防护机箱两边挂耳固定在双护盾式盾构护盾的内壁；内壁开与钢化玻璃盖板尺寸相同的孔，数据采集模块与上位机连接；所述数据采集模块包括激光雷达、推杆电机、H桥电路、电源模块、ARM芯片、便携WIFI模块、导杆、直线轴承、U型导轨、钢化玻璃盖板与防护机箱；激光雷达与推杆电机通过推杆连接头和雷达连接板连接，推杆连接头利用外螺纹与推杆电机的推杆组合；推杆电机通过电机固定板固定在机箱安装板上；
顶板的中部与激光雷达正对的位置处开有与激光雷达大小相同的雷达孔，使雷达可自由探出防护箱进行测量，在雷达孔的四周对称装有泥沙挡板，通过螺丝固定，防止当雷达探出机箱时，机箱失去密封性，使泥沙流入机箱内部；
在顶板雷达孔的上方装有钢化玻璃盖板，钢化玻璃盖板通过通孔与四根导杆相连，导杆与直线轴承的组合，使钢化玻璃盖板在竖直方向自由移动，直线轴承通过两侧的通孔，利用螺丝与顶板连接；在雷达的两侧对称安装雷达限位板，雷达限位板通过螺丝与顶板固定，保证激光雷达始终与雷达孔对齐；便携WIFI模块安装在防护机箱侧板，采用高强度塑料保护；ARM芯片、U型导轨、H桥电路、电路转接板通过螺丝固定在安装板上，电源模块通过U型导轨固定。
2.根据权利要求1所述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，其特征在于，激光雷达通过其底座的4个M3螺纹孔与雷达连接件利用螺丝固定，同时，利用其侧面螺纹孔与雷达定位板连接，通过安装雷达定位板，进一步防止雷达连接板以螺丝为轴发生转动；雷达定位板与推杆连接头的L型槽共同对雷达连接件进行定位；雷达连接件与推杆连接头通过螺丝和其配套的锁死螺母固定，推杆连接头与螺丝间装有垫圈增加密封和防滑性。
3.根据权利要求1所述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，其特征在于，防护机箱整体利用机箱左板和右侧板的挂耳与盾构机护盾内壁通过螺丝固定，激光雷达正上方的护盾上开与钢化玻璃板大小相同的孔；计算机以及相应的局域网路由器安装在盾构机后方操作室。
4.根据权利要求1所述的一种盾构机护盾区域围岩收敛变形实时监测装置，其特征在于，上位机包括计算机、数据显示模块，数据处理存储模块、数据接收模块、控制模块，和局域网服务器组成；其中控制模块与数据接收模块根据通讯协议利用局域网服务，与数据采集模块进行指令和数据的交互，数据存储模块对接收到的数据进行解码，过滤和处理，并存储在计算机中，数据显示模块对处理后的数据进行显示，为专业人员提供分析判断的依据。
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