CN114111555A - 一种机械式盾构/tbm盾尾间隙实时测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种机械式盾构/tbm盾尾间隙实时测量装置及其测量方法 Download PDF

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郭璐
王俊杰
许华国
蔡骏
刘家俊
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China Railway Tunnel Group Co Ltd CRTG
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China Railway Tunnel Group Co Ltd CRTG
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Abstract

本发明公开了一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置，包括自由旋转杆和与护盾尾部的内壁固定连接的底座，在底座上设有具有安装孔的安装座，在安装孔内设有磁敏角度传感器；在自由旋转杆的一端设有中空型转轴，在转轴上套设有扭簧，且转轴与磁敏角度传感器的转动轴固定连接；自由旋转杆的另一端自由设置，且与管片的外壁滑动接触式连接；扭簧的两根直脚分别撑紧自由旋转杆和底座；磁敏角度传感器通过RS485通讯模块与上位机连接。还公开了该测量装置的测量方法。本发明结构简单，对恶劣环境的适应能力强，能够应用于油污、潮湿、粉尘、泥浆等复杂的施工环境，连续测量精度高，可达到0.1mm，实现了对盾尾间隙的实时精准监控。

Description

一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及盾构机及TBM技术领域，具体涉及一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置及其测量方法。
背景技术
盾尾间隙是指盾构/TBM护盾尾部内壁与管片外壁之间的空隙。在盾构施工过程中，由于盾构/TBM掘进姿态不断变化，且各组推进油缸伸出长度无法时刻保持一致，存在行程差，导致盾尾间隙时刻处于变化中。当盾尾间隙超出设计允许的范围时，将会造成盾构/TBM的护盾与管片产生摩擦，导致管片破裂，还会加大盾构/TBM的推进阻力，降低掘进速度；会直接降低盾尾刷密封效果，甚至破坏盾尾密封系统，导致水泥浆外漏；严重时，甚至会造成管片错台、隧道渗漏、地面坍塌等。因此，在盾构/TBM施工时必须对盾尾间隙进行实时测量，在结合推进油缸行程差等数据后不断调整掘进姿态，以保证盾构/TBM施工的顺利进行。
目前，在我国盾构/TBM施工过程中，常用的盾尾间隙测量方法主要有人工测量和非接触式测量。人工测量方法每次的测量点位不能保持固定，盾尾间隙数据的连续性较差，而且测量人员的技术水平和测量方式都存在差异，测量精度相对较低，而相对复杂的施工环境还会给测量人员造成较大的安全隐患。对于非接触式测量方法，又有激光视觉、超声波等多种技术，但其均对周围环境具有较高要求，盾构/TBM施工环境相对复杂，油污、泥浆、粉尘、潮湿等因素均会导致非接触式测量方法故障频发，测量数据连续性差，且维护成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种测量精度高、对环境适应能力强的机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置。还提供了该测量装置的测量方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置，包括自由旋转杆和与护盾尾部的内壁固定连接的底座，在所述底座上设有具有安装孔的安装座，在所述安装孔内设有磁敏角度传感器；在所述自由旋转杆的一端设有中空型转轴，在所述转轴上套设有扭簧，且所述转轴与磁敏角度传感器的转动轴固定连接；所述自由旋转杆的另一端自由设置，且与管片的外壁滑动接触式连接；所述扭簧的两根直脚分别撑紧自由旋转杆和底座；所述磁敏角度传感器通过RS485通讯模块与上位机连接。
针对上述技术方案，底座与护盾尾部内壁固定连接，在盾尾间隙发生变化时，在扭簧的作用下，自由旋转杆的自由端始终与管片的外壁紧密接触，因此自由旋转杆带着磁敏角度传感器的转动轴相对底座转动，使底座和自由旋转杆之间的夹角发生变化，磁敏角度传感器将角度的变化通过RS485通讯模块传输到上位机内，再通过上位机对角度值进行转换得到盾尾间隙变化值，从而实现了实时对盾尾间隙的监测。
一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)在盾构/TBM盾尾间隙处沿圆周均布设置若干个该测量装置；
(2)将底座的底部固定在护盾尾部的内壁上，将自由旋转杆沿盾构/TBM掘进的反方向张开，并使其自由端紧贴管片的外壁设置；
(3)将磁敏角度传感器与自由旋转杆固定，使磁敏角度传感器可跟随自由旋转杆同步旋转；
(4)通过磁敏角度传感器测得底座和自由旋转杆之间的实时角度值α，并通过RS485通讯模块将测量数据传输至上位机，上位机通过计算得出对应的盾尾间隙值。
上述测量方法通过若干个盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置测得护盾尾部不同位置的多组盾尾间隙数据，对若干组盾尾间隙数据进行分析，得出管片安装的准确性，并对管片选型和姿态调整提供参考依据。
该方法操作简单，测量数据连续性好，测量数据精度高，适用范围广泛，安全性强，对工人技术水平要求低，维护成本低。
优选的，还包括盾尾间隙值的计算方法：
所述盾尾间隙值H的计算公式为：
H＝L·sinα
式中，H表示盾尾间隙值，L表示自由旋转杆的有效长度，α表示底座与自由旋转杆之间的夹角角度值。
本发明的有益效果是：
