CN110529126A - 一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置及其工作方法，包括尾盾，尾盾通过尾盾刷与管片相连接且尾盾与尾盾刷和管片之间形成一尾刷腔，盾壳上设有盾壳压力监测单元，上位机与盾构机导向系统相连接，所述尾盾上设有尾盾间隙监测单元，尾刷腔内设有尾刷腔压力监测单元；所述盾壳压力监测单元、尾盾间隙监测单元和尾刷腔压力监测单元均与上位机相连接。本发明通过对尾刷腔内压力、盾壳土压、尾盾间隙以及盾构姿态多方位数据采集，实现了多参数耦合共同判断尾盾密封状态，提高预警准确性，并且通过上位机实现尾盾圆周方向上多道油脂腔任意位置的密封安全等级可视化显示，便于工作人员直观观察。

Description

一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及盾构机尾盾密封预警的技术领域，尤其涉及一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置及其工作方法。

背景技术

随着国内外城市基础建设的不断发展，全断面隧道掘进机作为隧道开挖的绝对利器得到越来越广泛的应用。伴随而来的是对于设备安全使用的不断完善，毕竟盾构机需要在地下或是水下几十米深的地方连续工作相当长的一段时间。例如，2018年2月7日发生的佛山地铁2号线大规模地陷事故，就是由于在风险高的富水中粗砂地层施工过程中因尾盾密封失效而导致大量土体和地下水从尾盾涌入，造成坍塌。

尾盾密封系统作为盾构机三大关键密封系统之一，用来实现盾构机主机尾部(尾盾)与管片之间的密封功能，从而使得管片外部所注浆液以及地层水土无法进入盾构机内部。通常情况下尾盾密封系统由三道尾盾密封刷、盾体、管片、尾盾密封油脂组成。如附图2所示，尾盾刷通过基座钢板固定在尾盾3内侧，尾刷钢丝端以一定预压力的方式压紧在管片6外侧，以侧边并排的方式构成闭合圆环。三道尾刷与尾盾3、管片6组成两道密封腔，腔体内填充油脂，以形成密封系统。

尾盾的密封状态直接关系到整个隧道的安全，一旦失效，直接面临着浆液和地层水土灌入隧道，造成极大的人员和财产损失。而目前对于尾盾密封系统的控制方式仍是粗放的，甚至于对密封系统的设计都没有严格意义的理论支撑，国内外对于密封状态的监测和预警也几乎是空白，在专利申请号为“CN201410717824.0”、专利名称为“一种盾构机用尾盾油脂密封系统”中公开了一种尾盾油脂腔密封结构，同时对各注油口进行压力检测，在一定程度上起到预警作用，但是整体检测粗放，并且由于油脂的流动性差，沿程压力损失大，测量的压力并不是油脂腔内真实压力。

发明内容

针对现阶段盾构机尾盾密封系统缺少有效的风险监测的技术问题，本发明提出一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置及其工作方法。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置，包括尾盾，尾盾通过尾盾刷与管片相连接且尾盾与尾盾刷和管片之间形成一尾刷腔，盾壳上设有盾壳压力监测单元，上位机与盾构机导向系统相连接，所述尾盾上设有尾盾间隙监测单元，尾刷腔内设有尾刷腔压力监测单元；所述盾壳压力监测单元、尾盾间隙监测单元和尾刷腔压力监测单元均与上位机相连接。

优选地，所述盾壳压力监测单元包括若土压传感器，土压传感器通过通信线缆与PLC信息采集系统相连接，PLC信息采集系统与上位机相连接且土压传感器安装在盾体预留的安装孔内。

优选地，所述土压传感器包括固定式土压传感器和可拆卸式土压传感器；所述固定式土压传感器的壳体通过连接法兰与安装孔固定连接；所述可拆卸式土压传感器的壳体上设有一导向杆，可拆卸式土压传感器设置在安装孔内且安装孔一侧设有闸门，闸门与可拆卸式土压传感器相配合。

优选地，所述尾盾间隙监测单元包括若干个测距模块，测距模块通过通信线缆与PLC信息采集系统相连接，PLC信息采集系统与上位机相连接；所述测距模块的壳体安装在尾盾的预留孔内且尾盾内开设一线缆通道，通信线缆嵌入在线缆通道内。

