CN110530576A - 一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统，包括盾体，盾体与尾盾相连接且尾盾通过尾刷定位块与盾尾刷相连接，盾尾刷与管片相连接，所述尾刷定位块上和尾盾末端均设有检测单元且相邻检测单元依次串联连接，检测单元与信号采集传输单元相连接，信号采集传输单元与监控显示单元相连接。本发明整体安装便捷、安全可靠，并且可快速预警，可实时的对盾尾密封系统进行压力和温度的状态检测，并实时反应异常情况，指导隧道掘进机的安全高效运行。

Description

一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统

技术领域

本发明涉及盾构机盾尾密封腔检测的技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统。

背景技术

盾构法隧道成型技术是利用集开挖、支护、推进、衬切等多种工程作业于一体的大型隧道掘进机来完成隧道开挖的现代成型技术。在盾构机掘进过程中，尾盾支护与隧道衬切结构（管片）之间会形成一定尺寸的间隙（200mm以内），该间隙连通着具有一定压力的隧道土层与盾体内的安全空间，故需要相应的密封装置来进行隔断。现阶段，大部分盾构机都采用钢丝刷涂抹盾尾密封油脂的密封结构来实现尾盾密封的目的。由于复杂的地下环境和密封结构形式的固有缺陷，盾构机在掘进过程中，盾尾密封系统将不可避免的产生漏水、漏泥、漏浆等施工危险。

为了提前对以上风险做出预警判断，需对盾尾密封腔体内的压力、温度、泄露等状态参数进行监测，以指导后续工作的开展。截至目前，盾尾密封状态检测正处于起步阶段，虽然专利申请号为“CN201610854077.4”，专利名称为“盾构机盾尾刷密封性能试验装置及试验方法”中具体公开了一种对盾尾刷密封性能试验的装置，但是该试验数据量大，对环境要求较高，传输距离有限，并且没有对盾尾密封腔内状态实时检测。

发明内容

针对目前不能对盾尾密封系统的状态和泄漏进行监测和提前预警的技术问题，本发明提出了一种可以对盾尾密封腔和泥浆的压力、温度等参数进行实时监测，并对盾尾密封的泄漏做出提前预警，以提高掘进效率，降低施工作业风险的基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态监测系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统，包括盾体，盾体与尾盾相连接且尾盾通过尾刷定位块与盾尾刷相连接，盾尾刷与管片相连接，所述尾刷定位块上和尾盾末端均设有检测单元且相邻检测单元依次串联连接，检测单元通过通信光纤与信号采集传输单元相连接，信号采集传输单元通过通信线缆与监控显示单元相连接。

优选地，所述尾刷定位块上设有安装孔，尾盾末端设有定位孔且尾刷定位块内壁上和尾盾末端端面上均开设一安装槽且安装槽内设有至少两组预留孔，安装槽分别与安装孔和定位孔相连通；所述安装孔和定位孔内均设有检测单元，检测单元与串接光纤相连接，串接光纤嵌入在安装槽中且从预留孔中穿出后与相邻检测单元相连接。

优选地，所述安装槽上焊接有封板且封板上预留一检测孔，检测孔与检测单元相配合。

优选地，所述封板的形状为弧形。

优选地，所述检测单元包括光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的感应面上设有四孔盖板且光纤光栅传感器通过串接光纤与相邻的光纤光栅传感器串联连接且光纤光栅传感器的感应面与检测孔相配合，光纤光栅传感器均与信号采集传输单元相连接。

优选地，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器且光纤光栅压力传感器通过多芯通讯光纤与光纤光栅温度传感器相连接且光纤光栅压力传感器的感应面和光纤光栅温度传感器的感应面分别与检测孔相配合，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器分别通过串接光纤与相邻的光纤光栅传感器串联连接，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器均与信号采集传输单元相连接。

优选地，所述信号采集传输单元包括光纤光栅调制解调仪、协议转换模块和PLC，光纤光栅调制解调仪分别与光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器相连接且光纤光栅调制解调仪通过协议转换模块相连接，协议转换模块与PLC相连接，PLC与监控显示单元相连接。

优选地，所述监控显示单元为上位机，上位机通过PLC与协议转换模块和光纤光栅调制解调仪相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、整体安装便捷，采用光纤光栅传感器纵向尺寸小，通讯光纤光缆从侧面引出，在满足感测要求的情况下，可节省安装空间，有效增加传感器的安装密度，可对各个密封腔实时检测；

