CN116658245B - 一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构机同步注浆监测技术领域，特别是涉及一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统及方法，包括盾壳，盾壳行进方向的后端位于围岩和管片之间，盾壳行进方向的后端设有注浆组件和注浆雷达监测组件，注浆雷达监测组件电性连接有信息处理决策系统，信息处理决策系统与注浆组件电性连接。本发明可以对盾构掘进过程中对同步注浆浆液进行实时探测，保障了工程掘进的需求，同时可以通过注浆雷达监测组件得到更加清晰的雷达图像，提高检测结果，同时信息处理决策系统可以根据监测结果智能化调整注浆压力，减小了施工作业人员的主观性影响，实现了自动监测，自动调节。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机同步注浆监测技术领域，特别是涉及一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统及方法。
背景技术
盾构法作为隧道施工建设中的一种日益流行的施工方法，在我国得到了广泛应用。盾构法通过盾构外壳和管片支承围岩隧道的坍塌，同时在开挖面前方使用切削装置进行土体开挖。
同步注浆是盾构法掘进的重要过程，是指在盾构机向前推进时同时向盾尾空隙注入适量的具有一定早期强度的注浆材料，待其固化硬结。从而起到控制地面沉降与保护隧道的作用。
当盾构机在软弱围岩中掘进时，同步注浆过程经常出现浆液流失严重、注浆压力过大导致管片开裂等工程问题，从而引起地表沉降，造成严重的工程灾害。因此，同步注浆监测是控制注浆质量的重要内容之一，对于盾构施工安全有着极为重要的意义。
然而目前现有市场上的同步注浆雷达监测系统主要以人工监测为主，主观性大且监测时间往往滞后，在准确反映浆液性质上还存在极大的限制，无法满足对同步注浆浆液实时监控的需要，因此亟需一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统及方法来解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统及方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，包括盾壳，所述盾壳行进方向的后端位于围岩和管片之间，所述盾壳行进方向的后端设有注浆组件和注浆雷达监测组件，所述注浆雷达监测组件电性连接有信息处理决策系统，所述信息处理决策系统与所述注浆组件电性连接。
优选的，所述注浆雷达监测组件包括半开口金属保护盒，所述半开口金属保护盒与所述盾壳行进方向的后端固接，所述半开口金属保护盒顶部外侧固接有测温测压部，所述半开口金属保护盒内设有自发自收雷达组件，所述自发自收雷达组件远离发射端的一侧设有自旋转装置，所述自旋转装置用于调整所述自发自收雷达组件朝向，所述半开口金属保护盒远离所述盾壳的一端固接有保护板，所述测温测压部、所述自发自收雷达组件与所述信息处理决策系统电性连接，所述半开口金属保护盒与所述保护板之间设有密封部。
优选的，所述测温测压部包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述半开口金属保护盒外壁固接，所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述信息处理决策系统电性连接。
优选的，所述密封部包括止水橡胶，所述止水橡胶的一侧与所述半开口金属保护盒远离所述盾壳一端固接，所述止水橡胶另一端与所述保护板固接。
优选的，所述信息处理决策系统包括压力信号接收器、雷达主机和温度信号接收器，所述压力信号接收器与所述压力传感器电性连接，所述温度信号接收器与所述温度传感器电性连接，所述雷达主机与所述自发自收雷达组件电性连接，所述压力信号接收器、所述雷达主机和所述温度信号接收器分别电性连接有综合决策装置，所述综合决策装置与所述注浆组件电性连接。
