CN110388962A - 一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，可以实现对盾构施工过程泥浆管状态的监测，从而有利于减小管壁的磨损。其中，pH监测装置和pH值调和装置、流速控制装置和流量监测装置以及壁厚监测装置均与数据采集处理系统信号连接，并执行如下动作：当泥浆进入泥浆管，pH监测装置测定其pH值，数据采集处理系统判断若pH值不在合理范围内，则指令pH中和装置进行调和；流量监测装置设置在流速控制装置的下游侧，流量监测装置监测泥浆管的流量，反推泥浆管内泥浆流速，数据采集处理系统判断流速的变动，并指令流速控制装置调整泥浆流速；壁厚监测装置用于实时监测测点处泥浆管壁厚，监测的数据传输给所述数据采集处理系统，以对其进行风险评估。

Description

一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统
技术领域
本发明涉及一种泥水平衡盾构的监控系统，尤其涉及一种适用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统。
背景技术
盾构法隧道施工具有对周边环境影响小、施工速度快、不受覆土深度影响等优点，在城市建设中被广泛采用。泥水平衡盾构通过加压泥水或泥浆来稳定开挖面，适用于含水率较高、软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层，特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。泥浆循环系统是泥水平衡盾构施工的重要组成部分，直接关系到开挖面的稳定与渣土的及时排放，以及泥水盾构施工的效率及成本控制，而泥浆管路又是整个泥浆循环系统中最脆弱的部分，易发生磨损。管路磨损后，补焊和更换管路是盾构隧道施工中引起非故障停机的最重要的原因之一，降低管路磨损、提高管路耐用性直接关系到施工效率与成本，并能有效调高施工安全的可靠性。研究表明，泥浆管管壁磨损与众多因素(如泥浆输送速度、攻角、磨粒粒度、级配、浓度和pH值等)有关，但由于目前缺乏泥浆管状态的监控系统与评价指标，无法实时感知与评价泥浆管的状态。因此，为了及时采取应对措施减小泥浆管的磨损，迫切需要研发泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，可以实现对盾构施工过程泥浆管状态的监测，从而有利于减小管壁的磨损。
一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其包括数据采集处理系统，用于泥浆pH智能监控的pH监测装置和pH值调和装置；用于泥浆流速监控的流速控制装置和流量监测装置；以及用于泥浆管壁厚报警的壁厚监测装置；其中，pH监测装置和pH值调和装置、流速控制装置和流量监测装置以及壁厚监测装置均与数据采集处理系统信号连接，并执行如下动作：当泥浆进入泥浆管，pH监测装置测定其pH值，数据采集处理系统判断若pH值不在合理范围内，则指令pH中和装置进行调和；流量监测装置设置在流速控制装置的下游侧，流量监测装置监测泥浆管的流量，反推泥浆管内泥浆流速，数据采集处理系统判断流速的变动，并指令流速控制装置调整泥浆流速；壁厚监测装置用于实时监测测点处泥浆管壁厚，监测的数据传输给所述数据采集处理系统，以对其进行风险评估。
在一个实施例方式中，两个pH监测装置分为上游侧pH监测装置和下游侧pH监测装置，pH中和装置设置在上游侧pH监测装置和下游侧pH监测装置之间，当泥浆进入泥浆管，即上游侧pH监测装置测定其pH值，若数据采集处理系统pH值不在合理范围内，则通过pH中和装置进行调和，调和后通过下游侧pH监测装置测量泥浆pH值，直至下游侧pH监测装置监测的泥浆pH值处于合理范围内。
在一个实施例方式中，所述pH中和装置包括溶液箱和计量泵，溶液箱中放置用于调和泥浆pH值的两种不同溶液，计量泵用于控制溶液的加入量。
在一个实施例方式中，pH监测装置采用在线pH计，监测的数据通过无线传输给所述数据采集处理系统，再由所述数据采集处理系统评估后发送指令到pH中和装置。
在一个实施例方式中，所述泥浆管包括排浆管路，所述流量监测装置设置在排浆管路出口处，流速控制装置设置在排浆管路入口处。
在一个实施例方式中，所述流量监测装置采用流量传感器，监测的数据通过无线传输给所述数据采集处理系统，再由所述数据采集处理系统评估后发送指令到所述流速控制装置。
在一个实施例方式中，所述壁厚监测装置实时监测泥浆管的多个测点处泥浆管壁厚，监测的数据通过无线传输给数据采集处理系统以对其进行风险评估。
在一个实施例方式中，泥浆监测的数据以及所述风险评估所得的建议方案利用互联网技术发送到技术人员或决策者的固定设备或移动设备。
在一个实施例方式中，所述的测点布置在泥浆管路上易于磨损的部位和不易磨损区域，在易于磨损区域的测点采用高频测量，在不易磨损区域的测点采用低频测量。
在一个实施例方式中，该系统还包括泥浆管磨损数据库，所有监测数据均通过所述数据采集处理系统进行处理分析并存储至泥浆管磨损数据库。
上述技术方案具有以下有益效果：
