CN114136677A - 一种泥水盾构设备的综合监测实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构施工技术领域，特别是一种泥水盾构设备的综合监测实验平台，包括泥浆池、模拟掌子面土体、模拟刀盘、行走机构、设在行走机构上的超声波传感器、计算机，贯穿泥浆池侧壁与泥浆池连通的第一泥浆管道、并联在第一泥浆管道上的第一泥浆旁管、第二泥浆管道、并联在第二泥浆管道上的第二泥浆旁管。该平台可对泥水盾构掘进过程中泥水仓环境进行模拟，可进行泥水盾构刀盘泥饼监测技术、传感器设备的研究实验以及性能、参数测试等实验。

Description

一种泥水盾构设备的综合监测实验平台

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，特别是一种泥水盾构设备的综合监测实验平台。

背景技术

泥水盾构在施工过程中，特别是在粘土、泥岩等粘性地层中施工，易在刀盘结泥饼，导致盾构掘进速度降低，甚至无法继续施工，必需带压进仓进行人工清理，不仅风险极高，而且耗时长，延误工期，增加施工成本。

泥水盾构刀盘结泥饼的发现，只有在情况严重时，依靠盾构主司机的经验，根据掘进参数来判断，准确性和可靠性均较差。因此，对泥水盾构刀盘结泥饼情况的监测技术、传感器及设备的研究是非常必要，该实验平台为相关研究提供了实验条件。

发明内容

本发明的目的是为了进行泥水盾构刀盘结泥饼监测技术研究，相关传感器及设备的研发，提供一种泥水盾构设备的综合监测实验平台，该平台可对泥水盾构掘进过程中泥水仓环境进行模拟以及对各种参数的调整。

本发明的具体方案是：

设计一种泥水盾构设备的综合监测实验平台，包括泥浆池，在所述泥浆池的一侧内壁上设有模拟掌子面土体，在所述模拟掌子面土体上设有模拟刀盘；

在所述泥浆池的外围设有第一泥浆管道，在所述第一泥浆管道连通有第一泥浆泵，所述第一泥浆管道的两端分别连接有多条与泥浆池连通的支管一和支管二，所述支管一贯穿设有模拟刀盘的泥浆池侧壁，所述支管二贯穿与模拟刀盘相对的泥浆池侧壁，且在每条支管一和支管二上分别设有支管阀一和支管阀二；

在所述泥浆池的另外两侧壁上分别贯穿有多条与泥浆池连通的支管三和支管四，且在支管三和支管四上分别设有支管阀三和支管阀四，在所述支管三和支管四之间连通有第二泥浆管道，在所述第二泥浆管道上连通有第二泥浆泵；

在所述泥浆池的两侧壁上方设有行走机构，在所述行走机构上设有超声波传感器。

优选的，所述支管一为多条，分别位于模拟掌子面土体的上方和下方，所述支管二、支管三、支管四分别为多条，均从上到下依次设置。

优选的，在所述第一泥浆管道上并联有第一泥浆旁管，在所述第一泥浆旁管上设有两个相邻的旁管阀一和旁管阀二，在所述第一泥浆管道上设有两个与旁管阀一和旁管阀二对应的泥浆阀一和泥浆阀二，且所述第一泥浆泵与泥浆阀一和泥浆阀二之间的第一泥浆管道连通，并与旁管阀一和旁管阀二之间的第一泥浆旁管连通；

在所述第二泥浆管道上并联有第二泥浆旁管，在所述第二泥浆旁管上设有两个相邻的旁管阀三和旁管阀四，在所述第二泥浆管道上设有两个与旁管阀三和旁管阀四对应的泥浆阀三和泥浆阀四，且所述第二泥浆泵与泥浆阀三和泥浆阀四之间的第二泥浆管道连通，并与旁管阀三和旁管阀四之间的第二泥浆旁管连通。

优选的，所述行走机构包括设在泥浆池两侧壁上方的纵向移动组件、通过支架固定在纵向移动组件上的横向移动组件、设在横向移动组件上的竖向移动组件，所述横向移动组件包括设在支架上的横梁，在所述横梁上开设有横槽，在所述横槽内设有转动设有传动螺杆，在所述横梁的一端设有横向驱动电机，所述横向驱动电机的输出轴穿过横槽与传动螺杆同轴设置，在所述传动螺杆上螺纹配合有滑块；