优选的，所述注浆组件包括压力控制系统，所述压力控制系统与所述综合决策装置电性连接，所述压力控制系统电性连接有注浆泵，所述注浆泵的出液端设置在所述盾壳行进方向的后端，所述注浆泵的进液端连通有浆液储存箱。
一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测方法，基于一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，包括以下步骤：
S1、将所述注浆雷达监测组件安装在所述盾壳行进方向的后端；
S2、通过所述注浆组件向所述围岩和所述管片之间注浆，同时使用所述注浆雷达监测组件对温度、压力和雷达信息进行实时监测；
S3、根据所述注浆雷达监测组件监测到的温度、压力实时数据、雷达数据和所述注浆组件的实时注浆压力，将信号传输至所述信息处理决策系统；
S4、所述信息处理决策系统将温度、压力实时数据、雷达数据和所述注浆组件的实时注浆压力进行处理，控制所述注浆组件的注浆压力。
优选的，所述S4中，所述信息处理决策系统通过PCA算法和Contourlet变换对雷达信号进行处理。
本发明具有如下技术效果：使用时，随着盾构机的掘进，同时在隧道侧壁周围安装管片，将盾壳行进方向后端的注浆组件的出液端设置在围岩和管片之间，随着盾构机的掘进同时向围岩和管片之间注入浆料，并通过注浆雷达监测组件实时监测围岩和管片之间围成的监测区域，将温度、压力及雷达信息传输至信息处理决策系统，同时注浆组件的注浆压力也传输至信息处理决策系统中，信息处理决策系统通过对温度、压力及雷达信息进行处理并决断，实时调整注浆组件的注浆压力，本发明可以对盾构掘进过程中对同步注浆浆液进行实时探测，保障了工程掘进的需求，同时可以通过注浆雷达监测组件得到更加清晰的雷达图像，提高检测结果，同时信息处理决策系统可以根据监测结果智能化调整注浆压力，减小了施工作业人员的主观性影响，实现了自动监测，自动调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明注浆雷达监测组件结构示意图；
图3为本发明雷达主机处理雷达信号工作流程图；
其中，1、注浆雷达监测组件；2、信息处理决策系统；3、压力控制系统；4、压力信号接收器；5、雷达主机；6、温度信号接收器；7、综合决策装置；8、管片；9、监测区域；10、围岩；11、盾壳；12、光纤电缆；13、注浆泵；14、浆液储存箱；15、温度传感器；16、压力传感器；17、保护板；18、止水橡胶；19、自发自收雷达组件；20、自旋转装置；21、半开口金属保护盒。
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性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1至图3，本发明提供一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，包括盾壳11，盾壳11行进方向的后端位于围岩10和管片8之间，盾壳11行进方向的后端设有注浆组件和注浆雷达监测组件1，注浆雷达监测组件1电性连接有信息处理决策系统2，信息处理决策系统2与注浆组件电性连接。
使用时，随着盾构机的掘进，同时在隧道侧壁周围安装管片8，将盾壳11行进方向后端的注浆组件的出液端设置在围岩10和管片8之间，随着盾构机的掘进同时向围岩10和管片8之间注入浆料，并通过注浆雷达监测组件1实时监测围岩10和管片8之间围成的监测区域9，将温度、压力及雷达信息传输至信息处理决策系统2，同时注浆组件的注浆压力也传输至信息处理决策系统2中，信息处理决策系统2通过对温度、压力及雷达信息进行处理并决断，实时调整注浆组件的注浆压力，本发明可以对盾构掘进过程中对同步注浆浆液进行实时探测，保障了工程掘进的需求，同时可以通过注浆雷达监测组件1得到更加清晰的雷达图像，提高检测结果，同时信息处理决策系统2可以根据监测结果智能化调整注浆压力，减小了施工作业人员的主观性影响，实现了自动监测，自动调节。
