CN113250707A - 一种盾构施工实时预警系统以及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构施工实时预警系统，包括用于实时扫描传送带上土方的截面测量装置、用于检测传动带传送速度的速度检测装置、用于数据综合运算的处理器和检测盾构机实时掘进量的掘进测量装置；所述处理器与所述截面测量装置、所述速度检测装置以及所述掘进测量装置连接。本发明还公开了一种盾构施工实时预警方法。本发明的盾构施工实时预警系统以及预警方法能够实时进行掘进土方量的测量和风险预警，提高了施工的安全性，并且本发明没有人为因素干扰，测量计算精确、高效。

Description

一种盾构施工实时预警系统以及预警方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种盾构施工实时预警系统以及预警方法。

背景技术

随着我国道路工程的不断推进，盾构法因其安全性高、在地下作业施工不影响地上的正常活动、施工不受气候条件的影响等优势，在隧道建设中得到广泛应用。盾构法是盾构机利用切削装置进行土体开挖，在通过传送带开挖土方运至隧道外。在盾构机掘进过程中，一方面可能会由于开挖土体性质较差，隧道在开挖过程中，开挖面附近土体受到扰动产生沉降，从而引发地表沉降或路面塌方；另一方面，隧道开挖过程中可能会遇到溶洞等空穴，给隧道施工带来重大的安全和质量隐患。土体塌方和存在空穴均可以通过盾构机挖土量表征，其中，土体超挖表示开挖面附近存在土体塌方，土体亏挖则表示在掘进过程中存在空穴。因此，在盾构掘进过程中，土方量的实时测量尤为重要。

当前，盾构掘进过程中的土方量主要通过人工测量获得，其具体流程为：利用传送带将渣土传送至渣土车，通过记录每斗的空余深度估算渣土方量；通过门市吊机对每斗渣土称重，并根据经验密度或松散系数计算每斗的渣土方量。

然而，人工测量工作效率低，测量不精确，人为因素干扰严重；并且在盾构掘进过程中无法实时监测渣土方量，无法及时发现隧道超挖或亏挖，进而无法实现开挖过程中的实时预警。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种盾构施工实时预警系统以及预警方法，可实时测量盾构机在掘进过程中的土方量，并对掘进过程中所存在的风险进行预警。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种盾构施工实时预警系统，包括用于实时扫描传送带上土方的截面测量装置、用于检测传动带传送速度的速度检测装置、用于数据综合运算的处理器和检测盾构机实时掘进量的掘进测量装置；所述处理器与所述截面测量装置、所述速度检测装置以及所述掘进测量装置连接。

进一步的，所述截面测量装置设置在盾构机传送带的上方。

进一步的，所述截面测量装置为激光雷达。

进一步的，所述速度检测装置安装在盾构机传送带的下方或侧方。

进一步的，所述掘进测量装置安装在盾构机上。

进一步的，所述盾构施工实时预警系统还包括报警装置；所述处理器与所述报警装置连接。

一种盾构施工实时预警方法，包括如下步骤：

步骤一、计算出传送带上土方的实时横截面积A_S；

步骤二、将土方实时横截面积A_S与传送带的实时速度v的乘积，在时间区间(t₀,t)内积分，得到该时间区间内传送带上的实际土方量V：

步骤三、实时测量盾构机的单次掘进里程L_N，计算出单位掘进里程实际土方量A_N：

A_N＝V/L_N；

步骤四、根据盾构机的最大开挖面积S和土壤松散系数n，计算盾构机单位里程理论土方量AT：

A_T＝S*n；

步骤五、计算单位掘进里程实际土方量A_N与单位里程理论土方量AT的偏差程度D_N：

D_N＝(A_N-A_T)/A_T；

步骤六、根据D_N的数值进行盾构施工实时预警

进一步的，在步骤一中，预先扫描空载时传送带上方的有效面积A_R；实时扫描传送带上有土方时的有效面积A_M；再根据下式计算出传送带上土方的所述实时横截面积A_S：

A_S＝A_R-A_M。

进一步的，所述时间区间(t₀,t)与所述单次掘进里程L_N相对应。

进一步的，在步骤六中，当-30％≤D_N≤30％时，则判断在盾构机掘进过程中土量相对稳定，引起的塌方的风险较低；当D_N＞30％或D_N＜-30％时，则判断在盾构机掘进过程中出现塌方的风险较大，应当停止掘进。

