CN111075463A - 盾构施工出土可视化监控管理方法及出土量可视化监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种盾构施工出土可视化监控管理方法及出土量可视化监控管理系统，该系统包括盾构PLC、皮带秤、无线通信模块和终端设备，所述皮带秤安装在盾构机皮带机上，能够采集盾构施工参数，并通过运算至少得到出土速度、推进速度或推进行程、瞬时出土量、当前环出土量，所述方法包括出土速度监控管理和出土量监控管理两部分。通过本发明能够准确真实地反映出盾构掘进过程中出土量的变化情况，实现对出土过程和最终出土量的分析、评价和控制，对盾构施工进行过程和结果监控。本发明系统处理和显示界面直观、功能完善，能满足不同工况、不同施工人员的需求，方便盾构驾驶室、现场施工人员以及相关管理人员的监控。

Description

盾构施工出土可视化监控管理方法及出土量可视化监控管理 系统

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其涉及一种盾构施工出土可视化监控管理方法及出土量可视化监控管理系统。

背景技术

土压平衡盾构作为盾构法施工的主要设备，出土量控制是土压平衡盾构施工管理中的重要内容，在土压盾构施工中，需要通过调节螺旋输送机的转速来控制出土量，使出土量与盾构开挖量保持平衡，从而使盾构开挖面处于稳定状态。出土量过大会导致开挖面地层损失过大而坍塌或引起地表过量沉降；出土量过小会使土舱内压力迅速增大，因此在实际工程中，需要根据实际情况合理调整螺旋输送机的出土速度和总出土量。

罗栋等人在2018年研究了皮带出渣量动态监测系统在盾构出渣控制中的应用，通过在盾构机内加装皮带称重装置，利用传感器获取实时出渣量动态信息，并由皮带出渣量动态监测系统远程控制、监测皮带出渣，以此反馈优化盾构掘进参数，系统流程图如图9。监测系统采用定制控制面板，通过基于LabVIEW的内置程序，接受两种传感器的信号，经过分析运算，获得瞬时出渣流量与累计出渣量数据显示在系统界面中，并能远程控制皮带称重装置，监控系统界面如图10。罗栋等人研制的皮带出渣量动态监测系统为盾构施工填补了出土量信息的空缺，促进了盾构的现代化和精细化施工。但是该系统存在不足：①仅是常规的测量和显示，未考虑实际施工过程中出土量的诸多影响因素，未考虑理论出土量、测量出土量与实际出土量之间的关系；②未根据实际情况对盾构施工参数进行实时的调整和修正；③系统界面功能有限，无法实时显示盾构相关施工参数，不能满足不同工况，不同施工人员的需求；④出土量数据处理和显示功能不完善，不能通过数据直观反映出土状况，以及存在的问题；⑤出土量数据只能在盾构驾驶室显示，不方便现场施工人员以及相关管理人员的查看。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术的不足，提供一种盾构施工出土监控管理方法和系统，能够对出土过程和出土量进行有效地监控管理。

本发明提供一种盾构施工出土可视化监控管理方法，所述方法基于出土量监控管理系统，该系统包括盾构PLC、皮带秤、无线通信模块和终端设备，所述皮带秤安装在盾构机皮带机上，能够采集盾构施工参数，并通过运算至少得到出土速度、推进速度或推进行程、瞬时出土量、当前环出土量，所述方法包括出土速度监控管理和出土量监控管理两部分，其中：

所述出土速度监控管理包括：

(1)定义出土量系数：出土量系数＝出土速度/推进速度，其中出土速度为当前出土量与预定时间前出土量的差值，即该预定时间内的出土量，推进速度为当前推进行程与预定时间前推进行程的差值，即该预定时间内的推进行程；

(2)所述出土量监控管理系统通过运算得到出土速度和推进速度，自动计算出出土量系数，并实时显示出土量系数曲线图在终端设备上，以供盾构施工的监控管理；

所述出土量监控管理包括：

(1)计算当前环的理论出土量：根据当前环范围内土体的物理参数和体积计算当前环的理论出土量，并在终端设备上设定每环的理论出土量值；

(2)测量当前环的实际环出土量：随盾构的推进，所述出土量监控管理系统对当前环的出土量进行测量，得到瞬时出土量和当前环出土量，进一步通过对当前环出土量进行累加得到实际环出土量，并在终端设备上实时显示瞬时出土量、当前环出土量和实际环出土量值；

