CN114278311B - 一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法，包括土压力监测单元、温度监测单元和终端控制平台三大部分。所述土压力监测单元包括微型土压力计、无线传感器和独立电源。所述温度监测单元包括温度传感器、无线传感器和独立电源。所述终端控制平台包括无线接收器、连接线和数据处理平台。本发明能够实现对盾构隧道的掘进速度控制，保证盾构隧道掘进正常进行。结合土压力和温度两个关键指标对掘进速度进行控制，优化盾构隧道掘进速度，延长刀盘的使用寿命；引入土压力和温度双控反馈调节机制，可以根据土体密度、隧道埋深和含水量的条件的不同，能够实时调节盾构隧道掘进速度。
Description
技术领域
本发明是涉及盾构隧道领域，特别是涉及一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法。
背景技术
盾构法因其施工速度快、对周围环境扰动小等优点，被大量地应用在城市地下隧道建设中。在盾构隧道的掘进过程中，掘进速度主要受两方面限制：盾构机土仓出土速度和刀盘温度。
一方面，盾构机在掘进出土时，盾构机的掘进速度与土仓的出土速度相匹配，单位时间内盾构机开挖的土量与出土量相等，土仓内的土压力值应保持稳定。如果掘进速度和土仓出土速度不匹配，则盾构掘进不能正常进行。为了保证盾构隧道正常开挖，可以通过控制土仓内的土压力来控制盾构隧道的掘进速度。
另一方面，在掘进过程中，随着盾构刀盘转动与推进,刀盘会与开挖面的岩土体相互摩擦并产生大量的热量,热量进一步传递到刀盘。刀盘温度的急剧升高会加速刀盘的损耗，减少刀盘的使用时间并影响盾构掘进效率，严重时还会使在刀盘局部区域造成较大的应力集中，产生疲劳破坏，影响盾构的正常开挖。为了确保刀盘的温度在可承受范围内，需要控制盾构隧道的掘进速度。
因此，为了保证盾构隧道的正常掘进和出土，同时保证盾构隧道刀盘的正常工作，控制盾构隧道的掘进速度十分重要。本发明提出了一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法，一方面通过控制土仓内的土压力来控制掘进速度；另一方面，通过控制盾构刀盘的温度来控制掘进速度，通过两种控制方法的耦合来决定最终的盾构隧道掘进速度。耦合控制装置和方法既保证了土仓正常出土，又保证了盾构刀盘正常工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提供一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法，采用土压力和温度耦合方法对盾构隧道掘进速度进行控制，保证盾构隧道的正常运行。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置，包括由土压力监测单元(1)，温度监测单元(2)和终端控制平台(3)三大部分组成。
作为本发明的优选技术方案，所述土压力监测单元(1)包括微型土压力计(4)，无线传感器(5)和独立电源(6)。微型土压力计(4)和无线传感器(5)连接在一起组成土压力监测单元(1)，连接在土仓(7)内壁，用于监测土仓(7)内土压力值大小，保证掘进速度与土仓(7)的出土速度相协调。
作为本发明的优选技术方案，所述温度监测单元(2)包括温度传感器(8)、无线传感器(5)和独立电源(6)。温度传感器(8)、无线传感器(5)和独立电源(6)连接在一起组成温度监测单元(2)。温度监测单元(2)固定在刀盘(8)正面，实时监测刀盘(9)的温度变化，便于调整掘进速度，保证刀盘的温度在正常范围内。
作为本发明的优选技术方案，所述终端控制平台(3)包括无线接收器(10)、连接线(11)和数据处理平台(12)。无线接收器(10)接收来自土压力监测单元(1)和温度监测单元(2)传递的无线电信号，通过连接线(11)将无线电信号输入到数据处理平台(12)转化为实时监测数据，根据土仓(7)内土压力值和刀盘(9)的温度值进行耦合控制，调整盾构掘进速度，保证掘进的正常进行。