优选地，所述若干个测距模块沿尾盾圆周方向均与布置且测距模块的检测探头面向尾盾圆心设置。

优选地，所述尾刷腔压力监测单元包括若干个压力传感器且若干个压力传感器串联连接后通过通信线缆与PLC信息采集系统相连接，PLC信息采集系统与上位机相连接。

优选地，所述压力传感器包括安装底座，安装底座固定在尾刷腔内的安装槽中，安装底座上设有一开孔，压力探头设置在开孔内且开孔两侧均设有线缆槽，线缆槽内穿设传感器线缆，压力探头通过传感器线缆与相邻的压力探头相连接；所述开孔上固定设有一压块且压块上设有一检测孔，检测孔与压力探头相配合。

优选地，所述尾刷腔内均设有一线缆通道且相邻线缆通道相连通，线缆通道内穿设传感器线缆。

一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置的工作方法，包括以下步骤：

S1，首先上位机接收到各个尾盾间隙数据，并计算管片中心坐标以及任意点尾盾间隙大小；

S2，根据任意点尾盾间隙数据结合从盾构机导向系统中调取的盾构姿态数据，查表计算对应的任意点尾刷密封承压安全阈值；

S3，上位机接收到盾壳外部不同位置的土压数据和各尾刷腔内不同位置的油脂压力数据；

S4，对比各个点位尾刷腔内油脂压力和盾壳外部土压数据，结合步骤S2中的尾刷密封承压安全阈值，判断密封风险等级；

S5，根据各个点位的密封风险等级，在上位机上形成可视化的显示界面，实时显示尾盾一周各点风险等级、各点位置的尾刷腔内压力、盾壳外部土压和尾盾间隙数据。

优选地，所述步骤S1中管片中心坐标计算方法，包括如下步骤：

a.设定尾盾圆心为原点坐标(0，0)，尾盾正上方角度为0°，沿掘进方向顺时针增大；

b.将尾盾圆周方向上布置的若干个测距模块，角度分别设定为C1、C2……Cn，测距模块测的指向尾盾圆心方向与管片之间的间隙为i，检测探头表面与尾盾内表面存在安装高度差为h，尾盾与管片之间实际间隙为d＝i+h，设地尾盾半径为R，则计算得出管片上相应位置的横坐标X＝(R-d)×sin c_{1。。。。n}，纵坐标为Y＝(R-d)×cos c_{1。。。。。n}；

c.求得管片各位置坐标后，根据最小二乘法拟合圆算法，求得管片圆心坐标(δx，δy)以及管片外表面在平面上的方程表达式，进而获得管片外表面圆周方向上任一点坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过在油脂腔内采用连续多点串联式压力传感器，检测尾刷腔内真实压力，对于尾盾密封系统注脂压力的控制更加准确，解决了传统尾刷腔油脂检测时，油脂的流动性差，沿程压力损失大，测量的压力并不是油脂腔内真实的压力的问题。

2、本发明对于尾盾密封系统的状态判断不单单依靠尾刷腔内的压力监测，而是通过对尾刷腔内压力、盾壳土压、尾盾间隙以及盾构姿态多方位数据采集，实现了多参数耦合共同判断尾盾密封状态，提高预警准确性，并且将尾盾圆周方向多道油脂腔任意位置的密封安全等级在上位机上实现可视化显示，显示更加直观，便于工作人员了解尾盾密封状态。

3、本发明通过根据盾构机姿态和盾尾间隙计算不同位置尾刷密封安全阈值，对于开挖直径越来越大的盾构机具有非常重要的指导意义，该尾刷密封安全阈值有助于提高盾尾密封失效风险监测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为现有尾盾密封结构示意图。