(3)计算当前环的标准环出土量：将当前环的实际环出土量折算成盾构推进距离为标准环宽度的标准环出土量，即标准环出土量＝(实际环出土量/推进行程)*标准环环宽，并在终端设备上实时显示标准环出土量值，以供盾构施工的监控管理。

作为一种改进，所述出土速度监控管理还包括：

(3)实时监控并调整施工参数，以稳定出土量系数，保持平稳出土。

作为一种改进，所述出土量监控管理还包括：

(4)将标准环出土量与理论出土量进行比较，以对后续推进过程中的实际环出土量进行控制，将其维持在理论出土量附近。

作为一种改进，所述终端设备上还实时显示盾构施工出土的当前状态数据，并且当前状态＝(当前出土-理论出土)/理论出土，该理论出土根据当前推进行程动态变化。

作为一种改进，所述预定时间为10s。

本发明还提供一种用于前述盾构施工出土监控管理方法的出土量监控管理系统：

所述皮带秤包括称重传感器、速度传感器和数据采集处理器，数据采集处理器从称重传感器和速度传感器接收信号，通过运算得到瞬时出土量和当前环出土量。

作为一种改进，所述数据采集处理器为积算仪，所述称重传感器的一端通过传输线连接于皮带机上的称重托辊，另一端通过传输线连接于积算仪。

作为一种改进，所述速度传感器安装于皮带机上，并通过传输线连接于所述积算仪。

作为一种改进，还包括云服务器，所述终端设备的数据能够再传输到云服务器，实现数据共享。

作为一种改进，所述终端设备为工业平板电脑。

有益效果：采用上述的技术方案后，本发明相对于现有技术具有如下的技术效果：

(1)本发明定义出土量系数，能够准确真实地反映出土速度与推进速度/推进行程之间的对应关系，能够准确真实地反映出盾构掘进过程中出土量的变化情况，为出土快慢的控制提供了依据，从而实现对出土过程的分析、评价和控制，对盾构施工进行过程监控。

(2)本发明考虑实际施工过程中影响出土量的诸多因素，引入理论出土量、实际环出土量与标准环出土量的概念，结合三者之间的关系对比，推进过程中给盾构操作员一个参照，达到控制出土量的目的，从而实现对最终出土量的分析、评价和控制，对盾构施工进行结果监控。

(3)通过独特设计的出土量可视化监控管理系统，将出土量系数、出土速度、出土量等参数实时显示在终端设备的主界面上，便于现场施工人员能够直观地获知当前盾构施工状态，能够根据实际情况对盾构施工参数进行实时的调整和修正。

(4)系统处理和显示界面直观、功能完善，能满足不同工况、不同施工人员的需求，通过界面设计和远程数据共享，方便盾构驾驶室、现场施工人员以及相关管理人员的监控。

附图说明

图1为本发明出土量可视化监控管理系统结构示意图；

图2为本发明出土量可视化监控管理系统一种实施方式的主界面图；

图3为本发明出土量可视化监控管理系统另一种实施方式的主界面图；

图4为图3的出土量柱状图；

图5、图6为图3中出土量系数坐标放大图；

图7为出土量结果统计分析图；

图8为推进速度-出土量系数变化曲线图；

图9为现有技术的一种出土量监控系统结构示意图；

图10为现有技术的一种出土量监控系统界面示意图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

还需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。

本发明提供的一种盾构施工出土可视化监控管理方法，该方法基于出土量监控管理系统，参见图1，图1为盾构施工出土量监控管理系统结构布置示意图，该系统包括盾构PLC1、皮带秤、无线通信模块2和终端设备3，所述皮带秤安装在盾构机皮带机10上，能够采集盾构施工参数，并通过运算至少得到出土速度、推进速度或推进行程、瞬时出土量、当前环出土量，所述方法包括出土速度监控管理和出土量监控管理两部分，其中：

所述出土速度监控管理包括：

(1)定义出土量系数：出土量系数＝出土速度/推进速度，其中出土速度为当前出土量与预定时间前出土量的差值，即该预定时间内的出土量，推进速度为当前推进行程与预定时间前推进行程的差值，即该预定时间内的推进行程；

本发明在出土量数据分析上提出了新的理论方案，即定义出土量系数，出土量系数即单位距离的出土量，或者称单位推进行程的出土量，能够反映出土速度与推进速度/推进行程之间的对应关系，通过独特设计的出土量监控管理系统，将出土量系数实时显示在终端设备的主界面上，见图2-图5曲线图，从而使得现场施工人员能够直观地获知当前盾构施工的出土速度、推进速度/推进行程，以及二者之间的相对关系，便于实时地对盾构施工出土速率和推进速度进行调整，以稳定出土量系数，保持平稳出土。

