CN115123693A - 一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐，属于盾构施工注浆技术领域。为实现在砂浆罐上设置液位传感器来检测砂浆液位，进而确定测定注浆量的目标，本发明通过在砂浆罐的罐体上设置液位传感器的同时，还在罐体上开设导水孔，罐体内壁一侧的导水孔孔口位置固定设置喷头，喷头通过导水孔、冲水管路与水源连接，冲水管路上设置阀门。喷头的喷嘴朝向液位传感器所在位置，液位传感器的感应面与罐体内壁平齐。当阀门导通时，喷嘴能够喷射水流冲洗感应面上凝固的砂浆。冲洗结束后，感应面能够更加准确地检测到砂浆压力进而计算出砂浆量，再根据砂浆量的变化计算出更准确的掘进机掘进时注浆速度、每环注浆量、累计注浆量等重要施工数据。
Description
技术领域
本发明提供了一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐，属于盾构施工注浆技术领域。
背景技术
在盾构施工中，通过同步注浆完成隧道的一次成型，相关的施工数据，例如注浆速度、环注浆量、累计注浆量等注浆数据是十分重要的。而这些数据的计算都离不开不同施工环节前后时刻的沙浆量的变化。因此，在同步注浆过程中，注浆量是一个非常重要的指标，合理的注浆可以防止地表沉降、地面隆起，隧道渗水等，一旦注浆出现问题，会导致严重的安全事故。
目前，盾构施工中设计了多种注浆量测量方式，主要分为如下三种：
一、通过注浆泵计次测量。采用注浆泵进行注浆时，曲柄通过连杆带动活塞向一侧移动时，注浆泵内腔体体积增加，外界压力大于腔体内压力，在压力差的作用下，液体泵入腔体内。当曲柄通过连杆推动活塞向另一侧移动时，腔体内液体压力增加，在压力差的作用下，液体被泵送到管路中。由于注浆泵的结构限定，每次泵送的液体体积应当一致，因此，通过统计注浆泵泵送液体的次数，可以计算出注浆量。然而，在实际注浆过程中，注浆泵存在返浆、腔体内液体无法充满或无法全部泵出的问题，导致计次测量得到的注浆量的误差很大。
二、通过注浆管路上设置流量计测量。在注浆管路的出口处设置流量计来实时检测注浆速度，进而计算注浆量，方法简单。然而，由于注浆过程中的砂浆流动性差，不同于水或油等流动性强的液体，降低了流量计检测的准确性；而且注浆泵往往采用活塞泵，在泵送砂浆时不是连续的过程，而是在每次活塞泵送行程中形成的一股一股的砂浆，导致流量计测量不准，且砂浆易凝固在注浆管路中，也影响了流量计的测量。
三、通过砂浆罐上设置称重传感器测量。称重传感器测量的方法主要是通过监测注浆前后砂浆罐中砂浆量的变化来得到注浆量，注浆量测量精度得到提高。为此，需要在砂浆罐上设置称重传感器，但是由于砂浆罐采用吊装的方式挂在台车上，采用单个称重传感器时需要砂浆罐各个吊装索均挂在称重传感器下，导致砂浆罐吊装不稳，容易晃动导致浆料外溢洒出。若砂浆罐通过多跟吊装索分别固定，在每根吊装索上均设置称重传感器，需要复杂算法对各称重传感器的输出量进行数据融合。而且由于盾构施工过程中存在较大振动和晃动以及坡道上台车倾斜，导致砂浆罐的位置不平衡，使得多个称重传感器数据融合后输出的测量结果可靠性很低，且晃动状态下不利用悬挂式称重，悬挂式称重的结果很不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐，用于解决现有注浆量测量结果不准确的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案和有益效果包括：
本发明提供了一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐，包括罐体，罐体侧壁距罐底设定距离范围内设置有液位传感器安装位，液位传感器安装位内设置有压力传感器，所述压力传感器包括用于检测砂浆罐内砂浆压力的感应面，所述感应面相比液位传感器安装位所在处的罐体内壁相平齐或更加伸入罐体内部；
罐体内设置有冲洗喷头，冲洗喷头喷液形成喷射液流用于冲洗感应面，所述感应面与喷射液流相平行，并位于喷射液流的液流范围内；
所述压力传感器与控制器相连，控制器获取砂浆罐内砂浆压力，从而确定罐体内的砂浆量变化；并根据对应施工环节前后砂浆量变化得到对应施工环节的注浆数据。
