CN113639937A - 一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法 - Google Patents

一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113639937A
CN113639937A CN202110973944.7A CN202110973944A CN113639937A CN 113639937 A CN113639937 A CN 113639937A CN 202110973944 A CN202110973944 A CN 202110973944A CN 113639937 A CN113639937 A CN 113639937A
Authority
CN
China
Prior art keywords
shield tail
early warning
shield
brush
tail sealing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110973944.7A
Other languages
English (en)
Inventor
高墅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ganjingzi District Exquisite Education Consulting Studio
Original Assignee
Ganjingzi District Exquisite Education Consulting Studio
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ganjingzi District Exquisite Education Consulting Studio filed Critical Ganjingzi District Exquisite Education Consulting Studio
Priority to CN202110973944.7A priority Critical patent/CN113639937A/zh
Publication of CN113639937A publication Critical patent/CN113639937A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/26—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/0635—Tail sealing means, e.g. used as end shuttering

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)

Abstract

本专利提出了一种基于盾尾刷内水分、盾尾刷磨损量及油脂消耗量的实时盾构盾尾密封状态监测系统，用于实时监测盾构盾尾密封状态，判定盾尾密封效果的监测系统，通过本系统及预警判定方法的应用，掌握盾尾刷损伤程度，为更换盾尾刷提供决策依据，避免盾尾密封失效而造成盾尾涌水涌砂甚至地层坍塌事故。

