CN111175450A - 一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置 - Google Patents

一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，属于隧道施工领域，目的在于公开一种能够安全、准确检测开挖仓有害气体聚集的实时检测装置，根据有害气体在开挖仓聚集时所引起的气压升高、液位降低，通过液位变化和大气压强的变化来检测有害气体在开挖仓的聚集。该有害气体实时检测装置包括液位检测装置和温度传感器两部分，液位检测装置由防爆压差传感器、和防爆压力传感器两部分组成，液位检测装置得到开挖仓内的气体状态参数气体压力和液位高度，温度传感器得到气体温度，通过所得的开挖仓气体初始状态参数和实时状态参数，最终输出有害气体的物质的量及其浓度。本发明解决了泥水盾构机掘进过程中开挖仓有害气体实时检测问题，提高了安全性、和准确性。

Description

一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域。
背景技术
伴随着现代化建设的不断深入，我国城市化进程进入快速发展模式，城市地下空间的利用和开发正成为现代化建设和可持续发展的重中之重。近年来越来越多的隧道施工需要穿越含有有害气体的地层，在掘进过程中，开挖仓内泥水压力略高于外部，泥浆将会始终在刀盘周边土体内形成渗透带，提前将原状土内的空隙水、气排除出一定范围，但实际开挖过程中多因素纠缠，如不能完全实现预期状态，开挖时释放出的气体将在开挖仓顶部聚集，特别是在越江隧道工程中，掘进过程中遭遇有害气体，主要成分为沼气，有害气体会快速、大量聚集在开挖仓顶部，会引起开挖仓气压增高，液位降低。根据气垫平衡式泥水盾构的原理，开挖仓顶部不能有大范围气体聚集。目前工程上的方法是：周期性检查开挖仓是否有气体聚集，若有，则采取放气措施，此时，若不采取特别措施，有害气体将会进入隧道内部。
原有的周期性检查的方法不能实时检测有害气体在开挖仓的聚集，有害气体可能会进入隧道内部，造成隧道工程中的安全隐患。
发明内容
为了弥补现有技术送料装置的缺陷，本发明提供一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置。可以有效解决上述问题，实时准确的检测有害气体的聚集，同时能够检测出进入开挖仓的有害气体含量，有效消除隧道施工过程的安全隐患。相比于传统周期性检查的方法更实时、高效、安全。
一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，包括液位检测装置、温度传感器和控制室，所述液位检测装置包括防爆压力传感器、多个压力测量元件和防爆压差传感器，所述压力测量元件分别设置在开挖仓的顶部和底部，所述压力测量元件通过采集电路连接所述防爆压差传感器，所述防爆压力传感器固定在开挖层内侧壁，所述温度传感器设置于开挖仓顶部测量开挖仓内气体温度，所述防爆压力传感器、防爆压差传感器和温度传感器的信号输出端通过数字通讯电路连接所述控制室的信号输入端。
进一步，为了提高安全性，所述防爆压差传感器、防爆压力传感器或温度传感器采用压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封。
进一步，所述防爆压力传感器安装于开挖仓内侧壁，设置于开挖仓上部液位液面上方位置。
进一步，所述压力测量元件分别设置在开挖仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力P，通过压力传输通路将所得液体压力引入传感器正压腔，大气压力P引入负压腔，得到压力差ΔP，通过ΔP＝ρ*g*H可以得到实时变化的液位高度H1。
进一步，为了提高检测精度，设置有两组以上的压力测量元件和压力传输通路，以及两个以上的防爆压差传感器，取大气压强平均值P和液位高度平均值H1。
进一步，所述液位检测装置分别测量开挖仓内初始的液位高度H0、有害气体进入开挖仓后的实时液位高度H1、初始气体压力P0、和有害气体进入开挖仓后的气体压力P1；所述温度传感器测量开挖仓内气体温度，包括初始气体温度T0，实时气体温度T1。
进一步，所述防爆压力传感器检测基于所测液体对所述开挖仓侧壁的压力P，压力P正比于液位高度H2。
进一步，为了适应不同的检测情形和场景，输出液位高度H，所述H为H1或H2或(H1+H2)/2或H1与H2的任意中间值。
进一步，本技术方案的检测步骤为：(a),先检测初始状态参数，包括初始液位H0，初始大气压力P0，初始气体温度T0，计算得到初始气体体积V0，其中，初始气体温度T0为绝对温度；(b),由PV＝nRT，R为常数，可以得到此时初始气体的物质的量n0；(c),再由液位检测装置和温度传感器检测得到实时状态参数，包括实时液位H1，实时大气压力P1，实时气体温度T1，计算得到实时开挖仓内气体体积V1；(d),根据PV＝nRT，得到实时气体的物质的量n1；(e),根据Δn＝n1-n0，C＝Δn/n1，输出Δn得到有害气体的物质的量，输出C得到开挖仓有害气体浓度。
进一步，计算初始气体体积V0的公式为：V0＝S*(H总-H0)，其中H总表示开挖仓高度，S表示开挖仓底面积或者开挖仓等效底面积；计算实时气体体积V1的公式为：V1＝S*(H总-H1)，其中H总表示开挖仓高度，S表示开挖仓底面积或者开挖仓等效底面积。