本发明通过压力传感器的方式测量砂浆罐内砂浆量。现有技术中，对于锅炉、水箱、油管等盛液容器而言，在测量容器内液体量时，也存在利用压力传感器检测的方法。但流动性较好的液体压力传导准确，能够通过压力传感器准确测得压力值进而计算液体量。但是用于隧道施工中衬砌或填充凝固于隧道管片和隧道之间环空中的砂浆，由于其易凝固导致其流动性差，且在使用压力传感器测量砂浆罐底部压力时，凝固的砂浆形成一层覆盖在压力传感器压力检测面上的壳，阻止了浆罐中砂浆的压力作用于传感器检测面上。导致使用压力传感器无法对砂浆罐中砂浆量的测量。因此，现有技术中并不考虑使用压力传感器去测量砂浆、水泥浆的量。
而本发明在将压力传感器用于砂浆量的测量时，通过在砂浆罐的罐体上设置压力传感器的同时，还在罐体内设置高压喷头，通过调整高压喷头的位置，使得高压喷头喷射的液流所在直线与传感器压力传感器压力感应面所在的平面平行，且感应面位于液流形成的液流通道的范围内。通过喷头产生的高压液流对感应面表面进行冲洗，扰动感应面前方的砂浆，使其频繁流动，有效防止其凝固。即使凝固产生薄壳覆盖在感应面时，高压液流也能有效将薄壳掀起、打碎、冲走。在解决了砂浆凝固影响压力感应的问题后，压力传感器能够更加准确地检测到砂浆压力，从而使后续确定出的砂浆量更准确，进一步能够根据砂浆量的变化计算出更加准确的注浆速度、每环注浆量、累计注浆量等注浆数据。
进一步地，所述冲洗喷头的喷口朝下设置，向下喷射形成喷射液流。
压力传感器安装在喷头的下方，喷头朝下设置，喷嘴喷射的水流向下冲洗感应面上的砂浆，一是向下冲洗配合重力作用能够更好的将半凝固的砂浆冲走；而是朝下的喷口可避免砂浆进入，可避免喷嘴结束喷水时砂浆堵塞、凝固在喷嘴中，影响下次冲洗效果。
进一步地，控制器还控制连接设置在连接冲洗喷头的供液管路上的阀门，通过预设条件控制阀门的导通或闭合，以实现感应面的自动冲洗。
阀门切换可采用手动控制和控制器自动控制的方法，采用手动控制需要施工人员额外执行阀门操作的工作任务，工作量大。而采用控制器控制的方法，根据实际情况预先设定阀门导通条件，由控制器根据阀门导通条件自动判断并控制阀门切换，降低了工作量，而且比人工操作实时性更好。
进一步地，所述阀门导通条件为：阀门距离上一次导通的时间达到设定时间段，所述设定时间段小于通过试验得到的砂浆凝固时间。
砂浆凝固需要一定的时间，因此通过试验测定砂浆凝固需要的时间，然后设定一个小于砂浆凝固的冲洗间隔，控制器根据设定冲洗间隔定期导通阀门进行自动冲洗，使液位传感器能够一直处于较好的工作状态，砂浆压力检测的准确度能够一直保持，砂浆量也就更加可靠。
进一步地，所述阀门导通条件为：注浆开始前进行冲洗和注浆结束后进行冲洗。
定期冲洗的次数过于频繁，考虑到砂浆量获得的目的是计算隧道施工的注浆量，因此可以仅在注浆开始和注浆结束时控制阀门导通，从而仅在注浆开始和注浆结束时准确检测到砂浆量，有利于注浆量的计算，节能也节省冲洗液量，也避免影响砂浆配比，防止砂浆变稀。
进一步的，向罐体内导浆的导浆管上设置有导浆流量计，控制器连接导浆流量计以获取导浆量，对应施工环节前后砂浆量变化根据砂浆压力和对应施工环节内的导浆量共同确定。
砂浆罐与导浆管连接，存在向砂浆罐导浆的情况，因此在计算注浆量时还需要考虑对应时段的导浆量，才能使注浆量的检测更准确。
进一步地，通过砂浆压力获取砂浆量变化的方法为，通过预先标定的砂浆压力与砂浆液位高度之间的对应关系，根据压力传感器得到的不同时刻的砂浆压力得到对应砂浆液位高度；再通过预先标定的砂浆液位高度与砂浆体积之间的对应关系，根据砂浆液位高度得到不同时刻砂浆体积作为不同时刻的砂浆量，将不同时刻的砂浆量做差得到对应时刻之间的砂浆量变化。
本发明利用压力传感器测定砂浆罐中砂浆量。首先将压力传感器用作液位传感器，即通过建立压力与液位高度的对应关系，根据压力得到砂浆液位高度；再根据液位与砂浆体积之间的对应关系，得到砂浆量(砂浆量可以用砂浆体积表示)，进一步根据砂浆量的变化得到对应时段的注浆量。