所述竖向移动组件包括固定设在滑块上的滑套，在所述滑套上设有竖向驱动电机，所述竖向驱动电机的输出轴转动延伸至滑套内部并固定套设有齿轮，在所述滑套内竖向设有与齿轮啮合的齿杆，所述齿杆的底端延伸至泥浆池内并设有超声波传感器；

所述纵向移动组件包括设在泥浆池两侧壁上方的纵向导轨，在所述纵向导轨上滑动卡设有移动套，在所述移动套内位于纵向导轨的上、下两侧分别卡设有两个滚动轮，在所述移动套上设有纵向驱动电机，所述纵向驱动电机的输出轴穿过移动套与其中一个滚动轮的轮轴相连；

所述支架固定在移动套和横梁之间。

优选的，在所述横槽内位于传动螺杆的两侧分别设有与传动螺杆平行的导向杆，所述滑块滑动穿设在导向杆上。

优选的，所述滑套为两个，分别设在横槽的顶部和底部，所述滑块的两端分别延伸至横槽的上方和下方并分别与对应的滑套固定连接，且在所述两个滑套之间位于横槽的外侧固定有连接板，所述纵向驱动电机设在其中一个滑套上。

优选的，在所述第一泥浆泵和第二泥浆泵上分别电连接有变频电机，所述第一泥浆泵、第二泥浆泵、泥浆阀一、泥浆阀二、泥浆阀三、泥浆阀四、变频电机、支管阀一、支管阀二、支管阀三、支管阀四、旁管阀一、旁管阀二、旁管阀三、旁管阀四、纵向驱动电机、横向驱动电机、竖向驱动电机分别电连接有计算机。

本发明的有益效果在于：

1.本发明主要用于泥水盾构刀盘结泥饼的监测技术研究，相关传感器或设备的研发实验，通过在第一泥浆管道和第二泥浆管道上并联第一泥浆旁管和第二泥浆旁管，通过不同阀门的开启和关闭组合，实现泥浆池中的泥浆在同一路径上的正反向流动，有效模拟泥水盾构刀盘的工作环境。

2.通过超声波传感器的全方位运动，利用计算机对实验中对不同超声波传感器在不同位置时，测得的各参数进行控制监测，有利于研究泥水盾构掘进状态下泥水仓中各因素对结果的影响；

3.该平台自动化程度高，可进行闭环控制，提高实验效率，加快研究速度。

附图说明

图1和图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是竖向移动组件结构示意图；

图5是纵向移动组件示意图；

图中标号为：1泥浆池，2支管二，3支管阀二，4第一泥浆管道，5第二泥浆管道，6支管三，7支管阀三，8第一泥浆旁管，9变频电机，10旁管阀二，11旁管阀一，12泥浆阀二，13泥浆阀一，14模拟刀盘，15支管一，16支管阀一，17支管四，18支管阀四，19纵向导轨，20横梁，21支架，22横向驱动电机，23移动套，24齿条，25连接板，26模拟掌子面土体，27第二泥浆泵，28旁管阀四，29旁管阀三，30超声波传感器，31纵向驱动电机，32横槽，33传动螺杆，34第一泥浆泵，35滑套，36第二泥浆旁管，37泥浆阀四，38泥浆阀三，39滚动轮，40竖向驱动电机，41滑块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种泥水盾构设备的综合监测实验平台，如图1至图5所示，包括泥浆池1，在泥浆池1的一侧内壁上设有模拟掌子面土体26，在模拟掌子面土体26上设有模拟刀盘14；

在泥浆池1的两侧壁上方设有行走机构，在行走机构上设有超声波传感器30。

在泥浆池1的外围设有第一泥浆管道4，在第一泥浆管道4连通有第一泥浆泵34，第一泥浆管道4的两端分别连接有多条与泥浆池1连通的支管一15和支管二2，支管一15贯穿设有模拟刀盘14的泥浆池1侧壁，支管二2贯穿与模拟刀盘14相对的泥浆池1侧壁，且在每条支管一15和支管二2上分别设有支管阀一16和支管阀二3；开启支管一15上的支管阀一16和支管二2上的支管阀二3，并开启第一泥浆管道4上的第一泥浆泵34，使泥浆池1中的泥浆被压入支管一15并通过第一泥浆管道4流向支管二2并再次进入泥浆池1，使泥浆池1中的泥浆实现从后向前循环流动，以此来模拟泥水盾构掘进过程中泥水仓中的泥水流动环境。