通过监控泥浆管壁厚来评估泥浆管状态，当厚度低于不同限值时给出不同级别预警，并将监测数据和处理建议发送至决策者，以给出最优处理方案；同时通过智能控制浆液pH值和流速来减少对泥浆管的磨损。
此外，还可实时监测泥浆管壁厚，可基于无线传感器技术实现自动测定，并通过互联网技术将数据自动传输至数据采集处理系统，数据采集处理系统基于所测泥浆管壁厚对泥浆管磨损情况进行评估，并给出相关处理意见，磨损严重时进行预报警，以便现场施工人员及时采取加固措施，避免由于泥浆管破损所引起的工期延误。
此外，还自动控制泥浆流速，可基于无线传感器技术实现自动测定，实时获取出口处断面流量，并通过互联网技术将数据自动传输至数据采集处理系统，数据采集处理系统基于所测流量来判断泥浆管内是否存在淤积，并将指令传输至流速控制装置以寻找泥浆的临界最低流速，极大提高了工作效率，数据测定准确便捷，避免了人为操作带来的偶然误差，评定标准也更为客观。
此外，还智能调整泥浆pH值，可基于在线pH计实现自动测定，并通过互联网技术和数据采集处理系统实现对浆液pH值的自动监测和智能控制，将泥浆pH值控制在合理范围内，减小了浆液对泥浆管的腐蚀，延长了泥浆管的使用寿命。
此外，前述一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，基于电子传感器与现代网络通信技术，自动化控制浆液流速，智能调整浆液pH值，以降低浆液对管壁的磨耗和侵蚀；同时实现盾构过程中管壁磨损情况的远程自动数据测定，使技术人员无需值守便可实时便捷地获取泥浆管管壁磨损情况，及时采取相关措施，提高施工效率。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统示意图。
图2为本发明数据监测-采集-处理一体化示意图。
图3为本发明流程图。
图1中，1—数据采集-处理一体化终端，2—进浆管路，3—排浆管路，P1—送泥泵，P2—排泥泵，4—pH监测装置，5—pH值调和装置[5-(a)—溶液箱；5-(b)—计量泵]，6—流速控制装置，7—壁厚监测装置，8—流量监测装置。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
如图1和图2所示，一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统包括数据采集处理系统，数据采集处理系统的一种便利的实现方式是数据采集-处理一体化终端1，后文中数据采集-处理一体化终端1与数据采集处理系统具有等同含义，其中的数据采集功能、数据处理功能以及其它功能模块还可以是分别以不同的实体单元来实现。泥浆管包括进浆管2和排浆管3，以及位于二者之间的主管路。用于泥浆pH智能监控的pH监测装置4和pH值调和装置5，用于泥浆流速自动监控的流速控制装置6和流量监测装置8，以及用于泥浆管壁厚报警的壁厚监测装置7。各个装置均与数据采集-处理一体化终端1信号连接，信号连接是通过通信介质连接，一种方式是无线技术连接，但不限于此。监测的数据通过无线传输给数据采集-处理一体化终端1，再由数据采集-处理一体化终端1评估或判断后发送指令到相应的装置，此处相应的装置没有在图中显示，其可以技术技术人员手持终端设备等。此外，一种可选的实施方式中，数据采集-处理一体化终端1对数据或信息通过计算机可读介质进行安全存储并将各阶段监测数据及处理意见发送至决策者。
数据采集-处理一体化终端1，主要包括以下功能：1)实时采集监测数据，例如pH监测装置4和pH值调和装置5的数据，以及流速控制装置6和流量监测装置8的数据，以及壁厚监测装置7的数据；2)控制泥浆管中浆液的流速及pH值；3)泥浆管壁厚风险评估及预报警；4)建立泥水平衡盾构施工中泥浆管磨损数据库。这将在后面详细描述。
所述的泥浆pH值智能监控的实现方式包括两个pH监测装置4和一个pH中和装置5。pH监测装置4和pH中和装置5均设置在排浆管路3的前段，pH中和装置5设置两个pH监测装置5中间。当泥浆进入排浆管路3，即通过上游侧的pH监测装置4的测定其pH值，若pH值不在合理范围内，则通过pH中和装置5进行调和，调和后再次通过下游侧的pH监测装置4测量泥浆pH值，确保其在合理的范围内，减少对泥浆管的腐蚀。
pH监测装置4的一种实施方式是采用在线pH计，例如MIK-PH3.0在线计，监测的数据通过无线传输给数据采集-处理一体化终端1，再由数据采集-处理一体化终端1评估后发送指令到pH中和装置5。
pH中和装置5的一个实施方式包括一个溶液箱5(a)和一个计量泵5(b)。溶液箱5(a)中放置用于调和泥浆pH值的两种不同溶液，计量泵5(b)用于控制溶液的加入量。浆液pH值一般以8-10为适当，当泥浆进入排浆管3，即测定其pH值，若pH值不在8-10，则通过数据采集-处理一体化终端1发送指令至pH中和装置5，少量添加溶液进行调和，调和后再次测量泥浆pH值，避免因中和不当对泥浆管的二次侵蚀。最终控制pH值在8-10范围内，以减少泥浆对管壁的腐蚀。
泥浆流量智能控制的一个实施方式包括一个流量监测装置8和一个流速控制装置6。其中，流量监测装置8设置在排浆管路3出口处，流速控制装置6设置在排浆管路3入口处。通过流量监测装置8监测泥浆管3的出口处的流量，反推泥浆管3内泥浆流速。再通过流速控制装置6调整泥浆流速，通过增速冲刷的方式保证管内泥浆不淤积，同时尽可能降低流速，保护泥浆管壁。