Description

一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法
技术领域
本发明属土木交通工程中的隧道工程盾构施工技术领域，可用于地铁、公路、铁路、输水输电隧道及地下综合管廊的盾构施工盾尾密封状态监测，确保盾构施工安全，避免层盾尾密封被外部水土压力击穿，产生透水涌砂通道冲入隧道，地面大范围坍塌。
背景技术
盾尾密封作为盾构机抵抗盾尾及管片外部地下水、同步注浆的三大密封系统之一发挥着重要的作用，盾尾密封一旦失效，极易造成盾尾涌水涌砂、地表坍塌事故。
盾尾刷是采用多道弹簧钢片与钢丝刷充填密封油脂的装置。
为了发挥盾尾密封的效果，需要在刷形盾尾密封的钢丝刷之间充填盾尾密封油脂。
掘进时，由于盾尾密封处的油脂会逐渐减少，因此，为保持密封性能，必须及时加注盾尾密封油脂。
盾尾密封油脂作为盾构机三大油脂之一，在盾构掘进过程中通过盾构机控制系统不断从油脂泵注入到几道盾尾刷间的油脂腔中达到一定压力以平衡盾尾外部压力。
盾构机主体盾尾部最末端设有3道至5道钢丝刷。
两道盾尾刷之间和管片及盾壳内壁组成的腔体内填充盾尾密封油脂。
部分盾构机盾尾密封安装有钢束板，为防止同步砂浆从盾构刀盘超挖间隙窜至刀盘舱，盾尾外部安装有1道止浆板。
盾尾刷焊接不牢、盾尾刷磨损过大、掘进过程中油脂加注不及时和数量不足、同步注浆压力过高击穿盾尾密封、盾构机姿态不良导致局部盾尾间隙过大等，均可造成密封效果降低、失效。
将直接引起盾构机外部泥水、流砂等涌入盾体，可能造成盾构机整机被淹或掌子面、盾体及管片支撑面失稳等情况，导致地面坍塌、成型隧道变形报废、盾构机整机被埋及重大人员伤亡等恶劣后果。
对于盾尾密封失效区域较为严重的情况需要进行尾刷更换作业，尾刷更换过程中处于盾尾密封能力较为薄弱期间，盾尾处注浆密封、加固止水效果差可能会导致更换尾刷期间出现较大渗漏，导致盾构机被淹，严重时导致隧道坍塌的风险。
盾构掘进1000m后,盾尾刷将大部分失效,尤其是小曲线半径线路,左右两侧尾刷易磨损严重。
盾构机盾尾漏浆常见原因包括盾尾刷损坏、盾构施工的注浆压力、注浆量、盾构机的掘进姿态、地质状况、盾尾密封油脂、管片拼装质量等多种因素。
外界水土压力、盾尾刷磨损、油脂舱油脂填充效果、管片与盾尾间隙相关性较大。
盾尾密封的效果遵守木桶效应，即盾尾密封效果取决于盾尾密封状态最差的位置，此位置极易引起盾尾漏浆、涌水涌砂等问题。
盾构间隙指盾尾刷位置盾构盾壳内壁与管片外弧面之间的间隙。
以往盾尾密封效果监测的思路较为单一，无法做到准确、系统的评价，专利及研究主要思路为监测盾尾油脂腔的油脂压力及盾尾土压力，这样并未从系统性上进行全面评价，误差较大。
部分专利思路采用光纤传感器测定盾尾刷磨损程度及盾尾密封效果，但光纤传感器不易固定而造成测量误差大，且盾尾内砂砾地下水及油脂造成工作环境恶劣很容易光纤传感器损坏，因此实际实施较为困难。
本专利从影响盾尾密封效果的多个因素进行监测，并系统性的进行综合评价，得出更为准确的监测结果，更能指导现场施工控制。
发明内容
本专利公开了基于水分、盾尾刷磨损量及油脂消耗的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法。
根据前述内容，盾尾密封效果和诸多因素有关，主要有：盾尾刷的完好程度（磨损程度）、盾尾外部水土压力及同步注浆压力、盾尾油脂的注入量及油脂腔中的压力、盾尾与管片间隙等因素。
本盾尾密封状态监测系统由：盾尾刷钢丝的磨损量监测子系统20、盾构机自带传感器系统30、盾尾密封油脂腔水分监测子系统40、数据处理子系统50、显示及输入设备60组成。
通过盾尾刷钢丝的磨损量监测子系统20测出盾尾刷钢丝刷的磨损长度，推算出盾尾刷的磨损程度。
通过测出盾尾密封油脂在某一时间段内的消耗量及某一时间点的盾尾油脂腔内油脂压力。
盾尾密封油脂腔水分监测子系统40测出盾尾密封油脂腔一1021、油脂腔二1022
中的外部地层中水分在各级盾尾密封油脂腔中的水压力，来判定盾尾密封抵抗外部水压的效果。
数据处理子系统50对以往数据进行大数据处理，综合各项检测数值的变化程度进行对比，得出判定结果。
附图说明
图1为本系统组织图。
图2结构纵剖面图。
图3结构详图。
图中各组成为：盾构机盾尾密封10：盾尾刷101、第一道盾尾刷1011、第二道盾尾刷1012、第三道盾尾刷1013、油脂腔一1021、油脂腔二1022、盾尾刷弹簧板103、盾尾止浆板104、盾尾壳体105、盾尾密封油脂106、盾壳线缆管107；管片111；地层112；同步注浆浆液及地下水113；盾构超挖间隙114；盾尾刷钢丝的磨损量监测子系统20：丝状电子检测元器件201、磨损量检测传感器202、磨损量检测传感器传输线203；盾构机自带传感器系统30；油脂注入量传感器301；油脂注入压力传感器302；盾尾密封油脂腔水分监测子系统40：探针401、水分传感器402、水分传感器数据线403；数据处理子系统50：数据库模块501、处理模块502、算法模块503；显示及输入设备60。
具体实施方式
当盾尾密封结构良好时，盾尾密封油脂注入压力和注入量数值相对稳定；当盾尾密封结构损坏时，盾尾密封油脂注入压力和注入量发生一定变化。
盾构停止掘进时，盾尾密封损坏位置的油脂腔压力降低速率会出现异常。
通过盾尾密封油脂注入量、注入压力及压力降速率的数据统计，预测盾尾密封结构性能。
盾构机自刀盘为前，盾体为后。
盾构机盾尾密封10，由盾尾刷101、油脂腔102组成。
油脂腔102由油脂腔一1021、油脂腔二1022组成，依次编号。
第一道盾尾刷1011、第二道盾尾刷1012、第三道盾尾刷1013，依次编号。
盾尾刷钢丝的磨损量监测子系统20由丝状电子检测元器件201、磨损量检测传感器202、磨损量检测传感器传输线203组成。
盾构机自带传感器系统30包含盾构机自带的油脂注入量传感器301、油脂压力传感器302。
盾尾刷钢丝内设置多根丝状电子检测元器件201，丝状电子检测元器件201
磨损造成电流、电压变化，进而判别盾尾刷钢丝磨损情况。
水分传感器为市场上成熟产品，其基本原理及部件不在本专利申请范围，水分传感器一般由上电极、湿敏材料、下电极、探针、玻璃底衬组成，水分含量不同，土壤的电阻值就不同，三极管的基极就提供了大小变化的导通电流，三极管集电极到发射极的导通电流受到基极控制，经过发射极的下拉电阻后转换成电压，进而得出水分大小情况。
本装置中的传感器工作电流为20～30mA。
本装置中的传感器输出信号为4～20mA；0～2/5/10V DC；RS485通讯输出信号。
油脂消耗量由油脂泵自带计数器统计，为市场上成熟产品，其基本原理及部件不在本专利申请范围。
数据处理子系统50由数据库模块501、处理模块502、算法模块503组成。
数据处理子系统50为专门存储、统计、计算本盾构区间以往数据的计算子系统。
数据库模块501用于存储既往各参数数据。
处理模块502负责调用数据库模块501相关数据和算法模块503中的评价算法。
算法模块503是针对预警等级的评价算法，具体如下。
不同厂家、不同型号的盾尾油脂对密封效果影响很大，目前不能做到统一量化。
在不同地质条件、盾构机、油脂品牌、情况，盾构机盾尾油脂使用量也不同，所以油脂注入量不能作为横向比较，只能做纵向对比。
在无法对地质条件、盾构机油脂系统做出量化前，适合使用纵向进行比较，即对比该区间前期掘进情况进行对比。
预警按类别分为3个情况，即绝对值预警、变化速率预警、绝对值和变化速率同时预警3类。
预警按子系统预警划分为3个情况，即发生预警的子系统的个数为1个、2个、3个。
盾尾密封状态预警评判根据绝对值阈值和变化速率阈值进行评判，突出分级预警的原则。
预警状态分为5个等级，其中1级预警状态程度最高，依次递减，5级预警程度最低。
f1(t)为第盾尾刷钢丝在t时刻磨损情况的表示公式，其中第一道盾尾刷至第m道盾尾刷依次为fa1(t)……fm1(t)。
f2(t)为盾尾密封油脂腔在t时刻水分程度的表示公式，其中第一个盾尾密封油脂腔至第m个盾尾密封油脂腔依次为fa2(t)……fm2(t)。
f3(t)为盾尾刷油脂在t时刻注入情况的绝对值表示公式。
fn(t)泛指f1 、f2 、f3这3个表示公式。
Z1、Z2、Z3分别为f1(t)、f2(t)、f3(t)的阈值控制值。
其中Z1值为盾尾刷钢丝长度阈值，Za1为90%盾尾刷钢丝原长度、Zb1为85%盾尾刷钢丝原长度、Zc1为80%盾尾刷钢丝原长度、Zd1为75%盾尾刷钢丝原长度，超过阈值即为超限。
Z2为盾尾密封油脂腔的水分阈值，Za2=1%、Za2=5%、Za2=10%,超过阈值即为超限。
Z3为盾尾密封油油脂注入情况的阈值，根据施工情况进行取值，超过阈值即为超限。
Pn(t)泛指f1 、f2 、f3这3个变化速率的评价公式。
Pn(t)=
Figure 814781DEST_PATH_IMAGE001
为t时刻变化速率的表示公式，x为时间间隔。
本发明专利中，时间间隔x取短、中、长三个时间间隔进行计算，即1天、7天、50天。
Pn(t)的对1天、7天、50天的计算结果阈值分别为0.15%、1%、7%。，超过阈值即为超限。
预警等级表如下。
Figure 702490DEST_PATH_IMAGE002
在系统发出盾尾密封状态预警后，立即进行人工核查和盾尾现场检查，根据检查结果，制定盾尾密封处理方案。
本发明专利阐述的为技术思路，实际可根据具体情况进行调整。