本发明的有益效果是：
(1)提高安全性：现有周期性检测的方法，不能实时检测有害气体在开挖仓顶部的聚集，本发明的检测装置实时检测有害气体是否进入开挖仓顶部，减小有害气体进入隧道内部的危险，降低了有害气体引发危险程度较高的安全事故的可能性。
(2)提高准确性：本发明的实时检测装置依据液位高度H、大气压力P和温度T，准确得到初始气体物质的量和实时气体物质的量，差值Δn即为有害气体的物质的量，可以准确得到有害气体的物质的量及其浓度。。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是开挖仓有害气体实时检测装置工作原理图；
图2为开挖仓有害气体实时检测装置布置示意图；
图3为液位检测装置工作原理图。
附图说明：Ⅰ-防爆压差传感器，Ⅱ-防爆压力传感器，Ⅲ-温度传感器，1-开挖仓，2-压力测量元件，3-压力传输通路，4-数字通讯电路，5-控制室。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
本发明涉及一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，下面对本发明的优选实施例作进一步详细说明。
如图1所示，一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，包括液位检测装置、温度传感器和控制室，所述液位检测装置包括检测压力的防爆压力传感器、多个压力测量元件和检测压差的防爆压差传感器，所述压力测量元件分别设置在开挖仓的顶部和底部，所述压力测量元件通过采集电路连接所述防爆压差传感器，所述防爆压力传感器固定在开挖层内侧壁，所述温度传感器设置于开挖仓顶部测量开挖仓内气体温度，所述防爆压力传感器、防爆压差传感器和温度传感器的信号输出端通过数字通讯电路连接所述控制室的信号输入端，由控制室进行数据计算、处理、中转并输出。
本技术方案根据有害气体在开挖仓聚集时所引起的气压升高，液位降低，通过液位变化和大气压强的变化来检测有害气体在开挖仓的聚集。有害气体实时检测装置由液位检测装置和温度传感器两部分组成，所述液位检测装置分别测量开挖仓内初始的液位高度H0和有害气体进入开挖仓后的实时液位高度H1，同时液位测量装置还可以测量得到初始气体压力P0，有害气体进入开挖仓后的气体压力P1；所述的温度传感器安装于开挖仓顶部，测量开挖仓内气体温度，初始气体温度T0，实时气体温度T1。
所述的液位检测装置，包括防爆压差传感器和防爆压力传感器。所述传感器采用压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封，隔绝因电气元件产生电火花造成的易燃易爆现象。防爆压差传感器得到开挖仓底部压力和大气压力P，输出压差ΔP和大气压力P，由压差得到液位高度；防爆压力传感器，基于所测液体对开挖仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H。
所述的防爆压差传感器，压力测量元件分别安装在开挖仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力P，通过采集电路将所得液体压力引入传感器正压腔，大气压力P引入负压腔，所得压力差ΔP，可以得到实时变化的液位高度H1，同时输出所得的大气压力P；所述防爆压力传感器安装于开挖仓内侧壁，基于所测液体对开挖仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H，可以得到液位高度H2，优选求取H＝(H1+H2)/2，得到准确的液位高度H。
所述有害气体实时检测装置的工作方式：掘进过程中，在有害气体未进入开挖仓，根据液位检测装置和温度传感器得到此时的初始状态参数，包括初始液位H0，初始大气压力P0，初始气体温度T0。由初始液位H0可以得到此时开挖仓内气体体积V0，将所得初始温度T0转化成为绝对温度T0，由PV＝nRT公式，P表示压强，也即单位面积上的压力，R为常数，V为体积，n表示物质的量，T为绝对温度，可以得到此时初始气体的物质的量n0；掘进过程中遇到有害气体，进入开挖仓之后，再由液位检测装置和温度传感器得到实时状态参数，包括实时液位H1，实时大气压力P1，实时气体温度T1。由实时液位H1得到此时开挖仓内气体体积V1和T1，同样的，根据PV＝nRT，得到实时气体的物质的量n1。Δn＝n1-n0；C＝Δn/n1，输出Δn得到有害气体的物质的量，输出C得到开挖仓有害气体浓度。
参见图1，开挖仓有害气体实时检测装置工作原理图：掘进过程中，有害气体未进入开挖仓，根据液位检测装置和温度传感器Ⅲ得到此时的初始状态参数，包括初始液位H0，初始大气压力P0，初始气体温度T0。由初始液位H0可以得到此时开挖仓内气体体积：V0＝S*(H总-H0)，其中H总表示开挖仓高度，S表示开挖仓底面积或者开挖仓等效底面积，即底面积乘以高就是体积，该底面积不一定是绝对精准的底面积也还可以是计算得出来方便运算的等效参数。将所得温度转化成为绝对温度：T0＝T0+273，由PV＝nRT，R为常数，可以得到此时初始气体的物质的量n0；掘进过程中遇到有害气体，进入开挖仓之后，再由液位检测装置和温度传感器Ⅲ得到实时状态参数，包括实时液位H1，实时大气压力P1，实时气体温度T1。由实时液位H1得到此时开挖仓内气体体积V1＝S*(H总-H1)，T1＝T1+273，同样的，根据PV＝nRT，得到实时气体的物质的量n1。Δn＝n1-n0；C＝Δn/n1，输出Δn得到有害气体的物质的量，输出C得到开挖仓有害气体浓度。