流量监测装置8采用流量传感器，监测的数据通过无线传输给数据采集-处理一体化终端1，再由数据采集-处理一体化终端1评估后发送指令到流速控制装置6，例如流量监测装置8的监测流量降低幅度过大，则数据采集-处理一体化终端1评估出现堵塞情况，指令流速控制装置6工作，增加泥浆流速。在一个实施方式中，所述的流量监测装置8用于监测断面流量。先尝试以较低的泥浆流速循环，若流量监测出现流量逐渐降低的情形，说明管内存在淤积，此时应由数据采集-处理一体化终端1发送指令至流速控制装置，适当提高泥浆流速，直至出口处流量稳定。泥浆流速以保证管路内不发生沉淀的最低速度为最佳。
所述的流速控制装置6，用于控制浆液流速，初始临界流速根据来确定，其中D为管路直径，单位m；γs为地层固体密度，单位t/m3；FL为常数，送泥侧取0.7，排泥侧取1.35；γ为泥浆密度。盾构送进泥浆密度为1.1t/m3，排出泥浆密度为1.3t/m3。
所述的泥浆管壁厚报警的实施方式包括一个壁厚监测装置7，可用于实时监测测点处泥浆管壁厚，监测的数据通过无线传输给数据采集-处理一体化终端1以对其进行风险评估，将监测结果、建议方案利用有线或无线方式，并且按照一种推荐的做法，通过互联网技术路由发送到技术人员或决策者的固定设备或移动设备，以确保相关人员做好决策，确保施工进度及安全。在一个实施方式中，壁厚监测装置7包括一个紧密型超声测厚仪PD-T8，可用于实时监测测点处泥浆管壁厚。超声测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。
前述的各个测点通常布置在排浆管路2、3上易于磨损的部位，如管道的凸面，水平直管的底部等。测量频率根据节点可以自行控制，如在磨损量大、易磨损关键节点采用高频测量，在磨损量小，不易磨损区域采用低频测量。
如图3所示，本实施例中，泥浆由送泥泵P1经进浆管路2进入盾构机，待进入排浆管路3后，由pH监测装置4检测泥浆pH值，pH监测装置4通过无线传输给数据采集-处理一体化终端1，数据采集-处理一体化终端1与预设的pH值向比较，判断其pH值是否在合理范围内，若不在，数据采集-处理一体化终端1发送指令给pH中和装置5，通过少量逐渐加入酸碱调和液来调整pH值，直至pH中和装置5后方的pH监测装置4监测值稳定在合理范围。同时通过泥浆流量监测装置8监测的流量值，通过无线传输的方式给数据采集-处理一体化终端1，并根据监测流量值是否稳定来判断送泥管路3内是否存在淤积，例如，如果监测流量变小，则判断存在淤积，数据采集-处理一体化终端1发送指令给泥浆流速控制装置6，使其逐步增加流速，以冲刷淤积物，直至出口处流量稳定。整个施工过程按照预设监测频率通过泥浆管壁厚监测装置7实时监测泥浆管壁厚，通过无线传输给数据采集-处理一体化终端1，当管壁厚度低于预设标准值时，数据采集-处理一体化终端1会自动预警，并将监测数据、处理建议发送至决策者。所有监测数据均通过数据采集-处理一体化终端1进行处理分析并安全存储，最终形成整个盾构施工过程的泥浆管数据库，为类似工程提供参考。
前述的信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任意一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。
用于执行本申请所述数据采集、处理功能的终端包括通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件部件或者其任意组合，可以用来实现或执行结合本申请所公开内容描述的各种示例性的框和模块。通用处理可以是微处理器，或者，该处理器也可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、若干微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。
本申请所述数据采集、处理的功能可以用硬件、处理器执行的软件、固件或者其任意组合的方式来实现。当用处理器执行的软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质上，或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。其它示例和实现也落入本发明及其所附权利要求书的保护范围和精神之内。例如，由于软件的本质，上文所描述的功能可以使用由处理器执行的软件、硬件、固件、硬件连线或者其任意组合来实现。用于实现功能的特征可以物理地分布在多个位置，其包括分布成在不同的物理位置实现功能的一部分。