一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的试验方法，包括试验内容、监测方案、试验步骤和试验系统。
其试验内容旨在实现对盾构隧道掘进速度的耦合控制，保证盾构隧道的正常掘进。
其监测方案包括：土仓土压力监测方案和刀盘温度监测方案。
其试验步骤包括：初值控制阶段，反馈调节阶段和正常掘进阶段。
其试验系统包括：土压力监测单元(1)，温度监测单元(2)和终端控制平台(3)。
土压力监测单元(1)安装在土仓(7)仓壁的底部，目的是监测土仓(6)内土压力值的大小。土压力监测单元(1)中的微型土压力计(4)上表面与土体接触，便于监测土仓(7)内竖向土压力，土压力监测单元(1)中无线传感器(5)用于实时传输土压力值的大小。以2倍盾构直径2D为间距，沿土仓(7)纵向，以刀盘与土仓相接的位置为零点分别布置5个土压力监测单元(1)，其位置分别是2D,4D,6D,8D和10D。土压力监测单元(1)通过无线传输将土压力值传输到终端控制平台(3)，判断土仓(7)内土压力是否正常，进而调节掘进速度。
温度监测单元(2)安装盾构刀盘上，目的是监测刀盘(9)温度值的大小。温度监测单元(2)布设在刀盘上的预留凹槽内，以保证温度监测单元的正常工作。温度监测单元(2)中的温度传感器(8)与刀盘(9)相接触，监测刀盘(9)的温度值，通过温度监测单元(2)中无线传感器(5)传输温度值的大小。温度监测单元(2)呈环形，间隔角度为60°，共6个温度监测单元(2)布设在刀盘上。温度监测单元(1)通过无线传输将土压力值传输到终端控制平台(3)，判断刀盘(9)温度是否正常，进而调节掘进速度。
该试验方法包括以下试验步骤：
Step 1：土压力监测单元的安装；
Step 2：温度监测单元的安装；
Step 3：设置初始掘进速度进行试掘进；
Step 4：反馈土压力数据和温度数据；
Step 5：调节盾构隧道掘进速度，观察掘进是否正常；
Step 6：重复Step 4和Step 5，直到盾构隧道正常掘进；
Step 7：正常掘进直至试验结束。
本发明的优点在于：
本发明提出了一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法，能够实现对盾构隧道的掘进速度控制，保证盾构隧道掘进正常进行。①本发明结合土压力和温度两个关键指标对掘进速度进行控制，优化盾构隧道掘进速度，延长刀盘的使用寿命；②本发明引入土压力和温度双控反馈调节机制，可以根据土体密度、隧道埋深和含水量的条件的不同，能够实时调节盾构隧道掘进速度；③本发明采用的土压力监测单元和温度监测单元体积小，便于安装，能够实现无线传输，保证掘进的正常进行；④本发明采用的温度监测单元可以契合在刀盘的凹槽中，减少对温度监测单元的扰动，使得温度监测单元可以更有效长久的工作，保证刀盘的正常运行；⑤本发明可以实时反馈数据，快速准确的调整掘进速度，操作简单适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图中标号：
图1为耦合控制系统装置图：土压力监测单元(1)；温度监测单元(2)；终端控制平台(3)；微型土压力计(4)；无线传感器(5)；独立电源(6)；温度传感器(8)；无线接收器(10)；连接线(11)；数据处理平台(12)。
图2为土压力监测单元布设图：土压力监测单元(1)；微型土压力计(4)；无线传感器(5)；独立电源(6)；土仓(7)。土压力监测单元(1)以2倍盾构直径2D为间距，沿土仓(7)纵向布置。以刀盘与土仓相接的位置为零点，分别布置5个土压力监测单元(1)，其位置分别是2D,4D,6D,8D和10D。
图3为温度监测单元布设图：温度监测单元(2)；无线传感器(5)；独立电源(6)；温度传感器(8)；刀盘(9)；刀头(13)。温度监测单元(2)呈环形分布，布设在以刀盘中心为圆心，半径为1/4隧道直径的圆上即1/4D。温度监测单元(2)间隔角度为60°，共6个布设在刀盘上。
图4为盾构隧道掘进速度耦合控制结构示意图：土压力监测单元(1)；温度监测单元(2)；终端控制平台(3)；土仓(7)；刀盘(9)；盾构机(14)。
