CN216144450U - 一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，包括多个薄膜压力传感器以及数据采集箱、信号接收器、云平台服务器和工业控制机，多个薄膜压力传感器分别安装在不同监测管节的承口端之中，数据采集箱设置在地埋管节中，数据采集箱内设有通过导线依次相连的电阻转电压模块、电压数据采集卡、信号采集模块和信号发射天线，每一薄膜压力传感器均通过导线与数据采集箱连接，信号接收器设置在地埋管节中，信号接收器与数据采集箱无线连接，云平台服务器与信号接收器无线连接，工业控制机内配置云平台监控软件，工业控制机与云台服务器无线连接。该系统能够实现顶管工程中全段地埋管节管周摩阻力的智能测量，更为直接且更为准确。

Description

一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统

技术领域

本实用新型涉及顶管非开挖工程技术领域，尤其涉及一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，适用于实时监测圆形和矩形顶管施工中管周摩阻力。

背景技术

相比明挖和盾构施工，顶管非开挖技术因其环境扰动小、施工效率高、成本低、施工场地小、整洁卫生等优势，避免了地下管网、行车通道、综合管廊及地铁隧道等地下工程施工过程中对城市已有建(构)筑物和道路交通的破坏，在地下空间开发工程中运用越来越广泛。

顶管非开挖技术是通过顶管掘进机切削前方土体，并在始发工作井采用液压油缸对管节施加顶力，将掘进机和管节按设计线路顶进土层。顶进力过大将造成开挖面欠挖、地表隆起、管节受损和油缸成本增加，顶进力过小将造成开挖面超挖、地表塌陷、管节无法前进，因此合理设定液压油缸的顶进力参数是顶管顺利施工最关键的因素。

顶进力主要用以克服掘进机头的迎面阻力和管节外壁与土体的摩擦阻力，其中，迎面阻力通过太沙基土压力及开挖面支护力的相关理论模型可较为准确的预估，且占总顶力比例很小，因此准确预测顶进力的关键在于管周摩阻力的计算。

由于管周摩阻力无法直接测量，目前国内外学者基于数值模拟、现场监测和室内试验等手段对注浆前后的管周土压力和摩擦系数变化规律分别开展研究，以此间接的计算管周摩阻力。然而，顶管施工时管周会注入润滑泥浆，整个顶程内不同位置的管节受力情况和润滑效果也不尽相同，管周摩阻力实际是管节-土-泥浆相互作用下极其复杂的接触界面力学问题。以往的研究方法无法区别不同位置和工况下管节之间摩阻力的差异性，求得的是整个顶程的平均摩阻力，诸多案例表明这种间接计算的摩阻力与实际情况偏差极大，导致目前相关规范标准和研究理论无法准确的预测顶进力。

近几年顶管工程呈现出断面尺寸更大、顶进距离更长的趋势，这造成管周摩阻力在顶进力的占比更大，因此准确且直接的测量管周摩阻力对行业发展和科学研究具有极其重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，该系统能够实现顶管工程中全段地埋管节管周摩阻力的智能测量，更为直接且更为准确。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，包括多个薄膜压力传感器以及数据采集箱、信号接收器、云平台服务器和工业控制机；

所述多个薄膜压力传感器分别安装在不同监测管节的承口端之中；

所述数据采集箱设置在地埋管节中，数据采集箱内设有通过导线依次相连的电阻转电压模块、电压数据采集卡、信号采集模块和信号发射天线，每一薄膜压力传感器均通过导线与数据采集箱连接；

所述信号接收器设置在地埋管节中，信号接收器与数据采集箱无线连接；

所述云平台服务器与信号接收器无线连接；

所述工业控制机内配置云平台监控软件，工业控制机与云台服务器无线连接。

进一步的，还包括信号强度增益器，信号强度增益器设置在始发工作井的后背墙上，信号强度增益器与信号接收器、云平台服务器均无线连接，将信号接收器的信号远程传输至云平台服务器。

进一步的，所述薄膜压力传感器为阵列多点式。

进一步的，所述薄膜压力传感器的量程大于始发工作井内液压油缸所提供的最大应力。

进一步的，在不同监测管节的承口端之中，薄膜压力传感器安装的木垫板之前，且其前后两面均设有与其等面积的橡胶垫片。

进一步的，所述橡胶垫片的厚度为1-2mm，橡胶垫片采用胶接贴附固定在薄膜压力传感器上。

本实用新型的有益效果为：

1、薄膜压力传感器安装于管节接口端面处不会干扰管节之间的顶力传递，同时薄膜压力传感器感应点密度大，合理布置后可监测到管节全截面的压力变化，有利于更全面揭示管节受力特征；

