CN109707385B - 盾构施工智能同步注浆控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种盾构施工智能同步注浆控制方法，是通过盾构第n环单环出土质量和同步注浆量计量结果，取得同步浆液充填系数及注浆泵的单次实际注浆量，并基于第n环所得同步浆液充填系数值、单次实际注浆量以及第n+1环施工过程中时间内的盾构出土质量，重新计算目标同步注浆量，进而控制调节注浆泵单位时间内的冲程数；本发明提出了精准的盾构出土质量计量、同步注浆量计量，并通过控制系统达到精准调节注浆泵的冲程数，实现了以盾构出土质量为追踪目标的地层“零”损失智能同步注浆控制。

Description

盾构施工智能同步注浆控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种土木施工方法，尤其涉及一种盾构施工智能同步注浆控制方法及控制系统。

背景技术

盾构隧道技术的诞生已近200年历史，其以施工速度快、环境影响小、机械化程度高等优点成为城市交通隧道施工方法的首选。同步注浆系统是盾构机的重要组成部分，盾构掘进过程中，同步注浆泵以一定的压力通过注浆管向管片脱出盾尾后产生的建筑空隙内及时、充分的填充浆液，从而有效控制地层变形，稳定隧道结构。

早期盾构同步注浆以设定注浆压力为控制目标，由于设定压力与实际工况存在较大差异，工程实践中经常发生超量或者欠量注浆的情况，影响地层稳定。此后，盾构同步注浆改进为以注浆量为主、注浆压力为辅的“双控”模式，即：①注浆量；技术人员结合实际工况条件确定同步注浆率，同步注浆率与理论建筑空隙的乘积为同步注浆量。注浆过程中，浆液实际注入量以注浆泵的冲程数作为参考，注浆快慢与盾构推进速度相关联，盾构推进速度越快，单位时间内注浆泵活塞运动次数就越多，注入的浆液量就越大。②注浆压力；“双控”模式下设定注浆压力的上、下限值，使得同步浆液能克服管道摩阻力和地层阻力充分的填充建筑空隙，注浆压力是同步注浆量的保证措施。

然而，现有技术在浆液注入量设定值的正确性、同步浆液注入时刻的匹配性、浆液实际注入计量的准确性等方面存在不足，甚至是缺陷。究其原因，同步注浆率的选择具有经验性，不能准确反映土质情况、盾构超欠挖、纠偏等因素的影响；再者，浆液注入时刻依照千斤顶行程而定，没有关联盾构出土量；最后，浆液粘滞性影响注浆泵活塞腔内的真空度，注浆泵运动次数的计量方法难以保证计量的准确性。

中国发明专利ZL201010533472.5提出了超大直径盾构同步注浆量与注浆压力的标定方法，为盾构同步注浆的“双控”提供了依据；中国发明专利ZL201210030158.4提出利用光纤光栅传感与光纤通讯的方式对盾构隧道掘进施工中管片壁后同步注浆过程的多个控制参量进行实时监测，通过管片注浆侧的孔隙水压力、土压力等参数的实时监测结果进行注浆压力的调整。但这些方法都没能克服传统同步注浆方法的不足，更无法实现盾构的智能同步注浆。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种盾构施工智能同步注浆控制方法。

本发明主要提供了一种盾构施工智能同步注浆控制方法，包括以下步骤：

通过盾构第n环单环出土质量和同步注浆量计量结果，取得同步浆液充填系数，利用激光测距仪动态监测浆桶中的浆液液位以及冲程数取得注浆泵的单次实际注浆量；

基于第n环所得同步浆液充填系数值、单次实际注浆量以及第n+1环施工过程中该段时间内的盾构出土质量，重新计算目标同步注浆量，进而控制调节注浆泵单位时间内的冲程数，以实时、准确的控制同步注浆量。

较佳的是，所述的盾构施工智能同步注浆控制方法，当盾构机的加压平衡方式为土压平衡盾构时，盾构出土质量是通过加装在皮带机上的皮带秤实时称重获得，同时在门式起重机的吊钩上加装一套吊钩秤对土箱内的渣土进行称重，以获得盾构的单环出土质量。