为了便于砂浆流出，砂浆罐往往采用非均匀的形状，例如在砂浆流出口处形成导流的斜面，导致砂浆罐上大下小；同时由于砂浆又易于凝固粘在罐壁上，因此直接建立砂浆底部压力和砂浆量的对应关系难度较大且准确度较低。因此本发明建立砂浆底部压力和砂浆液位之间的关系，再建立砂浆液位和砂浆体积之间的关系，进而从压力传感器得到压力，从压力得到液位，再从液位得到体积，降低了两个关系模型建立和训练学习的难度，提高了砂浆量检测的准确性。
进一步地，在罐体相对的两个侧壁上均设置压力传感器和冲洗喷头，最终的砂浆量根据两个压力传感器得到的砂浆压力共同确定。
进一步地，根据两个压力传感器得到的砂浆压力确定砂浆量的方法为，根据每个压力传感器得到的砂浆压力得出对应时刻两个砂浆液位高度，根据两个砂浆液位高度得到两个砂浆体积，两个砂浆体积求平均后作为对应时刻的砂浆量。
进一步地，根据两个压力传感器得到的砂浆压力确定砂浆量的方法为，根据每个压力传感器得到的砂浆压力得出对应时刻两个砂浆液位高度，将两个砂浆液位高度求平均后得到唯一砂浆液位高度，根据唯一砂浆液位高度得到砂浆体积作为对应时刻的砂浆量。
罐体在台车上可能遇到倾斜路段的情况，导致罐体倾斜，罐体倾斜的前后方向上，相对的两个侧壁处的砂浆液位不同，此时根据单个压力传感器难以得出准确的砂浆量。本发明通过在相对的两个侧壁上设置压力传感器，通过对根据两个压力值得到液位高度求平均的方式得到一个值作为液位高度，再根据这个液位高度计算砂浆量；或者根据两个压力值直接得到两个对应砂浆量，通过求均值得到最终的砂浆量。如此保证了砂浆罐倾斜时砂浆量的计算准确度。
附图说明
图1为本发明的砂浆罐的结构示意图；
图2为本发明中上下坡时砂浆罐内液位示意图；
图3为本发明中带有砂浆量测量功能的砂浆罐的结构框图；
图4为本发明中砂浆体积与液位高度对应关系示意图；
图5为本发明砂浆罐主视图；
图6为本发明砂浆罐左视图。
图中包括，1：罐体；2：液位传感器；3：冲水喷头；4：导水孔；5：导浆流量计；6：导浆管；7：导浆控制阀门。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
带有注浆数据测量功能的砂浆罐实施例：
本发明的带有注浆数据测量功能的砂浆罐(以下简称砂浆罐)如图1所示，包括罐体1、控制器和设置在罐体上的液位传感器2，液位传感器通过压力传感器实现，控制器和液位传感器2连接，以获取液位传感器2采集的压力数据，进而计算出液位高度。砂浆罐还包括在罐体1上设置的冲水喷头3、与冲水喷头3连接的冲水管路、与冲水管路连接的水源及设置在冲水管路上的阀门。控制器连接阀门，以实现阀门导通或闭合的控制。
砂浆罐上还设置有用于向砂浆罐内添加砂浆的导浆管6，导浆管6上设置有导浆控制阀门7以及导浆流量计5。
液位传感器2设置在罐体1下部位置，以避免出现砂浆液位高度低于液位传感器时无法测量的问题。通过在罐体1上开设通孔，并在罐体外壁上设置可拆卸的封堵件进行封堵，从而构成液位传感器的安装位。可拆卸封堵件设置有凹槽，在安装位内安装液位传感器2时，将液位传感器2的一端插入可拆卸封堵件的凹槽内，并使液位传感器的感应面与罐体内壁平齐或略微突出。在可拆卸封堵件上设置连接器，液位传感器通过连接器与控制器连接。液位传感器通过感应面采集砂浆压力，并将砂浆压力传递至控制器。
在罐体上还开设有用于设置冲水喷头和冲水管路的导水孔4。冲水喷头固定设置在罐体内壁，其一端穿过导水孔与冲水管路连通，另一端指向液位传感器的感应面所在区域。当设置在冲水管路上的阀门导通时，水源内的水通过冲水管路和导水孔，并从冲水喷头的喷嘴冲出，形成高压水流。此时，高压水流与液位传感器的感应面平齐，从而对凝固在感应面上的砂浆层进行冲洗，使得感应面能够更好地感应砂浆压力，以此得到准确的液位高度。
本实施例中，冲水喷头3设置于液位传感器2上侧，喷嘴的喷水方向朝向罐体底部，这样能够防止冲水喷头不喷水时，砂浆罐内的砂浆进入冲水喷头形成堵塞，影响冲水效果。作为其他实施方式，冲水喷头可设置在罐体内与液位传感器处于同一平面的位置，喷嘴的喷水方向指向液位传感器2的感应面所在区域。
本实施例中，为提高喷水效果，冲水喷头3采用扇形或长方形的喷嘴。扇形喷嘴喷出的高压水流宽度与感应面的最大宽度匹配，即扇形喷嘴喷出的高压水流宽度约等于感应面的最大宽度。长方形喷嘴的长边与感应面的最大宽度匹配，从而保证喷出的高压水流能够对感应面进行充分冲洗。