2、安全可靠，所用光纤光栅传感器为无源器件，无需现场供电，信号传输稳定，抗干扰性强；

3、响应及时，可实时的对盾尾密封系统进行压力和温度的状态检测，并实时反映异常情况，指导隧道掘进机的安全高效运行，当盾尾密封系统出现微小的漏水、漏浆后，其油脂腔体内的压力和温度会产生波动，该波动会通过本发明中光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器进行实时采集数据，并通过上位机分析数据对漏水、漏浆等危险情况做出提前预警，具有非常好的推广应用前景，填补了目前盾构机盾尾密封腔状态检测技术的空白。

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为本发明在隧道掘进机上的整体安装示意图。

图2为本发明在盾尾油脂腔中的具体安装示意图。

图3为本发明中检测单元封装串接示意图。

图4为本发明的控制原理框图。

图中，1为光纤光栅传感器，2为四孔盖板，3为串接光纤，4为尾刷定位块，5为引出光缆，6为盾尾刷，7为管片，8为尾盾，9为盾体。

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。

如图1所示，一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统，包括盾体9，盾体9与尾盾8相连接且尾盾8通过尾刷定位块4与盾尾刷6相连接，盾尾刷6与管片7相连接，尾盾与盾尾刷和管片之间形成油脂腔，所述尾刷定位块4上和尾盾8末端均设有检测单元，检测单元用于检测油脂腔和泥浆的压差、前后油脂腔之间的压差及各个油脂腔和泥浆的温度变化，且相邻检测单元依次串联连接，检测单元与信号采集传输单元相连接，信号采集传输单元与监控显示单元相连接。

如图2所示，所述尾刷定位块4上设有安装孔，尾盾8末端设有定位孔，定位孔的直径为46mm，深度为16mm，且尾刷定位块4内壁上和尾盾8末端端面上均开设一安装槽，安装槽为环形槽结构，槽宽30mm，槽深为10mm，且安装槽内根据实际情况选择合适位置钻至少两组预留孔，预留孔的直径为10mm，用于将引出光缆5从预留孔内引出，引出光缆5为通讯光纤，安装槽分别与安装孔和定位孔相连通，安装孔和定位孔内用于放置检测单元，安装槽内用于嵌入光纤，安装槽上焊接有封板且封板上预留一检测孔，封板的形状为弧形且宽度为35mm宽的钢板，利用封板将安装槽的槽口焊接封住即封板整体结构类似于电子表表带与表盘的形状，检测孔与检测单元相配合用于将检测单元的感应面穿设在检测孔内，一方面对检测单元进行固定，另一方面提高整体密封程度，安装孔和定位孔内均设有检测单元，并且封板上的检测孔用于扣住安装孔和定位孔内放置的检测单元的感应面，便于固定检测单元，同时保证检测单元的感应面裸漏与油脂腔内；所述检测单元与串接光纤3相连接，串接光纤3嵌入在安装槽中且从预留孔中穿出后与相邻检测单元相连接，为了保证检测单元及多芯通讯光纤的安装稳固，所有安装槽及光纤引出孔处均采用环氧树脂进行灌胶密封处理。

如图3所示，所述检测单元包括光纤光栅传感器1，光纤光栅传感器1的感应面上设有四孔盖板2，四孔盖板与光纤光栅传感器的感应面可拆卸连接，四孔盖板的作用是防止在安装过程中损坏光纤光栅传感器的感测膜片，在光纤光栅传感器安装完成后，可将四孔盖板拆卸掉，且光纤光栅传感器1通过串接光纤3与相邻的光纤光栅传感器1串联连接且光纤光栅传感器1的感应面与检测孔相配合，光纤光栅传感器1均与信号采集传输单元相连接。

如图4所示，所述光纤光栅传感器1包括光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器，所用光纤光栅传感器纵向尺寸较小，通讯光纤光缆从侧面引出，在满足感测要求的情况下，可节省安装空间，有效增加传感器的安装密度并且所用光栅光纤传感器为无源器件，无需现场供电，信号传输稳定、抗干扰性能强，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器的外形均为扁平柱状体，便于固定与油脂腔内尾刷定位块的安装孔和尾盾的定位孔中，且光纤光栅压力传感器通过多芯通讯光纤与光纤光栅温度传感器相连接且光纤光栅压力传感器的感应面和光纤光栅温度传感器的感应面分别与检测孔相配合即将光纤光栅压力传感器的感应面和光纤光栅温度传感器的感应面分别穿设在检测孔内并且保证感应面裸漏在油脂腔内。