进一步优化方案，注浆雷达监测组件1包括半开口金属保护盒21，半开口金属保护盒21与盾壳11行进方向的后端固接，半开口金属保护盒21顶部外侧固接有测温测压部，半开口金属保护盒21内设有自发自收雷达组件19，自发自收雷达组件19远离发射端的一侧设有自旋转装置20，自旋转装置20用于调整自发自收雷达组件19朝向，半开口金属保护盒21远离盾壳11的一端固接有保护板17，测温测压部、自发自收雷达组件19与信息处理决策系统2电性连接，半开口金属保护盒21与保护板17之间设有密封部。
进一步优化方案，测温测压部包括温度传感器15和压力传感器16，温度传感器15和压力传感器16分别与半开口金属保护盒21外壁固接，温度传感器15和压力传感器16分别与信息处理决策系统2电性连接。
进一步优化方案，密封部包括止水橡胶18，止水橡胶18的一侧与半开口金属保护盒21远离盾壳11一端固接，止水橡胶18另一端与保护板17固接。
半开口金属保护盒21位于盾壳11行进方向的后端，半开口金属保护盒21用于保护其内部的自发自收雷达组件19和自旋转装置20，在半开口金属保护盒21的开口端还固接有保护板17，半开口金属保护盒21的开口端与保护板17之间还设有止水橡胶18，用于防止浆料进入到半开口金属保护盒21的内部。
保护板17材料为聚碳酸酯基材，具有足够的强度与耐磨性，可以对自发自收雷达组件19进行保护的同时，不会妨碍电磁波信号的传输。
自发自收雷达组件19由两个自发自收的雷达组成，其主频率分别优选为500MHz和1000MHz。雷达优选为探地雷达。
探地雷达主频越高，探测距离越短，主频为500MHz的探地雷达，探测距离为5m。主频为1000MHz的探地雷达探测距离为1m，使用不同主频雷达天线，可以同时满足探测距离和探测分辨率要求。
雷达上安装有抛物面结构的天线，天线由导电性能比较好的铝合金板构成，体积较小且拥有较高的方向性，能从一个特定的方向接收无线电波。雷达天线后方安装一个自旋转装置20，通过自旋转装置20旋转雷达天线，进而增加监测区域9的范围，实现对同步注浆的实时监测。
自旋转装置20优选为电机，雷达天线的一端固接在自旋转装置20的输出端上，自旋转装置20用于雷达天线的旋转。
将温度传感器15与压力传感器16安装在半开口金属保护盒21的外侧，用来实时监控同步注浆浆液的温度与压力信号。其中，温度传感器15优选为热敏电阻传感器，热敏电阻灵敏度高，工作范围广，体积较小，可以在有限的温度范围内实现较高的精度，测量范围一般在-90～130℃以内。压力传感器16优选为扩散硅压力传感器，利用压阻效应原理，被测介质的压力可以直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
温度传感器15、压力传感器16和自发自收雷达组件19均采用光纤电缆12与信息处理决策系统2电性连接，用于传输雷达信号、温度信号和压力信号，光纤电缆12可避免盾构内部机械对信号的影响。
进一步优化方案，信息处理决策系统2包括压力信号接收器4、雷达主机5和温度信号接收器6，压力信号接收器4与压力传感器16电性连接，温度信号接收器6与温度传感器15电性连接，雷达主机5与自发自收雷达组件19电性连接，压力信号接收器4、雷达主机5和温度信号接收器6分别电性连接有综合决策装置7，综合决策装置7与注浆组件电性连接。
雷达主机5用于接收自发自收雷达组件19的雷达信号，并利用Contourlet变换与PCA算法对自发自收雷达组件19的实测图像进行自动识别与提取。
Contourlet变换可以较好的对二维图像几何结构进行捕获，并且由于变化的“长方形基”结构具有各向异性的特点，可以对图像边缘信息进行描述，更适合用于边缘增强处理。
在处理过程中，Contourlet变化首先将图像进行拉普拉斯公式变换以分离雷达图像中的高频与低频成分，再使用方向滤波器组对图像中的高频信息进行处理，即可获得带有方向性的高频信息。
Contourlet变换为现有技术，此处不做赘述。
PCA算法即主成分分析算法，通过对已有的数据信息进行降低维数，再用尽可能少的数据对原有数据信息的重要特征进行描述。PCA算法为现有技术，此处不做赘述。