图3为本发明中尾盾间隙监测单元安装示意图。

图4为图3的局部放大示意图。

图5为本发明中尾盾间隙计算示意图。

图6为本发明中盾壳压力监测单元安装示意图。

图7为图6的局部放大示意图。

图8为可拆卸式土压传感器的安装示意图。

图9为图8中可拆卸式土压传感器推出状态示意图。

图10为固定式土压传感器的安装示意图。

图11为本发明中尾刷腔压力监测单元整体安装示意图。

图12为图11的具体安装示意图。

图13为图12中压力传感器的结构示意图。

图14为本发明的工作原理示意图。

图中，1为前盾，2为中盾，3为尾盾，4为测距模块，5为预留孔，6为管片，7为土压传感器，701为固定式土压传感器，702为可拆卸式土压传感器，8为PLC信息采集系统，9为上位机，10为导向杆，11为闸门，12为安装孔，13为连接法兰，14为压力传感器，141为压块，142为压力探头，143为线缆槽，144为传感器线缆，145为安装底座，15为线缆通道，16为尾刷腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图1所示，一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置，包括尾盾3，尾盾3与中盾2相连接，中盾2与前盾1相连接，尾盾3通过尾盾刷与管片6相连接且尾盾3与尾盾刷和管片6之间形成一尾刷腔16，盾壳上设有盾壳压力监测单元，盾壳压力监测单元用于监测盾壳外部水土压力情况，盾壳压力监测单元与上位机9相连接，上位机为安装有盾尾密封综合预警系统软件，并且经过授权使用的工业计算机，上位机9与盾构机导向系统相连接，上位机从盾构机导向系统内获取盾构机主体设备实时姿态参数，并且结合盾尾间隙的实时测量数据，上位机自动计算盾尾各个位置尾刷承压安全阈值，上位机通过查表的方式得到盾尾各个位置尾刷承压安全阈值，表是有实验所得，需编写相关查询程序内置于上位机，所述尾盾3上设有尾盾间隙监测单元，尾盾间隙监测单元用于监测尾盾内表面至管片外表面之间的间隙变化，尾刷腔16内设有尾刷腔压力监测单元，尾刷腔压力监测单元用于对尾刷腔内压力变化情况检测；所述盾壳压力监测单元、尾盾间隙监测单元和尾刷腔压力监测单元均与上位机9相连接。

如图7和图8所示，所述盾壳压力监测单元包括土压传感器7，根据实际需要，在盾体不同位置设置土压传感器，土压传感器7通过通信线缆与PLC信息采集系统8相连接，PLC信息采集系统用于采集土压传感器监测数据，PLC信息采集系统8与上位机9相连接，土压传感器将测到的压力信号转变为4-20ma信号，通过PLC采集后发送给上位机电脑，用于盾尾密封风险预警判断且土压传感器7安装在盾体预留的安装孔12内。

所述土压传感器7包括固定式土压传感器701和可拆卸式土压传感器702，由于盾体结构不同，根据不同位置选择安装固定式土压传感器701或可拆卸式土压传感器702；如图11所示，所述固定式土压传感器701的壳体通过连接法兰13与安装孔12固定连接，该安装方式无法实现带压更换，只能等主机完全出洞后维修或者更换，该安装方式所需安装空间要小于可拆卸式土压传感器的安装空间。如图9和图10所示，所述可拆卸式土压传感器的壳体上设有一导向杆10，可拆卸式土压传感器702通过螺栓固定设置在安装孔12内且安装孔12一侧设有闸门11，导向杆通过螺纹与闸门连接，由于盾体外侧是土体，具有一定土压力，故在拆卸土压传感器702时，需通过导向杆10上的螺母，缓慢的将可拆卸式土压传感器702移出安装孔12，然后将闸门11通过其内部腰型孔向下移动，将安装孔12封住，然后将可拆卸式土压传感器702拆卸，闸门11与可拆卸式土压传感器702相配合用于将可拆卸式土压传感器密封在安装孔，如果需要检修或者更换该传感器，可以通过导向杆把传感器从安装孔内抽出来，在传感器到达指定位置后，工作人员把闸门关闭即可实现土压传感器和地层之间的隔离密封。

如图4和图6所示，所述尾盾间隙监测单元包括若干个测距模块4，若干个测距模块4沿尾盾3圆周方向均与布置且测距模块3的检测探头面向尾盾圆心设置，测距模块用于检测尾盾内表面至管片外表面之间的间隙，盾尾间隙测量过程中，测距模块的检测探头面向尾盾圆心，通过超声波测距原理检测尾盾与管片之间的距离l，测距模块4通过通信线缆与PLC信息采集系统8相连接，PLC信息采集系统8与上位机9相连接；如图5所示，所述测距模块4的壳体安装在尾盾3内表面的预留孔5内且尾盾3内预留一布线通道，通信线缆嵌入在布线通道内，通信线缆出了尾盾后连接至PLC采集系统进行传输数据。

如图12所示，所述尾刷腔压力监测单元包括若干个压力传感器14且若干个压力传感器14串联连接后通过通信线缆与PLC信息采集系统8相连接，PLC信息采集系统8与上位机9相连接，如图14所示，所述压力传感器14包括安装底座145，安装底座145固定在尾刷腔16内的安装槽中，如图13所示，尾刷腔16内均设有一线缆通道15且相邻线缆通道15相连通，安装底座145上设有一开孔，压力探头142设置在开孔内且开孔两侧均设有线缆槽143，线缆槽143与开孔相连通，线缆槽143内穿设传感器线缆144，线缆通道15内穿设从线缆槽内引出的传感器线缆144，压力探头142通过传感器线缆144与相邻的压力探头142相连接；所述开孔上固定设有一压块141，压块通过螺栓与安装底座145固定连接且压块141上设有一检测孔，检测孔与压力探头142相配合即将检测孔扣在压力探头上且压力探头的感应面要裸漏在检测孔的表面，保证压力探头检测的准确性。