计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或特殊用途计算机能够存取的任何可用介质。举例而言，但非做出限制，计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码单元并能够由通用或特殊用途计算机、或者通用或特殊用途处理器进行存取的任何其它介质。此外，可以将任何连接适当地称作计算机可读介质。举例而言，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或者诸如红外线、无线和微波之类的无线技术，从网站、服务器或其它远程源传输的，那么所述同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或者诸如红外线、无线和微波之类的无线技术包括在所述介质的定义中。
综上所述，前述实施方式提供一种方便快捷、准确实用的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，可以实现对盾构施工过程泥浆管状态的自动监测和对泥浆循环系统内的泥浆流速和pH值的智能调整，从而减小了管壁的磨损，延长了管壁的使用寿命，并通过预报警避免由于补焊和更换管路引起非故障停机，影响施工进度，最终达到节约维修时间和施工成本的目的；同时结合互联网技术，将磨损情况反馈给相关人员，保证其实时掌握泥浆管道的磨损情况，实现信息化施工。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，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修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，包括：
数据采集处理系统，
用于泥浆pH智能监控的pH监测装置和pH值调和装置；
用于泥浆流速监控的流速控制装置和流量监测装置；以及
用于泥浆管壁厚报警的壁厚监测装置；
其中，pH监测装置和pH值调和装置、流速控制装置和流量监测装置以及壁厚监测装置均与数据采集处理系统信号连接，并执行如下动作：
当泥浆进入泥浆管，pH监测装置测定其pH值，数据采集处理系统判断若pH值不在合理范围内，则指令pH中和装置进行调和；
流量监测装置设置在流速控制装置的下游侧，流量监测装置监测泥浆管的流量，反推泥浆管内泥浆流速，数据采集处理系统判断流速的变动，并指令流速控制装置调整泥浆流速；
壁厚监测装置用于实时监测测点处泥浆管壁厚，监测的数据传输给所述数据采集处理系统，以对其进行风险评估。
2.如权利要求1所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，两个pH监测装置分为上游侧pH监测装置和下游侧pH监测装置，pH中和装置设置在上游侧pH监测装置和下游侧pH监测装置之间，当泥浆进入泥浆管，即上游侧pH监测装置测定其pH值，若数据采集处理系统pH值不在合理范围内，则通过pH中和装置进行调和，调和后通过下游侧pH监测装置测量泥浆pH值，直至下游侧pH监测装置监测的泥浆pH值处于合理范围内。
3.如权利要求2所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，所述pH中和装置包括溶液箱和计量泵，溶液箱中放置用于调和泥浆pH值的两种不同溶液，计量泵用于控制溶液的加入量。
4.如权利要求2所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，pH监测装置采用在线pH计，监测的数据通过无线传输给所述数据采集处理系统，再由所述数据采集处理系统评估后发送指令到pH中和装置。
5.如权利要求1所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，所述泥浆管包括排浆管路，所述流量监测装置设置在排浆管路出口处，流速控制装置设置在排浆管路入口处。
6.如权利要求5所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，所述流量监测装置采用流量传感器，监测的数据通过无线传输给所述数据采集处理系统，再由所述数据采集处理系统评估后发送指令到所述流速控制装置。
7.如权利要求1所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，所述壁厚监测装置实时监测泥浆管的多个测点处泥浆管壁厚，监测的数据通过无线传输给数据采集处理系统以对其进行风险评估。
8.如权利要求7所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，泥浆监测的数据以及所述风险评估所得的建议方案利用互联网技术发送到技术人员或决策者的固定设备或移动设备。
9.如权利要求7所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，所述的测点布置在泥浆管路上易于磨损的部位和不易磨损区域，在易于磨损区域的测点采用高频测量，在不易磨损区域的测点采用低频测量。
10.如权利要求1所述的用于泥水平衡盾构的泥浆管磨损智能监控系统，其特征在于，该系统还包括泥浆管磨损数据库，所有监测数据均通过所述数据采集处理系统进行处理分析并存储至泥浆管磨损数据库。
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