在泥浆池1的另外两侧壁上分别贯穿有多条与泥浆池1连通的支管三6和支管四17，且在支管三6和支管四17上分别设有支管阀三7和支管阀四18，在支管三6和支管四17之间连通有第二泥浆管道5，在第二泥浆管道5上连通有第二泥浆泵27；开启支管三6和支管四17上的支管阀三7和支管阀四18，以及第二泥浆泵27，使泥浆池1中的泥浆被压入支管三6并通过第二泥浆管道5从支管四17流入泥浆池1中，使泥浆池1中的泥浆从左向右循环流动，依次来模拟泥水盾构掘进过程中泥水仓中的泥水流动环境。

支管一15为多条，分别位于模拟掌子面土体26的上方和下方，支管二2、支管三6、支管四17分别为多条，均从上到下依次设置，可以使泥浆池1中不同深度的泥浆进行循环流动，实现全方位泥浆的流动，更加全面、真实的模拟泥水盾构掘进过程中泥水仓的工作环境。

行走机构包括设在泥浆池1两侧壁上方的纵向移动组件、通过支架21固定在纵向移动组件上的横向移动组件、设在横向移动组件上的竖向移动组件，横向移动组件包括设在支架21上的横梁20，在横梁20上开设有横槽32，在横槽32内设有转动设有传动螺杆33，在横梁20的一端设有横向驱动电机22，横向驱动电机22的输出轴穿过横槽32与传动螺杆33同轴设置，在传动螺杆33上螺纹配合有滑块41；在横槽32内位于传动螺杆33的两侧分别设有与传动螺杆33平行的导向杆，滑块41滑动穿设在导向杆上，导向杆可以使滑块41移动更加稳定。通过启动横向驱动电机22使传动螺杆33转动，带动滑块41在传动螺杆33方向上横向移动，从而带动竖向移动组件移动；

竖向移动组件包括固定设在滑块41上的滑套35，在滑套35上设有竖向驱动电机40，竖向驱动电机40的输出轴转动延伸至滑套35内部并固定套设有齿轮，在滑套35内竖向设有与齿轮啮合的齿杆，齿杆的底端延伸至泥浆池1内并设有超声波传感器30；为了使齿条24带动超声波传感器30在竖向上移动更加稳定，将滑套35设为两个，分别设在横槽32的顶部和底部，滑块41的两端分别延伸至横槽32的上方和下方并分别与对应的滑套35固定连接，且在两个滑套35之间位于横槽32的外侧固定有连接板25，纵向驱动电机31设在其中一个滑套35上。

通过驱动电机的正反转，带动齿轮转动，从而带动与齿轮啮合的齿杆带动超声波传感器30在竖向上的移动。

纵向移动组件包括设在泥浆池1两侧壁上方的纵向导轨19，在纵向导轨19上滑动卡设有移动套23，在移动套23内位于纵向导轨19的上、下两侧分别卡设有两个滚动轮39，在移动套23上设有纵向驱动电机31，纵向驱动电机31的输出轴穿过移动套23与其中一个滚动轮39的轮轴相连；通过启动纵向驱动电机31带动其中一个滚动轮39转动，使其他三个滚动轮39随之在纵向导轨19上滚动，并带动横向移动组件和竖向移动组件沿纵向导轨19行走，使超声波传感器30的全方位移动。

支架21固定在移动套23和横梁20之间。

实施例2

一种泥水盾构设备的综合监测实验平台，与实施例1的不同之处在于，如图1至图5所示，在第一泥浆管道4上并联有第一泥浆旁管8，在第一泥浆旁管8上设有两个相邻的旁管阀一11和旁管阀二10，在第一泥浆管道4上设有两个与旁管阀一11和旁管阀二10对应的泥浆阀一13和泥浆阀二12，且第一泥浆泵34与泥浆阀一13和泥浆阀二12之间的第一泥浆管道4连通，并与旁管阀一11和旁管阀二10之间的第一泥浆旁管8连通；打开旁管阀一11和泥浆阀二12、支管阀一16、支管阀二3，关闭旁管阀二10和泥浆阀一13，实现泥浆的沿支管一15、第一泥浆管道4、支管二2从后向前单方向的循环流动；打开旁管阀二10和泥浆阀一13、支管阀一16、支管阀二3，关闭旁管阀一11和泥浆阀二12，实现泥浆沿支管二2、第一泥浆管道4、支管一15从前向后单方向的循环流动；通过并联第一泥浆旁管8可以实现泥浆在同一管路即支管一15、第一泥浆管道4、支管二2上的双向流动。