较佳的是，所述的盾构施工智能同步注浆控制方法，当盾构机的加压平衡方式为泥水平衡盾构时，盾构出土质量及单环出土质量是通过泥水循环系统将盾构切削的渣土运输到地面泥水处理系统，在该段时间内进、排泥流量与密度乘积的差值，进、排泥流量由流量计测量，进、排泥密度通过密度计测得。

本发明亦提供了一种应用前述方法的盾构施工智能同步注浆控制系统，其特征在于，包括：

一数据采集模块，包括有传感器和用于传递从传感器所搜集数据的传输线路；

一数据存储模块，电性连接所述的数据采集模块并进行盾构单环出土质量、同步注浆量、同步浆液充填系数、注浆泵的单次实际注浆量的数据存储和运算；

一命令输出模块，电性连接所述的数据存储模块，所述的命令输出模块基于在所述的数据存储模块运算的第n环所得同步浆液充填系数、注浆泵的单次实际注浆量以及第n+1环施工过程中该段时间内的盾构出土质量计算目标同步注浆量，以达到控制调节注浆泵单位时间内的冲程数的效果。

本发明所提供的盾构施工智能同步注浆控制方法及控制系统的优点在于，可以实现盾构出土质量为追踪目标的地层“零”损失，相比于以经验计算理论注浆量，以千斤顶行程控制注浆时刻，并以注浆泵运动次数计量注浆量的传统注浆方法，本发明提出了精准的盾构出土质量计量、同步注浆量计量，并通过控制系统达到精准调节注浆泵的冲程数的效果，实现了以盾构出土质量为追踪目标的地层“零”损失智能同步注浆控制。

附图说明

图1为现有的地层损失的示意图；

图2为本发明的控制方法实施同步注浆取代地层损失的示意图；

图3为本发明的土压平衡盾构计量出土质量的计量流程示意图；

图4为本发明的泥水平衡盾构计量出土质量的计量流程示意图；

图5为本发明的计量盾构浆桶的同步注浆量计量示意图；

图6为图5中区域B浆桶阴影部分面积示意图；

图7为本发明的控制系统的示意图；

图8为本发明的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明之较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

本发明的一实施例中所提供了一种盾构施工智能同步注浆控制方法及控制系统。

本发明的盾构施工智能同步注浆控制方法包括有以下步骤：

通过盾构第n环单环出土质量和同步注浆量计量结果，取得同步浆液充填系数及注浆泵的单次实际注浆量；

基于第n环所得同步浆液充填系数值、单次实际注浆量以及第n+1环施工过程中该段时间内的盾构出土质量，重新计算目标同步注浆量，进而调节注浆泵单位时间内的冲程数，以实时、准确的控制同步注浆量。

其中，如何计量出盾构出土质量、单环出土质量、同步注浆量计量、同步浆液充填系数、单次实际注浆量等重要数值，如以下分析。

(1)盾构出土质量和同步注浆量理论关系

如图1所示，地层损失是指盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差，竣工隧道体积主要是指隧道管片外围包裹的同步浆液体积。基于此，通过本发明所提出的方法，能够使同步浆液完全填充开挖断面和衬砌外径之间的空隙，使得地层损失为零。

盾构施工每环理论注浆量即为开挖断面和衬砌外径之间的空隙体积，但考虑同步浆液管道损失、浆液固结收缩、注浆泵内存在空气等因素的影响，每环实际同步注浆量一般大于理论注浆量。

如图2所示，盾构实际同步注浆量完全填充了开挖断面和衬砌外径之间的空隙，引入同步浆液充填系数α(0＜α＜1)，即认为，开挖断面和衬砌外径之间的土体体积等于实际同步注浆量与同步浆液充填系数的乘积。

因此，盾构出土质量和同步注浆量的理论关系式为：

m_s/ρ_s–lπD²/4＝αV_g (1)

式中：m_s为盾构出土质量(kg)；ρ_s为开挖面土体密度，成层土则取加权平均值(kg/m³)；l为时间t内盾构的掘进长度(m)；D为隧道衬砌外径(m)；α为同步浆液充填系数；V_g为同步注浆量(m³)。