综合决策装置7通过雷达主机5对自发自收雷达组件19的雷达信号处理后的数据得到同步注浆层厚度与密实情况，再结合压力与温度信号，对同步注浆状态进行综合分析，将同步注浆状态分为超注浆，正常注浆与欠注浆三类。当同步注浆层厚度，密实情况，压力与温度值均大于理论值，则认定同步注浆为超注浆状态，并向注浆泵发出“降低注浆压力，减少注浆量”的信号；若与理论值相差不大，则认为是正常注浆状态；若低于理论值，则向注浆泵发出“提高注浆压力，增大注浆量”的信号。
进一步优化方案，注浆组件包括压力控制系统3，压力控制系统3与综合决策装置7电性连接，压力控制系统3电性连接有注浆泵13，注浆泵13的出液端设置在盾壳11行进方向的后端，注浆泵13的进液端连通有浆液储存箱14。
一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测方法，基于一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，包括以下步骤：
S1、将注浆雷达监测组件1安装在盾壳11行进方向的后端；
将半开口金属保护盒21位于盾壳11行进方向的后端，并在半开口金属保护盒21的外壁上固接温度传感器15和压力传感器16，在半开口金属保护盒21的内部设置自发自收雷达组件19和自旋转装置20，将温度传感器15、压力传感器16和自发自收雷达组件19通过光纤电缆12分别与压力信号接收器4、温度信号接收器6和雷达主机5电性连接。
S2、通过注浆组件向围岩10和管片8之间注浆，同时使用注浆雷达监测组件1对温度、压力和雷达信息进行实时监测；
S3、根据注浆雷达监测组件1监测到的温度、压力实时数据、雷达数据和注浆组件的实时注浆压力，将信号传输至信息处理决策系统2；
温度传感器15、压力传感器16和自发自收雷达组件19将检测数据分别传输到压力信号接收器4、温度信号接收器6和雷达主机5。
S4、信息处理决策系统2将温度、压力实时数据、雷达数据和注浆组件的实时注浆压力进行处理，控制注浆组件的注浆压力。
压力信号接收器4、温度信号接收器6和雷达主机5将数据传输至综合决策装置7，由综合决策装置7对所检测到的数据进行处理，综合雷达图像，压力信号，温度信号对同步注浆浆液进行判断，并向压力控制系统3发出信号，调节注浆压力。
进一步优化方案，S4中，信息处理决策系统2通过PCA算法和Contourlet变换对雷达信号进行处理。
雷达主机5通过PCA算法和Contourlet变换对雷达信号进行处理，得到同步注浆情况三维成像图。
PCA算法的运行流程为：
S401、采用Contourlet变换对雷达主机5所获得的自发自收雷达组件19的地质雷达图像进行分解,得到各尺度上的高频子带一个低频信息子带；
S402、对于所得到的各尺度上的高频信息子带以及低频子带进行分别处理，对每个子带的Contourlet系数取其相应地绝对值；
S403、将上一步骤得到的绝对值进行排序(按从大到小进行排序,同时不改变其原有位置；
S403、根据上一步骤的排序结果,计算第N+1个Contourlet系数的绝对值，其大小为M；
S404、判断各个Contourlet系数绝对值是否小于或等于M的值；
S405、将小于或等于M的值的Contourlet系数设置为零；
S406、将最后得到的新的Contourlet系数进行重构,即可得到图像的特征信息。
S406中，新的Contourlet系数指的是其绝对值大于M的Contourlet系数。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，其特征在于：包括盾壳(11)，所述盾壳(11)行进方向的后端位于围岩(10)和管片(8)之间，所述盾壳(11)行进方向的后端设有注浆组件和注浆雷达监测组件(1)，所述注浆雷达监测组件(1)电性连接有信息处理决策系统(2)，所述信息处理决策系统(2)与所述注浆组件电性连接；