在第二泥浆管道5上并联有第二泥浆旁管36，在第二泥浆旁管36上设有两个相邻的旁管阀三29和旁管阀四28，在第二泥浆管道5上设有两个与旁管阀三29和旁管阀四28对应的泥浆阀三38和泥浆阀四37，且第二泥浆泵27与泥浆阀三38和泥浆阀四37之间的第二泥浆管道5连通，并与旁管阀三29和旁管阀四28之间的第二泥浆旁管36连通。打开旁管阀三29和泥浆阀四37、支管阀三7、支管阀四18，关闭旁管阀四28和泥浆阀三38，实现泥浆沿支管三6、第二泥浆管道5、支管四17从左向右单方向的循环流动；打开旁管阀四28和泥浆阀三38、支管阀三7、支管阀四18，关闭旁管阀三29和泥浆阀四37，实现泥浆沿支管三6、第二泥浆管道5、支管四17从右向左单方向的循环流；通过并联第二泥浆旁管36可以实现泥浆在同一管路上的双向流动。

以上实施例中，横向驱动电机22、纵向驱动电机31、竖向驱动电机40均为伺服驱动电机，可分别开启或同时开启第一泥浆泵34和第二泥浆泵27，以控制泥浆池1中的泥浆在两个方向上的双向流动。

在所述第一泥浆泵34和第二泥浆泵27上分别电连接有变频电机9，以控制第一泥浆管道4和第二泥浆管道5内循环泥浆的流量；

所述第一泥浆泵34、第二泥浆泵27、泥浆阀一13、泥浆阀二12、泥浆阀三38、泥浆阀四37、变频电机9、支管阀一16、支管阀二3、支管阀三7、支管阀四18、旁管阀一11、旁管阀二10、旁管阀三29、旁管阀四28、纵向驱动电机31、横向驱动电机22、竖向驱动电机40、超声波传感器30分别电连接有计算机。

在支管一15、支管二2、支管三6、支管四17贯穿泥浆池1的管口处安装流量计，以通过计算机监测各管口处泥浆的实时流量，并通过计算机控制泥浆阀一13、泥浆阀二12、支管阀一16、支管阀二3、支管阀三7、支管阀四18、旁管阀一11、旁管阀二10、旁管阀三29、旁管阀四28的开度控制不同位置泥浆的流量分配。可以将超声波传感器30的测试数据和结果上传至计算机，也可以通过计算机提前设定超声波传感器30的运动轨迹和运动速度，实现泥水盾构掘进状态下对泥水仓不同位置处的各种参数的监测，并实时调整。如超声波传感器30可以采用超声波测距传感器，可以通过超声波测距传感器在行走机构上在泥浆池1中各方位的运动，实时模拟其距离模拟刀盘14的距离，与未结泥饼状态对比，以此可以判断刀盘上是否结泥饼，以及结泥饼的厚度，并将数据实时上传至计算机，进行实时监测。还可以采用不同工作频率的超声波传感器30，调整其与泥浆池1池壁的距离，在泥浆池1中泥浆的不同流向与流速下，将数据实时上传至计算机，以研究泥浆流动对不同工作频率的超声波传感器测量精度的影响。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于，包括泥浆池（1），在所述泥浆池（1）的一侧内壁上设有模拟掌子面土体（26），在所述模拟掌子面土体（26）上设有模拟刀盘（14）；

在所述泥浆池（1）的外围设有第一泥浆管道（4），在所述第一泥浆管道（4）连通有第一泥浆泵（34），所述第一泥浆管道（4）的两端分别连接有多条与泥浆池（1）连通的支管一（15）和支管二（2），所述支管一（15）贯穿设有模拟刀盘（14）的泥浆池（1）侧壁，所述支管二（2）贯穿与模拟刀盘（14）相对的泥浆池（1）侧壁，且在每条支管一（15）和支管二（2）上分别设有支管阀一（16）和支管阀二（3）；

在所述泥浆池（1）的另外两侧壁上分别贯穿有多条与泥浆池（1）连通的支管三（6）和支管四（17），且在支管三（6）和支管四（17）上分别设有支管阀三（7）和支管阀四（18），在所述支管三（6）和支管四（17）之间连通有第二泥浆管道（5），在所述第二泥浆管道（5）上连通有第二泥浆泵（27）；