(2)盾构出土质量的计量方法

盾构机按照开挖面的加压平衡方式可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构，其出土质量的计量方法分别为：

①土压平衡盾构

如图3所示，根据土压平衡盾构的施工原理，刀盘不断旋转切削前方土体，切削下来的渣土进入土舱，随后依靠螺旋机输送至皮带机上，再由渣土运输车拖运至盾构工作井井口。最后，地面门式起重机将土箱吊出，卸放渣土到集土坑。

盾构出土质量m_s通过加装在皮带机上的皮带秤实时称重获得，同时在门式起重机的吊钩上加装一套吊钩秤，吊钩秤对土箱内的渣土进行称重，获得盾构推进一环的出土质量m₀。利用吊钩秤所得盾构一环的出土质量对皮带秤的实时称重数据进行校准，能得到皮带秤更准确的实时出土质量，以提高后续同步注浆量的实时控制精度。

②泥水平衡盾构

如图4所示，根据泥水平衡盾构的施工原理，盾构刀具切削下来的土体进入泥水舱，泥水舱中的泥浆经由排泥管输送至地面泥水处理系统，经过泥水系统处理后的泥水新浆再由进泥管输送至盾构开挖面。泥水平衡盾构通过泥水循环系统将盾构切削的渣土运输到地面泥水处理系统，时间t内进、排泥流量与密度乘积的差值即为盾构开挖的渣土质量，即：

m_s＝(Q_oρ_o–Q_iρ_i)t (2)

式中：m_s为盾构出土质量(kg)；Q_o为排泥流量(m³/h)；ρ_o为排泥密度(kg/m³)；Q_i为进泥流量(m³/h)；ρ_i为进泥密度(kg/m³)；t为盾构掘进时间(h)。

进、排泥流量由流量计测量，进、排泥密度通过密度计测得，进而通过式(2)计算得到泥水平衡盾构的出土质量。

假设盾构单环掘进时间为t₀，则泥水盾构的单环出土质量m₀为：

m₀＝(Q_oρ_o–Q_iρ_i)t₀ (3)

(3)同步注浆量的计量和控制

根据同步注浆的操控原理，盾构掘进过程中，浆液注入量通过注浆泵的冲程数控制，且单位时间内注浆泵活塞运动越快，注浆量就越大。盾构掘进第n环时，利用激光测距仪动态监测浆桶中的浆液液位，计算时间t内的实际注浆量，同时统计该段时间内注浆泵的冲程数，即可得注浆泵的单次实际注浆量。盾构掘进第n+1环时，基于上一环注浆泵的单次实际注浆量，通过控制注浆泵单位时间内的冲程数，就可以实时、定量的控制同步注浆量。

本发明所指同步注浆量的计量方法如下：

如图5所示，根据盾构浆桶的截面形状，将浆桶分为区域A(长方形)和区域B(曲面)两部分，区域A的高度为h_a(m)，区域B的高度为h_b(m)。区域A、B对应的浆桶刻度范围分别为0～h_a、h_a～h_a+h_b，激光位移传感器采集到浆桶中浆液的初始液位刻度为h₀(m)，历时t后的液位刻度为h₁(m)，则实际注浆体积V_g计算式为：

①当0≤h₁≤h_a(液位处于区域A)时

V_g＝(h₁－h₀)×l₁×l₂ (4)

式中：l₁、l₂分别为浆桶的长(m)、宽(m)。

②当h_a≤h₁≤h_a+h_b(液位处于区域B)时

V_g＝V₁+V₂ (5)

V₁＝(h_a－h₀)×l₁×l₂ (6)

式中：V₁为区域A中的浆液体积(m³)；V₂为区域B中的浆液体积(m³)。

如图6所示，建立直角坐标系，假定浆桶底部轮廓曲线表达式为y＝f(x)，利用积分求得阴影部分面积，进而求得V₂：

故：

综合式(4)和式(8)即得：

本发明所指同步注浆量的控制方法为：

根据式(9)得到盾构单环掘进时间t₀内的实际注浆量V_g，同时统计该段时间内注浆泵的冲程数m，即可得到注浆泵的单次实际注浆量V_g0：

V_g0＝V_g/m (10)