Claims (9)

1.一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，包括盾尾刷钢丝刷的磨损量监测子系统、盾尾密封油脂注入量和注入压力监测子系统、盾尾刷水分监测子系统及数据处理子系统组成。
2.其特征在于，测量各道盾尾刷内的水分、盾尾刷钢丝刷的磨损程度、油脂注入量及压力，通过与计算这三项数据的绝对值和变化速率，通过与阈值进行对比，并根据子系统的预警情况、绝对值和变化速率预警情况分为5个预警等级，进而实时综合监测、评价盾尾密封效果。
3.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，本系统通过测定盾尾刷的磨损程度、盾尾密封腔内水分变化情况、盾尾油脂的注入量及油脂腔中的压力、盾尾与管片间隙几个因素及与历史数据的对比情况综合的评价盾尾密封状态。
4.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，所述盾尾密封腔内安装有水分传感器、钢丝磨损传感器，通过传输线缆与盾构PLC采集系统连接，PLC与上位机连接。
5.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，各传感器简易、密封效果好，可适用于盾尾内的恶劣环境，并且传感器可采用同类型传感器进行替换。
6.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，通过盾尾刷钢丝刷的磨损量监测子系统测出盾尾刷钢丝刷的磨损长度，推算出盾尾刷的磨损程度。
7.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，盾尾密封油脂腔水分监测子系统测出盾尾密封油脂腔中的外部地层中水分在各级盾尾密封油脂腔中的水压力，来判定盾尾密封抵抗外部水压的效果。
8.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，通过盾尾刷钢丝刷的磨损量监测子系统测出盾尾刷钢丝刷的磨损长度，推算出盾尾刷的磨损程度。
9.根据权利要求1所述的一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法，其特征在于，通过与计算这三项数据的绝对值和变化速率，通过与阈值进行对比，并根据子系统的预警情况、绝对值和变化速率预警情况分为5个预警等级，即先根据子系统预警个数进行基本划分，再根据绝对值和变化速率是否均发生预警而进行预警等级提高。
CN202110973944.7A 2021-08-24 2021-08-24 一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法 Pending CN113639937A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110973944.7A CN113639937A (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110973944.7A CN113639937A (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113639937A true CN113639937A (zh) 2021-11-12