控制器通过内部存储的预设条件，定期控制冲水管路上设置的阀门导通，由水源向冲水管路提供高压水流，从而通过冲水喷头对液位传感器的感应面冲洗。
通过在密闭容器中模拟砂浆凝固过程，获取砂浆凝固到一定程度的凝固时间，则可以认为砂浆罐中的砂浆凝固需要同样的凝固时间，在这种情况下就需要对液位传感器的感应面进行冲洗，因此预设条件可采用小于该凝固时间的时间作为设定时间段，当达到设定时间段，打开冲水管路上设置的阀门对感应面进行冲洗。
作为其他实施方式，也可根据实际注浆过程，设置如下预设条件：若向砂浆罐内导浆的开始时间早于砂浆罐向外注浆的时间，则在砂浆罐导浆之前开启阀门进行自动冲洗，若向浆罐内导浆的开始时间晚于砂浆罐向外注浆的时间，则在砂浆罐向外注浆开始时开启阀门进行自动冲洗。在砂浆罐向外注浆的过程中，液位传感器可不必一直检测砂浆压力，为准确检测到砂浆罐向外注浆结束时的砂浆压力，则预设条件还应当包括：在砂浆罐向外注浆结束时开启阀门进行自动冲洗。
本实施例中，水源包括水泵，通过水泵运转来泵送并形成高压水流。
本实施例中，液位传感器采集压力的范围为0-40Kpa。
本实施例中，冲水管路上设置的阀门采用电磁阀，由控制器控制。作为其他实施方式，也可采用气控阀门，如气动球阀，控制器与气动球阀控制连接。也可采用手动控制阀门，如手动球阀。当阀门采用手动阀门时，由盾构施工人员按照预设条件或实际情况，手动控制阀门导通或闭合。
控制器通过执行指令，实现测量砂浆罐内砂浆量的方法，该方法包括如下步骤：
1、控制器通过液位传感器采集砂浆实时压力，并通过预先标定好的砂浆压力与液位高度之间的对应关系，得到与砂浆实时压力对应的液位高度。
通过在罐体内设置若干标定点，通过多次重复试验，得到多组砂浆压力与液位高度的历史数据，通过数学统计分析的方式，标定出砂浆压力与液位高度之间的对应关系，可通过图表或公式函数的方式进行表示。
2、控制器通过预先标定的液位高度与砂浆体积之间的关系，得到与液位高度对应的砂浆体积，即砂浆量。
本领域的技术人员应当能够在得到液位高度后，根据砂浆罐的形状和结构，通过计算机指令或人工计算的方式，计算出砂浆罐内砂浆量的体积。如图5、6所示，由于罐体下半部为圆柱形底槽，液位高度与砂浆量体积为非线性变化关系，若直接根据液位高度计算砂浆量体积，由于罐体内壁存在砂浆粘结的情况，直接计算出的砂浆体积可能不是真实的砂浆体积。为此，本实施例中，通过在不同液位高度下测量多组砂浆体积数据，然后通过Matlab工具拟合出例如图4所示的砂浆液位高度与砂浆体积之间的关系，从而使检测出的砂浆体积更符合实际情况。
本实施例中，砂浆体积与液位高度之间的对应关系通过如下公式表示：
式中，V表示砂浆体积，L表示砂浆罐内壁长度，R表示砂浆罐底部圆柱截面半径，π为圆周率常数，h为液位高度。
如图2所示，由于盾构掘进过程中有时会有一定坡度或者震动，使得罐体前后液位高度不同。因此，沿盾构掘进方向，在罐体前后两侧的内壁各设置一个液位传感器，并配置相应的冲水喷头和冲水管路。如图3所示，控制器与两个液位传感器连接，以采集砂浆罐内前后两侧的砂浆压力。控制器根据两个砂浆压力，得到前液位高度h1和后液位高度h2(前液位高度h1为根据前侧壁液位传感器示数得到的砂浆液位高度，不一定与前侧壁处砂浆液位真实高度相同；后液位高度h2同理)，然后根据前液位高度h1和后液位高度h2分别计算砂浆体积V1和V2，进而求砂浆体积平均值，得到较为准确的砂浆体积V。
作为其他实施方式，也可以将前液位高度h1和后液位高度h2求砂浆液位高度平均值H，根据砂浆液位高度平均值H得出较为准确的砂浆体积。
如图1和图3所示，控制器采用PLC控制器，控制器还与设置在导浆管6上的导浆流量计5连接，以获取导浆管6向砂浆罐导入砂浆时的导浆量。控制器还与上位机连接，以显示液位高度、砂浆体积、砂浆量、导浆量、注浆量和注浆速度等注浆参数。
以注浆速度为例，当不存在外部导浆时，导浆量为0，从t0时刻到t1时刻的注浆速度vt就可表示为：
式中，Vt0为t0时刻的砂浆体积，Vt1为t1时刻的砂浆体积。
当存在外部导浆时，导浆量为V导，从t0时刻到t1时刻的注浆速度vt就可表示为：