进一步的，在步骤六中，当D_N＞30％或D_N＜-30％时，处理器指令报警装置报警。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明的盾构施工实时预警系统以及预警方法能够实时计算掘进设备在掘进过程中实际掘进土方量以及实际掘进土方量与理论掘进土方量之间的土方量偏差程度，根据土方偏差程度判断掘进设备在掘进过程中是否出现多挖或亏挖，以及在掘进过程中土量是否相对稳定，进而判断在掘进过程中出现塌方等风险的可能性，实时对可能存在的风险进行预警，从而采取相关措施，排除风险之后再继续掘进，提高了施工的安全性；并且，本发明没有人为因素干扰，测量计算精确，测量计算效率高。

附图说明

图1是本发明一种盾构施工实时预警系统的示意框图；

图2是传送带上土方横截面积计算原理示意图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度h”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

参照图1，本发明的一种盾构施工实时预警系统，包括用于实时扫描传送带上土方的截面测量装置、用于检测传送带传送速度的速度检测装置、用于数据综合运算的处理器、检测盾构机的实时掘进量的掘进测量装置。所述处理器分别与所述截面测量装置、所述速度检测装置和所述掘进测量装置连接。

所述截面测量装置设置在盾构机传送带的上方，实时横向扫描传送带上的土方，并将土方的实时轮廓曲线数据传送给所述处理器。所述截面测量装置优选为激光雷达。

所述处理器根据所述截面测量装置的测量数据计算出传送带上土方的实时横截面积A_S。

参见附图2，处理器根据传送带空载时所述截面测量装置预先扫描的有效面积A_R，以及传送带上有土方时所述截面测量装置所扫描的有效面积A_M，可以计算出传送带上土方的实时横截面积A_S：

A_S＝A_R-A_M (1)，

所述横截面积A_S是一个关于时间t的变量。

所述速度检测装置安装在盾构机传送带的下方或侧方，实时测量传送带的运行速度v，并将实时速度数据传送给所述处理器。

处理器将土方实时横截面积A_S与传送带的实时速度v的乘积，在时间区间(t₀,t)内积分，即可得到该时间区间内传送带上的实际土方量V：

所述掘进测量装置安装在盾构机上，实时测量盾构机的单次掘进里程L_N，并将实时掘进里程数据传送给所述处理器。上述时间区间(t₀,t)即是盾构机的单次掘进里程L_N所耗时间。

所述处理器进而计算出单位掘进里程实际土方量A_N：

A_N＝V/L_N (3)；

同时，所述处理器根据盾构机的最大开挖面积S和土壤松散系数n计算盾构机的单位里程理论土方量AT：

A_T＝(S*L_N*n)/L_N＝S*n (4)；

土壤松散系数n根据不同土质取对应经验值，为本领域技术常识。

将单位掘进里程实际土方量A_N与单位里程理论土方量AT的偏差程度记作D_N：

D_N＝(A_N-A_T)/A_T (5)。

根据第(5)等式的计算结果进行如下判断：

当D_N大于0时，则说明盾构机在第N次掘进过程中出现了多挖现象，出现多挖现象的原因可能是由于隧道上覆土层不稳定导致的土体沉降；

当D_N小于0时，则说明盾构机在第N次掘进过程中出现了亏挖现象，出现亏挖现象的原因可能是由于掘进过程中遇到了空穴；

具体的，当-30％≤D_N≤30％时，则说明在盾构机掘进过程中土量相对稳定，开挖引起的塌方等风险较低；

而当D_N＞30％或D_N＜-30％时，则说明在盾构机掘进过程中土量出现较大偏差，在掘进过程中出现塌方等风险的可能性大，应当停止掘进，并采取相关措施，排除风险之后再继续掘进。

作为优选方案，处理器与监控室的显示器连接。

实施例二

在上述实施例一的基础上，盾构施工实时预警系统还包括报警装置，处理器与报警装置连接。当处理器得到的土方量偏差程度D_N小于等于-30％或大于等于30％时，指令盾构机停机，并控制报警装置报警。