所述注浆雷达监测组件(1)包括半开口金属保护盒(21)，所述半开口金属保护盒(21)与所述盾壳(11)行进方向的后端固接，所述半开口金属保护盒(21)顶部外侧固接有测温测压部，所述半开口金属保护盒(21)内设有自发自收雷达组件(19)，所述自发自收雷达组件(19)远离发射端的一侧设有自旋转装置(20)，所述自旋转装置(20)用于调整所述自发自收雷达组件(19)朝向，所述半开口金属保护盒(21)远离所述盾壳(11)的一端固接有保护板(17)，所述测温测压部、所述自发自收雷达组件(19)与所述信息处理决策系统(2)电性连接，所述半开口金属保护盒(21)与所述保护板(17)之间设有密封部；
所述测温测压部包括温度传感器(15)和压力传感器(16)，所述温度传感器(15)和所述压力传感器(16)分别与所述半开口金属保护盒(21)外壁固接，所述温度传感器(15)和所述压力传感器(16)分别与所述信息处理决策系统(2)电性连接；
所述信息处理决策系统(2)包括压力信号接收器(4)、雷达主机(5)和温度信号接收器(6)，所述压力信号接收器(4)与所述压力传感器(16)电性连接，所述温度信号接收器(6)与所述温度传感器(15)电性连接，所述雷达主机(5)与所述自发自收雷达组件(19)电性连接，所述压力信号接收器(4)、所述雷达主机(5)和所述温度信号接收器(6)分别电性连接有综合决策装置(7)，所述综合决策装置(7)与所述注浆组件电性连接；
所述搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统的实时监测方法，包括以下步骤：
S1、将所述注浆雷达监测组件(1)安装在所述盾壳(11)行进方向的后端；
S2、通过所述注浆组件向所述围岩(10)和所述管片(8)之间注浆，同时使用所述注浆雷达监测组件(1)对温度、压力和雷达信息进行实时监测；
S3、根据所述注浆雷达监测组件(1)监测到的温度、压力实时数据、雷达数据和所述注浆组件的实时注浆压力，将信号传输至所述信息处理决策系统(2)；
S4、所述信息处理决策系统(2)将温度、压力实时数据、雷达数据和所述注浆组件的实时注浆压力进行处理，控制所述注浆组件的注浆压力；
所述S4中，所述信息处理决策系统(2)通过PCA算法和Contourlet变换对雷达信号进行处理；
所述PCA算法的运行流程为：
S401、采用Contourlet变换对所述雷达主机(5)所获得的所述自发自收雷达组件(19)的地质雷达图像进行分解,得到各尺度上的高频子带一个低频信息子带；
S402、对于所得到的各尺度上的高频信息子带以及低频子带进行分别处理，对每个子带的Contourlet系数取其相应地绝对值；
S403、将上一步骤得到的绝对值按从大到小的顺序进行排序，同时不改变其原有位置；
S403、根据上一步骤的排序结果,计算第N+1个Contourlet系数的绝对值，其大小为M；
S404、判断各个Contourlet系数绝对值是否小于或等于M的值；
S405、将小于或等于M的值的Contourlet系数设置为零；
S406、将最后得到的新的Contourlet系数进行重构,即可得到图像的特征信息；
所述S406中，新的Contourlet系数指的是其绝对值大于M的Contourlet系数。
2.根据权利要求1所述一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，其特征在于：所述密封部包括止水橡胶(18)，所述止水橡胶(18)的一侧与所述半开口金属保护盒(21)远离所述盾壳(11)一端固接，所述止水橡胶(18)另一端与所述保护板(17)固接。
3.根据权利要求1所述一种搭载于盾构尾部的同步注浆实时监测系统，其特征在于：所述注浆组件包括压力控制系统(3)，所述压力控制系统(3)与所述综合决策装置(7)电性连接，所述压力控制系统(3)电性连接有注浆泵(13)，所述注浆泵(13)的出液端设置在所述盾壳(11)行进方向的后端，所述注浆泵(13)的进液端连通有浆液储存箱(14)。
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