各压力传感器首尾相连，两端出线，无论使用多少个传感器，最终的出线数量不变，在尾盾上只需预留一个线缆通道即可；压力传感器的数量根据盾尾开挖直径具体选择，通过各个压力传感器的首尾相连避免了传统盾尾密封油脂粘稠度很大，流动性差，压力传递性也较差，为了准确判断整个尾盾圆周方向任意位置的密封状态，需要在尾刷腔内布置数量足够多的压力传感器，并且传统压力传感器采用独立布置，每个传感器的线缆单独在尾盾上开孔引出，如果布置数量较多的传感器，尾盾上开孔相应也会增加，对尾盾的强度影响很大的问题。

各串联式压力传感器在与原有管路不干涉的条件下，按照基本均布的原则分别布置在每道尾刷腔内，两端同时出线，这样可以提高传感器工作的可靠性，传感器线缆连接至PLC信号采集系统，用于解析出每个传感器的数据，并打包发送至上位机电脑，用于不同位置的密封风险预警。为了在尾刷腔内安装压力传感器，尾盾上需要提前设计并加工传感器线缆通道，每个尾刷腔设计一条线缆通道。在每道尾刷腔内，传感器安装槽用于安装压力传感器，开槽数量取决于布置的传感器数量。本发明通过盾构机掘进过程中通过监测盾构机姿态和盾尾间隙，对尾刷承压能力进行分析，实时计算尾刷不同位置能够可靠密封的安全阈值。同时系统对尾刷腔内各点的实时压力以及主机壳体外部各点压力进行监测，结合具体位置的尾刷密封安全阈值，判断失效风险，实现盾构机掘进过程中盾尾与管片之间的尾刷腔密封状态监测与评估，对可能存在的风险及时预警。

实施例2：如图14所示，一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置的工作方法，包括以下步骤：

S1，首先上位机9接收各个尾盾间隙数据即各位置处的测距模块将尾盾与管片之间的监测测量数据通过通信线缆实时传输至上位机，并计算管片中心坐标以及任意点尾盾间隙大小；所述管片中心坐标计算方法，包括如下步骤：

a.设定尾盾圆心为原点坐标0，0，尾盾正上方角度为0°，沿掘进方向顺时针增大；

b.将尾盾圆周方向上布置的若干个测距模块，角度分别设定为C1、C2……Cn，测距模块5测得指向尾盾圆心方向与管片之间的间隙为i，测距模块5的检测探头表面与尾盾3内表面存在安装高度差为h，其中如果检测探头表面高于盾尾内表面，则h为负值，检测探头表面低于盾尾内表面，则h为正值，尾盾3与管片6之间实际间隙为d＝i+h，设定尾盾半径为R，则计算得出管片上相应位置的横坐标X＝(R-d)×sin c_{1。。。。n}，纵坐标为Y＝(R-d)×cosc_{1。。。。。n}，其余位置坐标计算同上述计算方式；

c.求得管片各位置坐标后，根据最小二乘法拟合圆算法，求得管片圆心坐标δx，δy以及管片外表面在平面上的方程表达式，进而获得管片外表面圆周方向上任一点坐标以及与管片外表面与尾盾内表面之间的间隙值。

S2，根据任意点尾盾间隙数据结合从盾构机导向系统中调取的盾构姿态数据，查表计算对应的任意点尾刷密封承压安全阈值，通过盾构尾刷密封性能测试实验装置得到尾刷在不同间隙条件下的密封能力，将其所测数据做成表格内置于上位机，然后当测得盾尾间隙后，就可通过查表的形式得到该处尾刷的密封能力；

S3，上位机9获取盾壳外部不同位置的土压数据和各尾刷腔16内不同位置的油脂压力数据；

S4，对比各个点位尾刷腔16内油脂压力和盾壳外部土压数据，结合步骤S2中的尾刷密封承压安全阈值，判断密封风险等级，根据尾刷在不同盾尾间隙条件下的的密封能力划分；

S5，根据各个点位的密封风险等级，在上位机9上形成可视化的显示界面，实时显示尾盾一周各点风险等级、各点位置的尾刷腔16内压力、盾壳外部土压和尾盾间隙数据。

其余结构与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置，包括尾盾(3)，尾盾(3)通过尾盾刷与管片(6)相连接且尾盾(3)与尾盾刷和管片(6)之间形成一尾刷腔(16)，盾壳上设有盾壳压力监测单元，上位机(9)与盾构机导向系统相连接，其特征在于，所述尾盾(3)上设有尾盾间隙监测单元，尾刷腔(16)内设有尾刷腔压力监测单元；所述盾壳压力监测单元、尾盾间隙监测单元和尾刷腔压力监测单元均与上位机(9)相连接。