图5为盾构隧道掘进速度耦合控制的试验流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明一实施例中所提供一种盾构隧道掘进速度耦合控制系统装置图，包括土压力监测单元(1)，温度监测单元(2)，终端控制平台(3)，微型土压力计(4)，无线传感器(5)，独立电源(6)，温度传感器(8)，无线接收器(10)，连接线(11)和数据处理平台(12)。微型土压力计(4)，无线传感器(5)和独立电源(6)连接在一起组成土压力监测单元(1)，布设在土仓(7)中，随着盾构隧道的掘进和出土，土仓内的土压力会发生变化，当盾构掘进速度和土仓出土速度相匹配时，土仓(7)中的土压力会保持稳定。温度传感器(8)、无线传感器(5)和独立电源(6)来连接在一起组成温度监测单元(2)，布设在刀盘(9)的凹槽内，监测刀盘(9)的温度变化，当隧道掘进速度过快时，刀盘为温度会快速上升，调节隧道掘进速度在一定范围内，保持刀盘温度的稳定。土压力监测单元(1)和温度监测单元(2)通过无线传输将土压力和温度值传输到无线接收器(10)，无线接收器(10)通过连接线(11)将数据传入数据处理平台(12)，无线接收器(10)，连接线(11)和数据处理平台(12)共同组成终端控制平台(3)，通过数据的反馈，控制盾构隧道掘进速度，保证盾构隧道掘进正常进行。
参照图2，本发明一实施例中所提供一种土压力监测单元布设图，包括土压力监测单元(1)；微型土压力计(4)；无线传感器(5)；独立电源(6)；土仓(7)。土压力监测单元(1)以2倍盾构直径400mm为间距，沿土仓(7)纵向布置。以刀盘(9)与土仓(7)相接的位置为零点，分别布置5个土压力监测单元(1)，其位置分别是400mm，800mm，1200mm，1600mm和2000mm。土压力监测单元(1)通过微型土压力计(4)监测土仓中竖向土压力值，并通过无线传感器(5)将土压力数据传输终端控制平台(3)，判别土仓内的土压力是否正常，从而调节盾构隧道掘进速度。
参照图3，为本发明一实施例中所提供的温度监测单元布设图，包括温度监测单元(2)；无线传感器(5)；独立电源(6)；温度传感器(8)；刀盘(9)；刀头(13)。温度监测单元(2)呈环形分布，布设在以刀盘中心为圆心，半径为1/4隧道直径的圆上即50mm。温度监测单元(2)间隔角度为60°，共6个布设在刀盘上。温度监测单元(2)通过温度传感器(8)监测刀盘的温度值，并通过无线传感器(5)将温度数据传输终端控制平台(3)，判别刀盘温度是否正常，进而调节盾构隧道速度。
参照图3，为本发明一实施例中所提供的盾构隧道掘进速度耦合控制结构示意图，包括土压力监测单元(1)；温度监测单元(2)；终端控制平台(3)；土仓(7)；刀盘(9)；盾构机(14)。通过监测盾构机(14)中土仓(7)的土压力值和刀盘(9)的温度，来调节盾构隧道掘进速度，使之与出土仓(7)的土速度和刀盘(9)的工作状态相匹配，保证盾构隧道掘进正常进行。
参照图5，为为本发明一实施例所提供的盾构隧道掘进速度耦合控制的试验流程图，结合试验过程，其试验步骤如下：
①在土仓(7)内以2倍盾构直径400mm为间距，沿土仓(7)纵向布置。以刀盘(9)与土仓(7)相接的位置为零点，分别布置5个土压力监测单元(1)，其位置分别是400mm，800mm，1200mm，1600mm和2000mm；②在刀盘(9)上按照间隔角度为60°，在半径为50mm的圆周上布设6个温度监测单元(2)；③设置初始掘进速度进行试掘进，监测土仓(7)土压力和刀盘(9)的温度值；④从土压力监测单元(1)和温度监测单元(2)反馈土压力数据和温度数据到终端控制平台(3)；⑤观察盾构隧道掘进是否正常，如果正常则继续掘进，反之则调节盾构掘进速度；⑥重复步骤4和步骤5，直至盾构隧道掘进速度正常；⑦正常掘进直至试验结束。