Family

ID=78423610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110973944.7A Pending CN113639937A (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113639937A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114217088A (zh) * 2021-12-25 2022-03-22 中铁工程装备集团有限公司 一种盾构机管片外部注浆自动协同检测方法
CN114518205A (zh) * 2022-01-07 2022-05-20 中铁工程装备集团有限公司 一种掘进机盾尾密封环腔泄漏检测装置及掘进机
CN117646657A (zh) * 2024-01-30 2024-03-05 中电建铁路建设投资集团有限公司 一种泥水盾构下穿技术的监测预警系统

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114217088A (zh) * 2021-12-25 2022-03-22 中铁工程装备集团有限公司 一种盾构机管片外部注浆自动协同检测方法
CN114217088B (zh) * 2021-12-25 2024-03-26 中铁工程装备集团有限公司 一种盾构机管片外部注浆自动协同检测方法
CN114518205A (zh) * 2022-01-07 2022-05-20 中铁工程装备集团有限公司 一种掘进机盾尾密封环腔泄漏检测装置及掘进机
CN117646657A (zh) * 2024-01-30 2024-03-05 中电建铁路建设投资集团有限公司 一种泥水盾构下穿技术的监测预警系统
CN117646657B (zh) * 2024-01-30 2024-04-16 中电建铁路建设投资集团有限公司 一种泥水盾构下穿技术的监测预警系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113639937A (zh) 一种盾构盾尾密封状态实时监测系统及预警方法
CN103743441B (zh) 一种边坡安全的多元耦合在线监测系统及方法
CN100540848C (zh) 预测煤巷突出的连续钻进流量法及其装置
CN103018788A (zh) 深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置及方法
CN101608548B (zh) 单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法
CN206487477U (zh) 一种控制盾构掘进出土量自动控制系统
CN104863627A (zh) 一种基于卸压条件下工作面瓦斯涌出量预测的方法
CN106949877A (zh) 一种多维度盾构隧道上方地表沉降的监测方法
CN103471647A (zh) 一种盾构隧道远程自动化监测方法
US20230051333A1 (en) Directional Drilling-Exploring-Monitoring Integrated Method for Guaranteeing Safety of Underwater Shield Tunnel
CN109709018B (zh) 一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置
CN101718201A (zh) 隧道钻爆法施工安全5参数判定方法
CN206862331U (zh) 地质内部位移三维监测系统
CN107387073B (zh) 一种随钻返出岩屑定量检测系统
EP2035767A1 (de) Verfahren und einrichtung zum ermitteln von verschiebungen und/oder deformationen im untertagbau
CN113586160B (zh) 一种基于人工智能的综放工作面水情监测系统
CN108489746B (zh) 螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机的装置和方法
CN104265368B (zh) 增阻导流连续钻进预测煤巷突出的流量法及其装置
CN104727815A (zh) 一种实时钻井地层修正预测方法及装置
CN104265364B (zh) 工作面采空区侧向煤体塑性区宽度监测确定方法
CN108981814B (zh) 一种用于监测巷道围岩实时参数的装置及方法
CN117287188A (zh) 基于井下压力数据流的钻井井漏监测方法
CN116049942A (zh) 一种应用于施工的软岩大变形快速判别及分级方法
CN115758515A (zh) Tbm隧道不良地质段智能支护决策方法
Quick et al. Aicha‐Mauls on the Brenner Base Tunnel–status of the works and results

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20211112