2.根据权利要求1所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述盾壳压力监测单元包括土压传感器(7)，土压传感器(7)通过通信线缆与PLC信息采集系统(8)相连接，PLC信息采集系统(8)与上位机(9)相连接且土压传感器(7)安装在盾体预留的安装孔(12)内。

3.根据权利要求2所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述土压传感器(7)包括固定式土压传感器(701)和可拆卸式土压传感器(702)；所述固定式土压传感器(701)的壳体通过连接法兰(13)与安装孔(12)固定连接；所述可拆卸式土压传感器的壳体上设有一导向杆(10)，可拆卸式土压传感器(702)设置在安装孔(12)内且安装孔(12)一侧设有闸门(11)，闸门(11)与可拆卸式土压传感器(702)相配合。

4.根据权利要求1所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述尾盾间隙监测单元包括若干个测距模块(4)，测距模块(4)通过通信线缆与PLC信息采集系统(8)相连接，PLC信息采集系统(8)与上位机(9)相连接；所述测距模块(4)的壳体安装在尾盾(3)的预留孔(5)内且尾盾(3)内开设一布线通道，通信线缆嵌入在布线通道内。

5.根据权利要求4所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述若干个测距模块(4)沿尾盾(3)圆周方向均匀布置且测距模块(4)的检测探头面向尾盾圆心设置。

6.根据权利要求1所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述尾刷腔压力监测单元包括若干个压力传感器(14)且若干个压力传感器(14)串联连接后通过通信线缆与PLC信息采集系统(8)相连接，PLC信息采集系统(8)与上位机(9)相连接。

7.根据权利要求6所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述压力传感器(14)包括安装底座(145)，安装底座(145)固定在尾刷腔(16)内的安装槽中，安装底座(145)上设有一开孔，压力探头(142)设置在开孔内且开孔两侧均设有线缆槽(143)，线缆槽(143)与开孔相连通，线缆槽(143)内穿设传感器线缆(144)，压力探头(142)通过传感器线缆(144)与相邻的压力探头(142)相连接；所述开孔上固定设有一压块(141)且压块(141)上设有一检测孔，检测孔与压力探头(142)相配合。

8.根据权利要求7所述的盾构机尾盾密封系统综合预警装置，其特征在于，所述尾刷腔(16)内均设有一线缆通道(15)且相邻线缆通道(15)相连通，线缆通道(15)内穿设传感器线缆(144)。

9.一种盾构机尾盾密封系统综合预警装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，首先上位机(9)接收到各个尾盾间隙数据，并计算管片中心坐标以及任意点尾盾间隙大小；

S2，根据任意点尾盾间隙数据结合从盾构机导向系统中调取的盾构姿态数据，查表计算对应的任意点尾刷密封承压安全阈值；

S3，上位机(9)接收到盾壳外部不同位置的土压数据和各尾刷腔(16)内不同位置的油脂压力数据；

S4，对比各个点位尾刷腔(16)内油脂压力和盾壳外部土压数据，结合步骤S2中的尾刷密封承压安全阈值，判断密封风险等级；

S5，根据各个点位的密封风险等级，在上位机(9)上形成可视化的显示界面，实时显示尾盾一周各点风险等级、各点位置的尾刷腔(16)内压力、盾壳外部土压和尾盾间隙数据。

10.根据权利要求9所述的尾盾密封系统综合预警装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S1中管片中心坐标计算方法，包括如下步骤：

a.设定尾盾圆心为原点坐标(0，0)，尾盾正上方角度为0°，沿掘进方向顺时针增大；

b.将尾盾圆周方向上布置的若干个测距模块，角度分别设定为C₁、C₂……C_n，测距模块(4)测得指向尾盾圆心方向与管片之间的间隙为i，测距模块(4)的检测探头表面与尾盾(3)内表面存在安装高度差为h，尾盾(3)与管片(6)之间实际间隙为d＝i+h，设定尾盾半径为R，则计算得出管片上相应位置的横坐标X＝(R-d)×sinc_{1。。。。n}，纵坐标为Y＝(R-d)×cosc_{1。。。。。n}；

c.求得管片各位置坐标后，根据最小二乘法拟合圆算法，求得管片圆心坐标(δx，δy)以及管片外表面在平面上的方程表达式，进而获得管片外表面圆周方向上任一点坐标。