本发明提出了一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法，能够实现对盾构隧道的掘进速度控制，保证盾构隧道掘进正常进行。本发明结合了土压力和温度两个关键指标对掘进速度进行控制，优化了盾构隧道掘进速度；本发明引入了双控反馈调节机制，可以根据土体密度、隧道埋深和含水量的条件的不同，能够实时调节盾构隧道掘进速度。本发明采用的土压力监测单元体积小，便于安装，能够实现无线传输，保证掘进的正常进行。本发明采用的温度监测单元可以契合在刀盘的凹槽中，减少对温度监测单元的扰动，使得温度监测单元可以更有效长久的工作，保证刀盘的正常运行。本发明可以实时反馈数据，快速准确的调整掘进速度，操作简单适用。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (4)
1.一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置，其特征在于：包括土压力监测单元(1)、温度监测单元(2)和终端控制平台(3)三部分；
所述土压力监测单元(1)包括微型土压力计(4)、第一无线传感器(5)和第一独立电源(6)；微型土压力计(4)和无线传感器(5)连接在一起并连接在土仓(7)内壁，用于监测土仓(7)内土压力值大小，保证掘进速度与土仓(7)的出土速度相协调；土压力监测单元(1)由第一独立电源(6)供电；
所述温度监测单元(2)包括温度传感器(8)、第二无线传感器(5)和第二独立电源(6)；温度传感器(8)、第二无线传感器(5)和第二独立电源(6)连接在一起；温度监测单元(2)固定在刀盘(8)正面，实时监测刀盘(9)的温度变化，便于调整掘进速度，保证刀盘的温度在正常范围内；
所述终端控制平台(3)包括无线接收器(10)、连接线(11)和数据处理平台(12)；无线接收器(10)接收来自土压力监测单元(1)和温度监测单元(2)传递的无线电信号，通过连接线(11)将无线电信号输入到数据处理平台(12)转化为实时监测数据，根据土仓(7)内土压力值和刀盘(9)的温度值进行耦合控制，调整盾构掘进速度，保证掘进的正常进行。
2.一种使用权利要求1所述装置进行的用于盾构隧道掘进速度耦合控制的试验方法，其特征在于：
该试验方法包括以下试验步骤：
Step 1：土压力监测单元的安装；
Step 2：温度监测单元的安装；
Step 3：设置初始掘进速度进行试掘进；
Step 4：反馈土压力数据和温度数据；
Step 5：调节盾构隧道掘进速度，观察掘进是否正常；
Step 6：重复Step 4和Step 5，直到盾构隧道正常掘进；
Step 7：正常掘进直至试验结束。
3.根据权利要求2所述的一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的试验方法，其特征在于：土压力监测单元(1)安装在土仓(7)仓壁的底部，目的是监测土仓(6)内土压力值的大小；土压力监测单元(1)中的微型土压力计(4)上表面与土体接触，便于监测土仓(7)内竖向土压力，土压力监测单元(1)中无线传感器(5)用于实时传输土压力值的大小；以2倍盾构直径2D为间距，沿土仓(7)纵向，以刀盘与土仓相接的位置为零点分别布置5个土压力监测单元(1)，其位置分别是2D,4D,6D,8D和10D；土压力监测单元(1)通过无线传输将土压力值传输到终端控制平台(3)，判断土仓(7)内土压力是否正常，进而调节掘进速度。
4.根据权利要求2所述的一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的试验方法，其特征在于：温度监测单元(2)安装盾构刀盘上，目的是监测刀盘(9)温度值的大小；温度监测单元(2)布设在刀盘上的预留凹槽内，以保证温度监测单元的正常工作；温度监测单元(2)中的温度传感器(8)与刀盘(9)相接触，监测刀盘(9)的温度值，通过温度监测单元(2)中无线传感器(5)传输温度值的大小；温度监测单元(2)呈环形，间隔角度为60°，共6个温度监测单元(2)布设在刀盘上；温度监测单元(1)通过无线传输将土压力值传输到终端控制平台(3)，判断刀盘(9)温度是否正常，进而调节掘进速度。
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