具体施工中，取每10秒为预定时间间隔，出土速度为当前出土量减10秒前的出土量，即每10秒盾构的出土量，同样，推进速度为当前推进行程减10秒前的推进行程，即每10秒盾构的推进行程。

(2)所述出土量监控管理系统通过运算得到出土速度和推进速度，自动计算出出土量系数，并实时显示出土量系数曲线图在终端设备上，以供盾构施工的监控管理；

参见图2、图3，图2为本发明出土量监控管理系统一种实施方式的主界面图，图3为本发明出土量监控管理系统另一种实施方式的主界面图，界面左上区域直观地显示了出土速度、推进速度以及出土量系数关系变化曲线，界面右上区域定量地显示了当前的推进速度等参数。

进一步的，所述出土量监控管理包括：

(1)计算当前环的理论出土量：根据当前环范围内土体的物理参数和体积计算当前环的理论出土量，并在终端设备上设定每环的理论出土量值；

理论出土量为根据盾构地层的土体参数通过理论计算得到的出土量，其作为后面实际测量出土量的对比参考依据，计算出每环理论出土量值，在出土量监控管理系统上进行标定，系统柱状曲线图上自动画出一条理论出土量的标准线，如图2、图3右下区域的横线。

(2)测量当前环的实际环出土量：随盾构的推进，所述出土量监控管理系统对当前环的出土量进行测量，得到瞬时出土量和当前环出土量，进一步通过对当前环出土量进行累加得到实际环出土量，并在终端设备上实时显示瞬时出土量、当前环出土量和实际环出土量值，参见图2、图3右上区域；

(3)计算当前环的标准环出土量：将当前环的实际环出土量折算成盾构推进距离为标准环宽度的标准环出土量，即标准环出土量＝(实际环出土量/推进行程)*标准环环宽，并在终端设备上实时显示标准环出土量值，以供盾构施工的监控管理。

将实际环出土量折算成标准环出土量的原因在于，实际出土量的大小不能和理论出土量直接进行比较，因为实际施工过程中实际每环盾构推进的距离并不是理论出土量计算中的标准环宽度，因此需要进行标准环的折算。计算每环的出土量除推进行程得到该环每推进1mm盾构的出土重量，得到的单位行程的出土量再乘以标准环环宽，即能得到当前环推进行程折算成标准环环宽行程的出土量。

如图2显示某工程123-130环共8环盾构的理论出土量、实际环出土量、标准环出土量对比关系，图3显示某工程917-926环共10环盾构的理论出土量、实际环出土量、标准环出土量对比关系，不仅方便盾构仓驾驶室内的操作人员实时查看和调整，也便于现场施工人员根据盾构情况实时对实际环出土量进行调整，将实际环出土量控制在理论出土量附近。

在一个实施例中，出土速度监控管理还包括：(3)实时监控并调整施工参数，以稳定出土量系数，保持平稳出土。

在一个实施例中，出土量监控管理还包括：(4)将标准环出土量与理论出土量进行比较，以对后续推进过程中的实际环出土量进行控制，将其维持在理论出土量附近。

在一个实施例中，终端设备上还实时显示盾构施工出土的当前状态数据。当前状态＝(当前出土-理论出土)/理论出土，但这个理论出土是根据当前行程动态变化的，比如环宽1200mm，施工方案给出每环理论出土90t(如果施工方案没有给出，则取前十环的平均出土量为理论出土量)，目前推了600mm，那么理论出土为90t/1200mm*600mm＝45t，推了1300mm，那么理论出土就是90t/1200mm*1300mm＝97.5t，推了1200mm，那么理论出土正好就是理论计算出的理论出土量。参见图2中，当前状态显示偏高15％，图3中当前状态显示偏高0.31％，则需要对当前出土进行适当调整，以使得出土更合理。

再参见图1，本发明还涉及一种用于可视化监控管理方法的出土量可视化监控管理系统，该系统包括盾构PLC1、皮带秤、无线通信模块2和终端设备3，所述皮带秤安装在盾构机皮带机10上，能够采集盾构施工参数，并通过运算至少得到出土速度、推进速度或推进行程、瞬时出土量、当前环出土量。