2、通过两监测管节接口端面顶力之差直接获得不同位置管节的摩阻力，突破以往通过分别测量管周压力和摩擦系数间接求取平均摩阻力的研究思路，避免了选取计算参数带来的误差，实现了顶程内局部区域管周摩阻力的监测；

3、考虑到所有管节都是通过前后承插口传递液压油缸顶力的，本实用新型在承压端面布置压力传感器，直接反映顶进压力，排除了其余变量(弹性模量、仪器安装偏差、传力路径等)的干扰；

4、本实用新型采用物联网云平台技术，将数字信号直接发送至地面工业控制机或PC端或手机端，顶进过程中操作人员无需进入管内即可实时监控摩阻力变化，方便及时采取注浆措施，提高施工监测效率，同时保证安全。

附图说明

图1为本实用新型智能测量系统的连接结构示意图；

图2为本实用新型薄膜压力传感器安装至管节中的拆分结构示意图；

图3为本实用新型数据采集箱的连接结构示意图。

标注说明：1、顶管掘进机，2、监测管节，3、数据采集箱，4、信号接收器，5、液压油缸，6、后背墙，7、信号强度增益器，8、云平台服务器，9、工业控制机，10、PC端，11、手机端，12、承口端，13、插口端，14、木垫板，15、橡胶垫片，16、薄膜压力传感器，17、电阻转电压模块，18、电压数据采集卡，19、信号采集模块，20、信号发射天线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1-3所示，一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，包括多个薄膜压力传感器16以及数据采集箱3、信号接收器4、云平台服务器8和工业控制机9。

所述多个薄膜压力传感器16分别安装在不同监测管节2的承口端12之中。监测管节2根据顶管工程实际情况所选取，理想状况下，顶管工程使用的全部管节都可以作为监测管节2。其中，所述薄膜压力传感器16为阵列多点式，即一定面积的薄膜内包含多个压力感应点。不同薄膜压力传感器16的电压-压力标定函数通过标定试验获得。

上述技术方案，在不同监测管节2的承口端12之中，薄膜压力传感器16安装的木垫板14之前，且其前后两面均设有与其等面积的橡胶垫片15。

优选的是，所述橡胶垫片15的厚度为1-2mm，橡胶垫片15采用胶接贴附固定在薄膜压力传感器16上，以保证所有传感器感应点能同时与监测管节2的承口端12和后一管节的插口端12接触，防止因承插接口局部出现空隙或局部不平整而接触不良，导致无法采集整个端面传递的顶力。本实施例中，橡胶垫片15采用环氧树脂胶或玻璃胶固定。

所述薄膜压力传感器16的量程大于始发工作井内液压油缸5所提供的最大应力，因不同顶管工程的管节尺寸存在差异，选取量程时应按实际情况确定。

所述数据采集箱3设置在地埋管节中，数据采集箱3内设有通过导线依次相连的电阻转电压模块17、电压数据采集卡18、信号采集模块19和信号发射天线20，每一薄膜压力传感器16均通过导线与数据采集箱3连接。本实施例中，信号采集模块19为4G信号采集模块，信号发射天线20为4G信号发射天线。

薄膜压力传感器16输出的电阻信号经过电阻转电压模块17输出为电压信号并由电压数据采集卡18整合处理，最后由信号采集模块19将电压数据转换为无线数字信号并由信号发射天线20向外发射。

需要说明的是，数据采集箱3可连接薄膜压力传感器16的数量由其通道数决定。

所述信号接收器4设置在地埋管节中，信号接收器4与数据采集箱3无线连接。

所述云平台服务器8与信号接收器4无线连接。信号采集模块19和云平台服务器8在测量系统中的作用是搭建物联网以实现信号无线传输。

上述技术方案，还包括信号强度增益器7，信号强度增益器7设置在始发工作井的后背墙6上，信号强度增益器7与信号接收器4和云平台服务器8均无线连接，从而将信号接收器4的信号远程传输至云平台服务器8。

数据采集箱3设置在埋地管节中会随顶进施工而向前移动，信号接收器4接收到信号发射天线20发射的数字信号后将信号放大增强并再次发射，但信号接收器4的发射距离有限，地面很难直接接收信号，因此在距离数据采集箱3一定距离处设置信号接收器4，在始发工作井的后背墙6上设置信号强度增益器7，三者通过无线连接，无需接线，信号强度增益器7收到信号接收器4的信号后将其远程传输至云平台服务器8。

所述工业控制机9内配置云平台监控软件，工业控制机9与云台服务器8无线连接。工业控制机9启动云平台监控软件，云平台服务器8返回数字信号至监控软件上，调用薄膜压力传感器16的电压-压力标定函数文件实时拟合并呈现压力数据在工业控制机9的界面上。工业控制机9可实时连续工作，考虑了顶管长时间施工且中途不间断的特点，云平台服务器8还可连接PC端10和手机端11，用于远程观测。