本发明同时提出了如下一种盾构施工实时预警方法，其步骤包括：

一、计算出传送带上土方的实时横截面积A_S；

二、将土方实时横截面积A_S与传送带的实时速度v的乘积，在时间区间(t₀,t)内积分，得到该时间区间内传送带上的实际土方量V：

三、实时测量盾构机的单次掘进里程L_N，计算出单位掘进里程实际土方量A_N：

A_N＝V/L_N；

四、根据盾构机的最大开挖面积S和土壤松散系数n，计算盾构机的单位里程理论土方量AT：

A_T＝S*n；

五、计算单位掘进里程实际土方量A_N与单位里程理论土方量AT的偏差程度D_N：

D_N＝(A_N-A_T)/A_T；

六、根据D_N的数值进行盾构施工实时预警。

进一步地，在步骤一中：

预先扫描空载时传送带上方的有效面积A_R；

实时扫描传送带上有土方时的有效面积A_M；

再根据下式计算出传送带上土方的实时横截面积A_S：

A_S＝A_R-A_M。

进一步地，所述时间区间(t₀,t)与所述单次掘进里程L_N相对应。

进一步地，在步骤六中：

当-30％≤D_N≤30％时，则判断在盾构机掘进过程中土量相对稳定，引起的塌方的风险较低；

当D_N＞30％或D_N＜-30％时，则判断在盾构机掘进过程中出现塌方的风险较大，应当停止掘进。

进一步地，在步骤六中：

当D_N＞30％或D_N＜-30％时，处理器指令报警装置报警。

本发明引入了单位里程掘进土方量这一概念，将传送带上的实际土方量换算为实际单位里程掘进土方量与理论计算值进行比较，根据两者的偏差程度判断盾构掘进过程中可能存在的超挖或者亏挖，并据此实现盾构施工过程中的实时预警和补救。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种盾构施工实时预警系统，其特征在于：

包括用于实时扫描传送带上土方的截面测量装置、用于检测传动带传送速度的速度检测装置、用于数据综合运算的处理器和检测盾构机实时掘进量的掘进测量装置；

所述处理器与所述截面测量装置、所述速度检测装置以及所述掘进测量装置连接。

2.根据权利要求1所述的盾构施工实时预警系统，其特征在于：

所述截面测量装置设置在盾构机传送带的上方。

3.根据权利要求1所述的盾构施工实时预警系统，其特征在于：

所述速度检测装置安装在盾构机传送带的下方或侧方。

4.根据权利要求1所述的盾构施工实时预警系统，其特征在于：

所述掘进测量装置安装在盾构机上。

5.根据权利要求1所述的盾构施工实时预警系统，其特征在于：

所述盾构施工实时预警系统还包括报警装置；

所述处理器与所述报警装置连接。

6.一种盾构施工实时预警方法，其特征在于：

包括如下步骤：

步骤一、计算出传送带上土方的实时横截面积A_S；

步骤二、将土方实时横截面积A_S与传送带的实时速度v的乘积，在时间区间(t₀,t)内积分，得到该时间区间内传送带上的实际土方量V：

步骤三、实时测量盾构机的单次掘进里程L_N，计算出单位掘进里程实际土方量A_N：

A_N＝V/L_N；

步骤四、根据盾构机的最大开挖面积S和土壤松散系数n，计算盾构机单位里程理论土方量AT：

A_T＝S*n；

步骤五、计算单位掘进里程实际土方量A_N与单位里程理论土方量AT的偏差程度D_N：

D_N＝(A_N-A_T)/A_T；

步骤六、根据D_N的数值进行盾构施工实时预警。

7.根据权利要求6所述的盾构施工实时预警方法，其特征在于：

在步骤一中，预先扫描空载时传送带上方的有效面积A_R；

实时扫描传送带上有土方时的有效面积A_M；

再根据下式计算出传送带上土方的所述实时横截面积A_S：

A_S＝A_R-A_M。

8.根据权利要求6所述的盾构施工实时预警方法，其特征在于：

所述时间区间(t₀,t)与所述单次掘进里程L_N相对应。

9.根据权利要求6所述的盾构施工实时预警方法，其特征在于：

在步骤六中，当-30％≤D_N≤30％时，则判断在盾构机掘进过程中土量相对稳定，引起的塌方的风险较低；

当D_N＞30％或D_N＜-30％时，则判断在盾构机掘进过程中出现塌方的风险较大，应当停止掘进。

10.根据权利要求6所述的盾构施工实时预警方法，其特征在于：

在步骤六中，当D_N＞30％或D_N＜-30％时，处理器指令报警装置报警。

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