在一个实施例中，皮带秤包括称重传感器5、速度传感器6和数据采集处理器，数据采集处理器从称重传感器和速度传感器接收信号，通过运算得到瞬时出土量和当前环出土量。

在一个实施例中，数据采集处理器为积算仪7，积算仪应用广泛，功能强大，尤其是流量获取，能够从称重传感器和速度传感器接收信号，通过积分运算得到瞬时出土量和当前环出土量。

在一个实施例中，称重传感器5的一端通过传输线连接于皮带机10上的称重托辊8，另一端通过传输线连接于积算仪7。

在一个实施例中，速度传感器6安装于皮带机10上，并通过传输线连接于积算仪7。

在一个实施例中，出土量可视化监控管理系统还包括云服务器4，终端设备的数据能够再传输到云服务器，实现数据共享，便于远程监控、管理以及数据存储。

在一个实施例中，终端设备3为工业平板电脑，便于现场携带和使用。

本发明的方案为：在盾构机皮带机上安装皮带秤，皮带秤包括称重传感器、速度传感器和积算仪，积算仪从称重传感器和速度传感器接收信号，通过积分运算得到瞬时出土量和当前环出土量，数据通过无线通信模块转为WIFI信号无线传输至现场的工业平板电脑，随后工业平板电脑再传输到云服务器，实现数据共享。本发明增添了盾构参数的显示功能，盾构PLC与无线通信模块连接，依靠PLC与出土量监控管理系统的通信协议，将数据传输并显示在系统界面中。

需要说明的是，上述当前环出土量为当前环的当前状态下的累积出土量，是一个未完成的状态，而不是当前环的最终累积出土量。

下面对本发明的实际工程应用效果进行详细阐述：

使用本系统对北京新机场某区间进行实地出土量测量，按照步骤安装皮带秤，进行测量前计算测量环的理论出土量。该区间1441环至1913环为EⅢ组段，组段地质条件为砂质粉土黏质粉土层、粉细砂层及卵石圆砾层。勘测得到各类土体积为：砂质粉土黏质粉土9.34m³；粉细砂24.87m³；卵石圆砾71.32m³。根据地质勘察报告可知各土层密度分别为：砂质粉土黏质粉土层1.96g/cm³；粉细砂层1.96g/cm³；卵石圆砾层2.05g/cm³。理论出土量还须加上每环注入渣土中13至15m³的膨润土重量，根据以上信息计算理论出土量为：

W＝9.34m³×1960kg/m³+24.87m³×1960kg/m³+71.32m³×2050kg/m³+W膨润土＝234(t)；

得出该组段每环理论出土量约为234吨。在出土量监控管理系统上设定每环理论出土量值，系统柱状曲线图上自动画出一条理论出土量的标准线，参见图2-图4所示。

现设定1500环至1505环理论出土量都为234(t)，从出土量监控管理系统导出出土量数据，如图7圆点连线所示理论出土量的标准线。本系统测量该组段的1500环至1505环的出土量，获取皮带秤实际称重结果数据作图，如图7中柱状图所示(系统界面的柱状图能够随推进过程不断升高)。

从图7可对历史出土量的对比进行分析：

图中圆点连线表示理论出土量，方形点连线表示当前环的标准环出土量，例：第1500环出土量为251.549(t)，推进行程为1511mm，单位行程的出土量为251.549(t)÷1511mm＝0.1665(t/mm)，单位行程的出土量乘标准环环宽得到当前环的标准环出土量：0.1665(t/mm)×1600mm＝266.366(t)，与理论出土量比较可以得出结论：该环出土量过大，超挖32吨土，超挖近12％。因此在第1501环，须减少盾构出土量，达到了控制出土量的目的，后续推进过程中可以给盾构操作员一个参照，吸取经验将实际环出土量控制在理论出土量附近，从而实现对最终出土量的分析、评价和控制，防止出土量过大导致开挖面地层损失过大而坍塌或引起地表过量沉降，或者出土量过小会使土舱内压力迅速增大。

图8显示了第1500环推进速度-出土量系数变化曲线，从图8能够对出土过程数据进行分析：

皮带机出土过程中每十秒获得一条出土信息，用盾构机每10秒获得的盾构机皮带机出土速度除推进速度，得到某时刻的出土量系数，出土量监控管理系统自动计算并实时显示出土量系数，例如，1500环出土过程中的出土量系数曲线如图8，该图同步实时显示推进速度变化曲线。