在此基础上，还可计算环注浆量和累计注浆量等注浆参数，并通过上位机实时显示，从而为盾构施工过程快速、安全、高效进行提供保障。此外，相比于称重传感器测量和流量计测量的方式，本发明安装维护更加方便，还可节约60％以上的成本。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本结构和功能在于上述基本方案，对本领域技术人员而言，根据本发明的教导，采用其他模块、装置、结构、安装方式不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐，包括罐体，其特征在于，罐体侧壁距罐底设定距离范围内设置有液位传感器安装位，液位传感器安装位内设置有压力传感器，所述压力传感器包括用于检测砂浆罐内砂浆压力的感应面，所述感应面相比液位传感器安装位所在处的罐体内壁相平齐或更加伸入罐体内部；
罐体内设置有冲洗喷头，冲洗喷头喷液形成喷射液流用于冲洗感应面，所述感应面与喷射液流相平行，并位于喷射液流的液流范围内；
所述压力传感器与控制器相连，控制器获取砂浆罐内砂浆压力，从而确定罐体内的砂浆量变化；并根据对应施工环节前后砂浆量变化得到对应施工环节的注浆数据。
2.根据权利要求1所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，所述冲洗喷头的喷口朝下设置，向下喷射形成喷射液流。
3.根据权利要求1所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，控制器还控制连接设置在连接冲洗喷头的供液管路上的阀门，通过预设条件控制阀门的导通或闭合，以实现感应面的自动冲洗。
4.根据权利要求3所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，所述阀门导通条件为：阀门距离上一次导通的时间达到设定时间段，所述设定时间段小于通过试验得到的砂浆凝固时间。
5.根据权利要求3所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，所述阀门导通条件为：注浆开始前进行冲洗和注浆结束后进行冲洗。
6.根据权利要求1～5任一项所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，向罐体内导浆的导浆管上设置有导浆流量计，控制器连接导浆流量计以获取导浆量，对应施工环节前后砂浆量变化根据砂浆压力和对应施工环节内的导浆量共同确定。
7.根据权利要求1～5任一项所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，通过砂浆压力获取砂浆量变化的方法为，通过预先标定的砂浆压力与砂浆液位高度之间的对应关系，根据压力传感器得到的不同时刻的砂浆压力得到对应砂浆液位高度；再通过预先标定的砂浆液位高度与砂浆体积之间的对应关系，根据砂浆液位高度得到不同时刻砂浆体积作为不同时刻的砂浆量，将不同时刻的砂浆量做差得到对应时刻之间的砂浆量变化。
8.根据权利要求7所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，在罐体相对的两个侧壁上均设置压力传感器和冲洗喷头，最终的砂浆量根据两个压力传感器得到的砂浆压力共同确定。
9.根据权利要求8所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，根据两个压力传感器得到的砂浆压力确定砂浆量的方法为，根据每个压力传感器得到的砂浆压力得出对应时刻两个砂浆液位高度，根据两个砂浆液位高度得到两个砂浆体积，两个砂浆体积求平均后作为对应时刻的砂浆量。
10.根据权利要求8所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，根据两个压力传感器得到的砂浆压力确定砂浆量的方法为，根据每个压力传感器得到的砂浆压力得出对应时刻两个砂浆液位高度，将两个砂浆液位高度求平均后得到唯一砂浆液位高度，根据唯一砂浆液位高度得到砂浆体积作为对应时刻的砂浆量。
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