该系统的工作原理如下：薄膜压力传感器16安装在监测管节2的承口端12之中，在液压油缸与顶管掘进机1的配合作用下，后一管节向监测管节2顶进，薄膜压力传感器16因受到后一管节的插口端13的顶推力发生电阻变化，通过导线将电阻信号输入数据采集箱3，通过信号接收器4和信号强度增益器7将数据采集箱3中信号发射天线20所发射的数字信号无线传输至云平台服务器8，地面操作室内的工业控制机9中所配置的云平台监控软件，基于薄膜压力传感器的标定函数文件将采集的电阻数据换算为压力值并实时显示在工业控制机的界面上。

通过在监测管节2的承口端12之中安装薄膜压力传感器16测量管节间传递的顶进力，进而直接得到任意两监测管节2之间区域管节的摩阻力，具体的，两监测管节2之间区域管节的管周摩阻力为两监测管节2中薄膜压力传感器16所测压力值之差。

为了测得不同位置管节的管周摩阻力，应尽量布置多个监测管节2，监测管节2越多，区域管节的管周摩阻力测量越精准。

薄膜压力传感器16、数据采集箱3、信号接收器4、信号强度增益器7均采用充电锂电池供电，以保证停机断电时继续监测，同时，锂电池外接三级变电箱进行充电。

综上所述，本实用新型的优点如下：

1、传统压力传感器最小厚度达10mm，且仅能反映极小面积范围的压力变化，而薄膜压力传感器16厚度仅0.2mm，安装于管节接口端面处不会干扰管节之间的顶力传递，同时薄膜压力传感器16感应点密度大，合理布置后可监测到管节全截面的压力变化，有利于更全面揭示管节受力特征；

2、通过两监测管节2接口端面顶力之差直接获得不同位置管节的摩阻力，突破以往通过分别测量管周压力和摩擦系数间接求取平均摩阻力的研究思路，避免了选取计算参数带来的误差，实现了顶程内局部区域管周摩阻力的监测；

3、通过浇筑管节时在钢筋笼内安装钢筋应变计，或者在管节内壁轴向安装光纤应变传感器，是可以想到的两种测量差异顶进力进而得到管周摩阻力的方法，但前一种预置在管内的方法测得的是管节内部结构变形和内力，后一种测得的是管节内壁表面的结构应变。两种办法都面临两个问题，首先传感器受力路径与顶力实际传递路径不一致，其次无法得知钢筋混凝土管节的弹性模量，并且压力作用下不同变形阶段的弹性模量是持续变化的，从而无法换算为应力，可以认为这两种依然是间接测量摩阻力的办法。考虑到所有管节都是通过前后承插口传递液压油缸5顶力的，本实用新型在承压端面布置压力传感器，直接反映顶进压力，排除了其余变量(弹性模量、仪器安装偏差、传力路径等)的干扰；

4、以往岩土工程监测手段都需待数据全部采集完后再导出至PC端10进行后处理，本实用新型采用物联网云平台技术，将数字信号直接发送至地面工业控制机9或PC端10或手机端11，顶进过程中操作人员无需进入管内即可实时监控摩阻力变化，方便及时采取注浆措施，提高施工监测效率，同时保证安全。

当然，以上仅为本实用新型较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的使用范围，故，凡是在本实用新型原理上做等效改变均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，其特征在于：包括多个薄膜压力传感器以及数据采集箱、信号接收器、云平台服务器和工业控制机；

所述多个薄膜压力传感器分别安装在不同监测管节的承口端之中；

所述数据采集箱设置在地埋管节中，数据采集箱内设有通过导线依次相连的电阻转电压模块、电压数据采集卡、信号采集模块和信号发射天线，每一薄膜压力传感器均通过导线与数据采集箱连接；

所述信号接收器设置在地埋管节中，信号接收器与数据采集箱无线连接；

所述云平台服务器与信号接收器无线连接；

所述工业控制机内配置云平台监控软件，工业控制机与云台服务器无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，其特征在于：还包括信号强度增益器，信号强度增益器设置在始发工作井的后背墙上，信号强度增益器与信号接收器、云平台服务器均无线连接，将信号接收器的信号远程传输至云平台服务器。

3.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，其特征在于：所述薄膜压力传感器为阵列多点式。

4.根据权利要求3所述的一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，其特征在于：所述薄膜压力传感器的量程大于始发工作井内液压油缸所提供的最大应力。

5.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，其特征在于：在不同监测管节的承口端之中，薄膜压力传感器安装的木垫板之前，且其前后两面均设有与其等面积的橡胶垫片。

6.根据权利要求5所述的一种基于薄膜压力传感器的顶管管周摩阻力智能测量系统，其特征在于：所述橡胶垫片的厚度为1-2mm，橡胶垫片采用胶接贴附固定在薄膜压力传感器上。

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