参见图2，开挖仓有害气体实时检测装置布置方式为：将防爆压力传感器Ⅰ的压力测量元件分别安装在开挖仓顶部和底部，采集的大气压力和底部液体压力通过压力传输通路3传入防爆压差传感器Ⅰ，安装两个防爆压差传感器在相近的位置，图上为表示清楚将同一高度的传感器呈现出不同高度；防爆压力传感器Ⅱ安装在开挖仓侧壁，安装于开挖仓上部，位于液位液面上方；温度传感器Ⅲ安装在开挖仓顶部，测量得到大气温度。所述传感器的输出电流通过数字通讯电路4传入控制室5。
参见图3，液位检测装置工作原理：防爆压差传感器Ⅰ，压力测量元件2在开挖仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力P气，通过压力传输通路3将所得液体压力引入传感器正压腔，大气压力引入负压腔，所得压力差ΔP，可以得到实时变化的液位高度H，通过安装两个或两个以上防爆压差传感器，取大气压强平均值P气和液位高度平均值H1；防爆压力传感器Ⅱ，基于所测液体对开挖仓侧壁的压力，压力P正比于液位高度H，可以得到液位高度H2，求取H＝(H1+H2)/2，得到准确的液位高度H，输出液位高度H和大气压力P，从而可以通过参数计算达到检测目的。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：包括液位检测装置、温度传感器和控制室，所述液位检测装置包括防爆压力传感器、多个压力测量元件和防爆压差传感器，所述压力测量元件分别设置在开挖仓的顶部和底部，所述压力测量元件通过采集电路连接所述防爆压差传感器，所述防爆压力传感器固定在开挖层内侧壁，所述温度传感器设置于开挖仓顶部测量开挖仓内气体温度，所述防爆压力传感器、防爆压差传感器和温度传感器的信号输出端通过数字通讯电路连接所述控制室的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：所述防爆压差传感器、防爆压力传感器或温度传感器采用压力腔全一体化不锈钢结构，外层采用激光焊接双层密封，信号线全密封。
3.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：所述防爆压力传感器安装于开挖仓内侧壁，设置于开挖仓上部液位液面上方位置。
4.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：所述压力测量元件分别设置在开挖仓底部和顶部，分别得到液体压力和大气压力P，通过压力传输通路将所得液体压力引入传感器正压腔，大气压力P引入负压腔，得到压力差ΔP，通过ΔP＝ρ*g*H可以得到实时变化的液位高度H1。
5.根据权利要求4所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：设置有两组以上的压力测量元件和压力传输通路，以及两个以上的防爆压差传感器，取大气压强平均值P和液位高度平均值H1。
6.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：所述液位检测装置分别测量开挖仓内初始的液位高度H0、有害气体进入开挖仓后的实时液位高度H1、初始气体压力P0、和有害气体进入开挖仓后的气体压力P1；所述温度传感器测量开挖仓内气体温度，包括初始气体温度T0，实时气体温度T1。
7.根据权利要求5所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：所述防爆压力传感器检测基于所测液体对所述开挖仓侧壁的压力P，压力P正比于液位高度H2。
8.根据权利要求7所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：输出液位高度H，所述H为H1或H2或(H1+H2)/2或H1与H2的任意中间值。
9.根据权利要求1所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于，其检测步骤为：(a),先检测初始状态参数，包括初始液位H0，初始大气压力P0，初始气体温度T0，计算得到初始气体体积V0，其中，初始气体温度T0为绝对温度；(b),由PV＝nRT，R为常数，可以得到此时初始气体的物质的量n0；(c),再由液位检测装置和温度传感器检测得到实时状态参数，包括实时液位H1，实时大气压力P1，实时气体温度T1，计算得到实时开挖仓内气体体积V1；(d),根据PV＝nRT，得到实时气体的物质的量n1；(e),根据Δn＝n1-n0，C＝Δn/n1，输出Δn得到有害气体的物质的量，输出C得到开挖仓有害气体浓度。
10.根据权利要求9所述的一种大直径泥水盾构机开挖仓有害气体实时检测装置，其特征在于：计算初始气体体积V0的公式为：V0＝S*(H总-H0)，其中H总表示开挖仓高度，S表示开挖仓底面积或者开挖仓等效底面积；计算实时气体体积V1的公式为：V1＝S*(H总-H1)，其中H总表示开挖仓高度，S表示开挖仓底面积或者开挖仓等效底面积。
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