盾构掘进下一环时，即可通过实时追踪盾构出土质量、控制注浆泵单位时间内的冲程数，以达到实时、定量控制注浆量的目的，及实现了盾构同步注浆控制的准确化和自动化，具体实施方式分为两步：

(1)第一步：同步浆液充填系数的求解(第n环施工)

通过盾构第n环单环出土质量m₀和同步注浆量V_g计量结果，求解同步浆液充填系数α，并利用地面沉降的监测结果进行修正，计算式如下：

α＝(m₀/ρ_s–wπD²/4)/V_g (11)

式中：第n环盾构出土质量m₀，土压平衡盾构由吊钩秤计量，泥水平衡盾构由式(3)计算；w为管片环宽(m)；实际注浆体积V_g由式(9)计算。

同时，根据式(10)得到注浆泵的单次实际注浆量V_g0。

(2)第二步：同步注浆量的自动控制(第n+1环施工)

基于第n环所得α值、V_g0值以及第n+1环施工过程中时间t内的盾构出土质量m_s，计算目标同步注浆量，进而调节注浆泵单位时间内的冲程数，即可实时、准确的控制同步注浆量，计算式如下：

V_g＝(m_s/ρ_s–lπD²/4)/α (12)

m＝V_g/V_g0 (13)

式中：第n+1环时间t内的盾构出土质量m_s，土压平衡盾构由皮带秤实时计量，泥水平衡盾构由式(2)计算；l为时间t内盾构的掘进长度(m)；冲程数m由注浆泵主动控制。

本发明的优点主要在于，可以实现盾构出土质量为追踪目标的地层“零”损失，相比于以经验计算理论注浆量、以千斤顶行程控制注浆时刻、以注浆泵运动次数计量注浆量的传统注浆方法，本发明提出了盾构出土质量计量、同步注浆量计量和控制等方法，实现了以盾构出土质量为追踪目标的地层“零”损失智能同步注浆控制。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种盾构施工智能同步注浆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过盾构第n环单环出土质量和同步注浆量计量结果，取得同步浆液充填系数，利用激光测距仪动态监测浆桶中的浆液液位以及冲程数取得注浆泵的单次实际注浆量；

基于第n环所得同步浆液充填系数值、单次实际注浆量以及第n+1环施工过程中该段时间内的盾构出土质量，重新计算目标同步注浆量，进而控制调节注浆泵单位时间内的冲程数，以实时、准确的控制同步注浆量。

2.根据权利要求1所述的盾构施工智能同步注浆控制方法，其特征在于，当盾构机的加压平衡方式为土压平衡盾构时，盾构出土质量是通过加装在皮带机上的皮带秤实时称重获得，同时在门式起重机的吊钩上加装一套吊钩秤对土箱内的渣土进行称重，以获得盾构的单环出土质量。

3.根据权利要求1所述的盾构施工智能同步注浆控制方法，其特征在于，当盾构机的加压平衡方式为泥水平衡盾构时，盾构出土质量及单环出土质量是通过泥水循环系统将盾构切削的渣土运输到地面泥水处理系统，在该段时间内进、排泥流量与密度乘积的差值，进、排泥流量由流量计测量，进、排泥密度通过密度计测得。

4.一种应用根据权利要求1至3中任一项所述方法的盾构施工智能同步注浆控制系统，其特征在于，包括：

一数据采集模块，包括有传感器和用于传递从传感器所搜集数据的传输线路；

一数据存储模块，电性连接所述的数据采集模块并进行盾构单环出土质量、同步注浆量、同步浆液充填系数、注浆泵的单次实际注浆量的数据存储和运算；

一命令输出模块，电性连接所述的数据存储模块，所述的命令输出模块基于在所述的数据存储模块运算的第n环所得同步浆液充填系数、注浆泵的单次实际注浆量以及第n+1环施工过程中该段时间内的盾构出土质量计算目标同步注浆量，以达到控制调节注浆泵单位时间内的冲程数的效果。

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