在所述泥浆池（1）的两侧壁上方设有行走机构，在所述行走机构上设有超声波传感器（30）。

2.如权利要求1所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：所述支管一（15）为多条，分别位于模拟掌子面土体（26）的上方和下方，所述支管二（2）、支管三（6）、支管四（17）分别为多条，均从上到下依次设置。

3.如权利要求1或2所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：在所述第一泥浆管道（4）上并联有第一泥浆旁管（8），在所述第一泥浆旁管（8）上设有两个相邻的旁管阀一（11）和旁管阀二（10），在所述第一泥浆管道（4）上设有两个与旁管阀一（11）和旁管阀二（10）对应的泥浆阀一（13）和泥浆阀二（12），且所述第一泥浆泵（34）与泥浆阀一（13）和泥浆阀二（12）之间的第一泥浆管道（4）连通，并与旁管阀一（11）和旁管阀二（10）之间的第一泥浆旁管（8）连通；

在所述第二泥浆管道（5）上并联有第二泥浆旁管（35），在所述第二泥浆旁管（35）上设有两个相邻的旁管阀三（29）和旁管阀四（28），在所述第二泥浆管道（5）上设有两个与旁管阀三（29）和旁管阀四（28）对应的泥浆阀三（38）和泥浆阀四（37），且所述第二泥浆泵（27）与泥浆阀三（38）和泥浆阀四（37）之间的第二泥浆管道（5）连通，并与旁管阀三（29）和旁管阀四（28）之间的第二泥浆旁管（35）连通。

4.如权利要求3所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：所述行走机构包括设在泥浆池（1）两侧壁上方的纵向移动组件、通过支架（21）固定在纵向移动组件上的横向移动组件、设在横向移动组件上的竖向移动组件。

5.如权利要求4所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：所述横向移动组件包括设在支架（21）上的横梁（20），在所述横梁（20）上开设有横槽（32），在所述横槽（32）内设有传动螺杆（33），在所述横梁（20）的一端设有横向驱动电机（22），所述横向驱动电机（22）的输出轴穿过横槽（32）与传动螺杆（33）同轴设置，在所述传动螺杆（33）上螺纹配合有滑块（41）；

所述竖向移动组件包括固定设在滑块（41）上的滑套（35），在所述滑套（35）上设有竖向驱动电机（40），所述竖向驱动电机（40）的输出轴转动延伸至滑套（35）内并固定套设有齿轮，在所述滑套（35）内竖向设有与齿轮啮合的齿杆（24），所述齿杆（24）的底端延伸至泥浆池（1）内并设有超声波传感器（30）；

所述纵向移动组件包括设在泥浆池（1）两侧壁上方的纵向导轨（19），在所述纵向导轨（19）上滑动卡设有移动套（23），在所述移动套（23）内位于纵向导轨（19）的上、下两侧分别卡设有两个滚动轮（39），在所述移动套（23）上设有纵向驱动电机（31），所述纵向驱动电机（31）的输出轴穿过移动套（23）与其中一个滚动轮（39）的轮轴相连；

所述支架（21）固定在移动套（23）和横梁（20）之间。

6.如权利要求5所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：在所述横槽（32）内位于传动螺杆（33）的两侧分别设有与传动螺杆（33）平行的导向杆，所述滑块（41）滑动穿设在导向杆上。

7.如权利要求5所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：所述滑套（35）为两个，分别设在横槽（32）的顶部和底部，所述滑块（41）的两端分别延伸至横槽（32）的上方和下方并分别与对应的滑套（35）固定连接，且在所述两个滑套（35）之间位于横槽（32）的外侧固定有连接板（25），所述纵向驱动电机（31）设在其中一个滑套（35）上。

8.如权利要求5所述的泥水盾构设备的综合监测实验平台，其特征在于：在所述第一泥浆泵（34）和第二泥浆泵（27）上分别电连接有变频电机（9），所述第一泥浆泵（34）、第二泥浆泵（27）、泥浆阀一（13）、泥浆阀二（12）、泥浆阀三（38）、泥浆阀四（37）、变频电机（9）、支管阀一（16）、支管阀二（3）、支管阀三（7）、支管阀四（18）、旁管阀一（11）、旁管阀二（10）、旁管阀三（29）、旁管阀四（28）、纵向驱动电机（31）、横向驱动电机（22）、竖向驱动电机（40）、超声波传感器（30）分别电连接有计算机。

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