出土量系数曲线不仅准确真实地反映了盾构掘进过程中出土量的变化情况，还为出土量的控制提供了依据。已知出土量系数的定义为：出土量系数＝出土速度/推进速度，要稳定出土量系数以控制出土。若推进速度下降，须降低出土速度，也就是减小螺旋输送机的转速，若推进速度上升，须提高出土速度，也就是加快螺旋输送机转速，保证出土速度与推进速度的相对平稳。通过现场实时地调整，保持了出土量系数的稳定，方便地控制出土速度，从而实现对出土过程的分析、评价和控制，防止盾构推进的时候出土过快导致刀盘土压低，或者出土过慢导致土舱内压力太大。

实测结果表明，本出土量可视化监控管理系统皮带秤测量设备能够正常安装及使用，出土量数据实时且稳定，显示及数据分析功能正常，能够准确真实地反映出盾构掘进过程中出土量的变化情况，从盾构施工过程和结果两个维度对盾构施工出土进行分析、评价和控制，真实有效地指导了地铁北京新机场线等多个盾构工程的施工。本发明系统处理和显示界面直观、功能完善，能满足不同工况、不同施工人员的需求，方便盾构驾驶室、现场施工人员以及相关管理人员的监控。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种盾构施工出土可视化监控管理方法，其特征在于：所述方法基于出土量监控管理系统，该系统包括盾构PLC、皮带秤、无线通信模块和终端设备，所述皮带秤安装在盾构机皮带机上，能够采集盾构施工参数，并通过运算至少得到出土速度、推进速度或推进行程、瞬时出土量、当前环出土量，所述方法包括出土速度监控管理和出土量监控管理两部分，其中：

所述出土速度监控管理包括：

(1)定义出土量系数：出土量系数＝出土速度/推进速度，其中出土速度为当前出土量与预定时间前出土量的差值，即该预定时间内的出土量，推进速度为当前推进行程与预定时间前推进行程的差值，即该预定时间内的推进行程；

(2)所述出土量监控管理系统通过运算得到出土速度和推进速度，自动计算出出土量系数，并实时显示出土量系数曲线图在终端设备上，以供盾构施工的监控管理；

所述出土量监控管理包括：

(1)计算当前环的理论出土量：根据当前环范围内土体的物理参数和体积计算当前环的理论出土量，并在终端设备上设定每环的理论出土量值；

(2)测量当前环的实际环出土量：随盾构的推进，所述出土量监控管理系统对当前环的出土量进行测量，得到瞬时出土量和当前环出土量，进一步通过对当前环出土量进行累加得到实际环出土量，并在终端设备上实时显示瞬时出土量、当前环出土量和实际环出土量值；

(3)计算当前环的标准环出土量：将当前环的实际环出土量折算成盾构推进距离为标准环宽度的标准环出土量，即标准环出土量＝(实际环出土量/推进行程)*标准环环宽，并在终端设备上实时显示标准环出土量值，以供盾构施工的监控管理。

2.根据权利要求1所述的可视化监控管理方法，其特征在于，所述出土速度监控管理还包括：

(3)实时监控并调整施工参数，以稳定出土量系数，保持平稳出土。

3.根据权利要求1或2所述的可视化监控管理方法，其特征在于，所述出土量监控管理还包括：

(4)将标准环出土量与理论出土量进行比较，以对后续推进过程中的实际环出土量进行控制，将其维持在理论出土量附近。

4.根据权利要求1所述的可视化监控管理方法，其特征在于，所述终端设备上还实时显示盾构施工出土的当前状态数据，并且当前状态＝(当前出土-理论出土)/理论出土，该理论出土根据当前推进行程动态变化。

5.根据权利要求1所述的可视化监控管理方法，其特征在于，所述预定时间为10s。

6.用于权利要求1-5任一项所述可视化监控管理方法的出土量可视化监控管理系统，其特征在于：

所述皮带秤包括称重传感器、速度传感器和数据采集处理器，数据采集处理器从称重传感器和速度传感器接收信号，通过运算得到瞬时出土量和当前环出土量。

7.根据权利要求6所述的出土量可视化监控管理系统，其特征在于，所述数据采集处理器为积算仪，所述称重传感器的一端通过传输线连接于皮带机上的称重托辊，另一端通过传输线连接于积算仪。

8.根据权利要求7所述的出土量可视化监控管理系统，其特征在于，所述速度传感器安装于皮带机上，并通过传输线连接于所述积算仪。

9.根据权利要求6所述的出土量可视化监控管理系统，其特征在于，还包括云服务器，所述终端设备的数据能够再传输到云服务器，实现数据共享。

10.根据权利要求6所述的出土量可视化监控管理系统，其特征在于，所述终端设备为工业平板电脑。

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