光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器分别通过串接光纤3与相邻的光纤光栅传感器串联连接，光纤光栅压力传感器或光纤光栅温度传感器所产生的光信号通过串接光纤3进行多模传输，串接光纤接引出电缆，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器均与信号采集传输单元相连接，可实时的对盾尾密封系统进行压力和温度的状态检测，并实时反应异常情况，指导隧道掘进机的安全高效运行，当盾尾密封系统出现微小的漏水、漏浆后，其油脂腔体内的压力和温度会产生波动，该波动会通过本发明中光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器进行实时采集数据，并通过上位机分析数据对漏水、漏浆等危险情况做出提前预警，具有非常好的推广应用前景，填补了目前盾构机盾尾密封腔状态检测技术的空白。

所述信号采集传输单元包括光纤光栅调制解调仪、协议转换模块和PLC，光纤光栅调制解调仪为柜式模块化光纤光栅调制解调仪，并且调制解调仪具有多种通讯接口，可通过通讯模块与上位机进行实时通讯，光纤光栅调制解调仪分别与光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器相连接且光纤光栅调制解调仪与协议转换模块相连接，协议转换模块与PLC相连接，PLC与监控显示单元相连接。

监控显示单元为上位机，上位机可以实时在线监测、查看检测结果、统计分析检测数据，上位机通过PLC和协议转换模块与光纤光栅调制解调仪相连接，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器检测数据发出的光信号通过引出电缆传输给光纤光栅调制解调仪，调制解调仪将光信号转化为4~20mA信号，然后将该信号传输给通讯模块；所属监控显示单元为盾构机所用的上位机，上位机通过TCP/IP协议读取通讯模块的采集量，对初始值进行标定处理，同时将4-20mA信号转化成压力值和温度值，在上位机界面上实时显示。通过实时观测油脂腔和泥浆的压差、前后油脂腔之间的压差及各个油脂腔和泥浆的温度变化，来判断盾尾密封系统是否出现异常情况，如果上述压差超过预先设定好的极限值，则在上位机上显示出报警信号。

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 (8)

1.一种基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统，包括盾体（9），盾体（9）与尾盾（8）相连接且尾盾（8）通过尾刷定位块（4）与盾尾刷（6）相连接，盾尾刷（6）与管片（7）相连接，其特征在于，所述尾刷定位块（4）上和尾盾（8）末端均设有检测单元且相邻检测单元依次串联连接，检测单元通过通信光纤与信号采集传输单元相连接，信号采集传输单元通过通信线缆与监控显示单元相连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态检测系统，其特征在于，所述尾刷定位块（4）上设有安装孔，尾盾（8）末端设有定位孔且尾刷定位块（4）内壁上和尾盾（8）末端端面上均开设一安装槽且安装槽内设有至少两组预留孔，安装槽分别与安装孔和定位孔相连通；所述安装孔和定位孔内均设有检测单元，检测单元与串接光纤（3）相连接，串接光纤（3）嵌入在安装槽中且从预留孔中穿出后与相邻检测单元相连接。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态监测系统，其特征在于，所述安装槽上焊接有封板且封板上预留一检测孔，检测孔与检测单元相配合。

4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态监测系统，其特征在于，所述封板的形状为弧形。

5.根据权利要求3所述的基于光纤传感的盾构机盾尾密封腔状态监测系统，其特征在于，所述检测单元包括光纤光栅传感器（1），光纤光栅传感器（1）的感应面上设有四孔盖板（2），光纤光栅传感器（1）通过串接光纤（3）与相邻的光纤光栅传感器（1）串联连接，光纤光栅传感器（1）的感应面与检测孔相配合，光纤光栅传感器（1）均与信号采集传输单元中的光纤光栅解调仪相连接。

6.根据权利要求5所述的基于光纤传感器的盾构机盾尾密封腔状态监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器（1）包括光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器，光纤光栅压力传感器通过多芯通讯光纤与光纤光栅温度传感器相连接，光纤光栅压力传感器的感应面和光纤光栅温度传感器的感应面分别与检测孔相配合，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器分别通过串接光纤（3）与相邻的光纤光栅传感器串联连接，光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器均与信号采集传输单元相连接。

7.根据权利要求1或6所述的基于光纤传感器的盾构机盾尾密封腔状态监测系统，其特征在于，所述信号采集传输单元包括光纤光栅调制解调仪、协议转换模块和PLC，光纤光栅调制解调仪分别与光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器相连接且光纤光栅调制解调仪通过协议转换模块相连接，协议转换模块与PLC相连接，PLC与监控显示单元相连接。

8.根据权利要求7所述的基于光纤传感器的盾构机盾尾密封腔状态监测系统，其特征在于，所述监控显示单元为上位机，上位机通过PLC和协议转换模块与光纤光栅调制解调仪相连接。