本发明当盾尾间隙发生变化时，在扭簧弹力作用下，自由旋转杆可带动磁敏角度传感器绕转轴转动，磁敏角度传感器可实时测出自由旋转杆和底座之前的夹角，根据角度值可以计算得出盾尾间隙值。
本发明采用机械式的测量方式测量盾尾间隙值，避免了人工测量方式的效率低、误差大、数值不连续、点位不固定的问题，也避免了非接触式测量方式的环境适应性差问题。
本发明结构简单，对恶劣环境的适应能力强，能够应用于油污、潮湿、粉尘、泥浆等复杂的施工环境，连续测量精度高，可达到0.1mm，实现了对盾尾间隙的实时精准监控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为发明的安装示意图。
图中：1管片，2护盾尾部，3自由旋转杆，4底座，5扭簧，6磁敏角度传感器，7RS485通讯模块，8上位机，9安装座，10转轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1-2所示，一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置，包括自由旋转杆3和与护盾尾部2的内壁固定连接的底座4，在底座4上设有具有安装孔的安装座9，在安装孔内固定设有磁敏角度传感器6；在自由旋转杆3的一端设有中空型转轴10，在转轴10上套设有扭簧5，且转轴10与磁敏角度传感器6的转动轴固定连接，使自由旋转杆3随转动轴一起转动，进而磁敏角度传感器6测得底座4与自由旋转杆3之间的角度变化；自由旋转杆3的另一端自由设置，且与管片1的外壁滑动接触式连接；扭簧5的两根直脚分别撑紧自由旋转杆3和底座4，并分别与其固定连接；磁敏角度传感器6通过RS485通讯模块7与上位机8连接。
底座4始终随着护盾尾部2的内壁移动，在扭簧5的作用下，底座4和自由旋转杆3之间始终被扭簧5撑紧，从而使自由旋转杆3的自由端始终与管片1外壁紧密接触，在自由旋转杆3的转动过程中，磁敏角度传感器6的转动轴随着自由旋转杆3一起转动，使磁敏角度传感器6对底座4和自由旋转杆3之间的角度变化进行实时监测，进而监测护盾尾部2和管片1之间的距离变化。
实施例2
一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)在盾构/TBM盾尾间隙处沿圆周均布设置若干个该测量装置；
(2)将底座4的底部固定在护盾尾部2的内壁上，将自由旋转杆3沿盾构/TBM掘进的反方向张开，并使其自由端紧贴管片的外壁设置；
(3)将磁敏角度传感器6与自由旋转杆3固定，使磁敏角度传感器6可跟随自由旋转杆3同步旋转；
(4)通过磁敏角度传感器6测得底座4和自由旋转杆3之间的实时角度值α，并通过RS485通讯模块7将测量数据传输至上位机8，上位机8通过计算得出对应的盾尾间隙值。
盾尾间隙值的计算方法：
所述盾尾间隙值H的计算公式为：
H＝L·sinα
式中，H表示盾尾间隙值，L表示自由旋转杆的有效长度，α表示底座与自由旋转杆之间的夹角角度值。
初始安装时，将自由旋转杆压紧与底座贴合，记录测量装置的初始高度H、自由旋转杆的长度L和磁敏角度传感器测得的初始角度值α0，并在上位机中进行初始值设置；当盾尾间隙发生变化时，上位机根据通讯模块发送的实时信号计算出当前的盾尾间隙值。
在护盾尾部内壁上均匀安装若干个盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置，所有测量装置沿圆周方向均匀分布，通过若干个测量装置分别测量护盾尾部不同位置的盾尾间隙值，通过对不同位置的盾尾间隙数据进行分析，可以得出管片安装的准确性，并为管片选型和姿态调整提供参考依据。
需要说明的是，本说明书附图所绘的装置结构、比例、大小等，均仅用以配合说明所揭示的内容，以供相关人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件；任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内，在无实质变更技术内容的条件下，当视为本发明可实施的范畴。
在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件，所涉及的结构设置方式、工作方式或控制方式如无特别说明，均为本领域常规的设置方式、工作方式或控制方式。
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限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置，其特征在于，包括自由旋转杆和与护盾尾部的内壁固定连接的底座，在所述底座上设有具有安装孔的安装座，在所述安装孔内设有磁敏角度传感器；在所述自由旋转杆的一端设有中空型转轴，在所述转轴上套设有扭簧，且所述转轴与磁敏角度传感器的转动轴固定连接；所述自由旋转杆的另一端自由设置，且与管片的外壁滑动接触式连接；所述扭簧的两根直脚分别撑紧自由旋转杆和底座；所述磁敏角度传感器通过RS485通讯模块与上位机连接。
2.一种权利要求1所述的机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在盾构/TBM盾尾间隙处沿圆周均布设置若干个该测量装置；
(2)将底座的底部固定在护盾尾部的内壁上，将自由旋转杆沿盾构/TBM掘进的反方向张开，并使其自由端紧贴管片的外壁设置；
(3)将磁敏角度传感器与自由旋转杆固定，使磁敏角度传感器可跟随自由旋转杆同步旋转；
(4)通过磁敏角度传感器测得底座和自由旋转杆之间的实时角度值α，并通过RS485通讯模块将测量数据传输至上位机，上位机通过计算得出对应的盾尾间隙值。
3.根据权利要求2所述的机械式盾构/TBM盾尾间隙实时测量装置的测量方法，其特征在于，还包括盾尾间隙值的计算方法：
所述盾尾间隙值H的计算公式为：
H＝L·sinα
式中，H表示盾尾间隙值，L表示自由旋转杆的有效长度，α表示底座与自由旋转杆之间的夹角角度值。
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