复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置与方法与流程

本发明涉及盾构施工的技术和设备领域，具体涉及复合盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置与方法。

背景技术：

在国内现有地下隧道工程盾构施工中，由于地质复杂多样，盾构机相应有多种类型，土压平衡盾构机为其中最常用的一种。在含水风化层的施工中，利用土压平衡复合式盾构机进行掘进是目前效率较高的掘进方式。土压平衡复合盾构机采用气压辅助模式进行掘进，在该掘进模式下，需要尽量降低渣土界面高度，但是渣土界面高度不得低于盾构机土仓高度的三分之一，因此，在盾构机掘进过程中需要对气-渣界面高度进行实时监测。

目前，气渣界面高度主要通过监测盾构机土仓内的土压力分布进行间接的观测，其中，一种常规方法是根据盾构机土仓内不同高度处预先埋设的土压力计读数进行判断，该方法所用土压力计容易因为长期受有压渣土的掩撞而失准；另一种常规方法是在盾构机隔板舱上半部增设监测孔并外接机械式气压表，该方法需要专门操作人员在盾构机隔板舱外进行压力读数，实际操作中不方便。

现有技术中，专利号为cn103912279的中国专利公开了一种用于判断土压平衡盾构土仓是否满仓的装置，该安装于土仓顶部，当土仓行进半仓掘进时，该装置无法得到土仓内的气-渣界面高度，使用时存在局限性；专利号为cn105068128的中国专利介绍了一种三维激电法超前预报系统及探测方法，该方法中用于探测刀盘前方地层情况而无法测得土仓内的气-渣界面高度。

综上所述，为了进一步提高盾构施工的安全，有效地指导掘进施工控制，需要一种简便快捷，且不会对正常盾构掘进造成影响的气-渣界面高度感知监测装置。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置与方法，主要利用土仓内含水渣土和空气电阻率的显著差异，通过实时监测、计算和分析土仓内特定高度处的电阻率的变化情况，得到气-渣土界面的高度，为复合式盾构机的掘进控制提供精确的参考信息。

本发明的技术方案如下：

复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置，包括安装在土仓隔板内的传感器和连接器；所述传感器包括合金面板以及与合金面板叠合的绝缘底板；所述合金面板上设置有若干呈十字排列的金属电极；绝缘底板中间内嵌有若干金属卡槽；若干ⅰ号导线连接对应的金属电极与金属卡槽靠近合金面板的一端；所述连接器为带有若干贯穿其中的金属针的绝缘体，绝缘体外圈具有外螺纹以固定在土仓隔板上；所述金属针一端插入金属卡槽，进而将连接器与传感器上的金属电极连接；金属卡槽与连接器的金属针对接后，将合金面板与土仓隔板1接缝焊接密封以固定传感器并防止土仓内物质流入传感器内部；所述金属针另一端通过ⅱ号导线外接一电阻检测分析装置；所述电阻检测分析装置用于采集、传输、分析与输出金属电极检测到电阻率，并分析提示气-渣界面的相对高度。

进一步的，所述连接器还包括加固钢片，加固钢片焊接固定在土仓隔板的外侧壁以防止传感器及连接器在土仓隔板两侧压力差作用下受到破坏；与金属针连接的ⅱ号导线穿过加固钢片上的孔洞后与所述电阻检测分析装置电连接。

进一步的，所述金属电极与合金面板间设有绝缘保护套；水平方向排列的相邻金属电极之间的间距为5～6cm，竖直方向排列的相邻金属电极之间的间距为10～12cm；所述绝缘底板和合金面板的直径一致且为20～30cm。

进一步的，所述电阻检测分析装置包括依次电连接的滤波及预处理模块、智能控制器以及人机交互界面；金属电极用于检测其所在平面的电阻信号，电阻信号经滤波及预处理模块处理后输入智能控制器进行计算得到视电阻率并分析提示气-渣界面的相对高度，由人机交互界面输出。

进一步的，所述滤波及预处理模块上设置有10～20个pin接口，金属电极通过导ⅰ号导线与金属卡槽连接，金属卡槽通过金属针和ⅱ号导线与pin接口电连接。

进一步的，所述智能控制器中包括数据采集与转换电阻信号的数据转换模块；所述数据转换模块为ad/da电路。

进一步的，复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置安装方法，包括如下安装步骤：

s1、在土仓隔板内确定需要安装所述传感器的高度位置，并在土仓隔板上开孔攻牙；

s2、将绝缘体螺入孔后将连接器固定在土仓隔板的孔内，将传感器上的金属卡槽与相对应贯穿绝缘体的金属针连接；

s3、利用ⅱ号导线将电阻检测分析装置和贯穿绝缘体的金属针的另一端连接；

s4、金属卡槽和金属针连接后，将合金面板焊接固定在土仓隔板上，进而将传感器和连接器密封在土仓隔板内部。

进一步的，复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置的监测方法，具体步骤如下：

a1、将传感器内部呈水平排列的金属电极所在的高度位置以及竖直排列的上下相邻的两个金属电极的间距作为输入信息，通过人机交互界面输入智能控制器中；

a2、利用传感器中水平排列的金属电极检测到的高度为h所在平面的电阻信号，经由连接器传递到滤波及预处理模块，电阻信号经过滤波及预处理模块处理后，经由数据转换模块将电阻信号转换为数字信号输入智能控制器中，根据电学原理，测得高度为h处的视电阻率ρs(h)；

a3、利用传感器中竖直排列的金属电极检测到的高度为h+a和h-a所在平面的电阻信号，如a2所述步骤传输，并根据电学原理，得到h～h+a和h～h-a高度范围内视电阻率ρs(h+a)和ρs(h-a)，a的值为顶部和底部竖直排列金属电极距离的四分之一；

a4、将计算得到的视电阻率和电阻率阈值进行比较，同时根据如下公式判断气-渣界面与传感器的相对位置，实现对气-渣界面的监测，并通过人机交互界面输出判断结果：

ρs(h)＜ρ阈且ρs(h+a)＜ρ阈，则气-渣界面在h+a以上；

ρs(h)＜ρ阈且ρs(h+a)＞ρ阈，则气-渣界面在h～h+a之间；

ρs(h)＞ρ阈且ρs(h-a)＜ρ阈，则气-渣界面在h-a～h之间；

ρs(h)＞ρ阈且ρs(h-a)＞ρ阈，则气-渣界面在h-a以下；

其中，电阻率阈值ρ阈的取值大于渣土的视电阻率，小于空气的电阻率。

本发明的有益效果：

1、本发明的监测装置利用土仓内含水渣土和空气电阻率的显著差异，通过分析土仓内特定高度处的电阻率变化情况，能够准确的得到气-渣界面的高度，为复合盾构机的掘进控制提供参考信息，同时，该装置安装在土仓隔板中，安装便捷，不会影响盾构机正常的掘进工作，能够保证在盾构机工作期间土仓内高压作用下传感器和连接装置不被破坏。

2、本发明监测装置的监测过程通过数字化自动实现，能够对土仓内气-渣界面的高度进行实时监测，同时根据监测到的气-渣界面的高度可对气压辅助模式下的盾构机盾构掘进控制给予指导；通过在气-渣界面高度安全下限h处安装传感器，当气-渣界面在h+α以上，表明可采取措施进一步降低气渣高度；当气-渣界面在h～h+α之间，表明当前状态良好，保持当前掘进参数；当气-渣界面在h～h-α之间，当前状态正常，但需采取措施提高气渣高度；当气-渣界面在h-α以下，则当前状态存在安全隐患，需立刻采取措施提高气渣高度。

3、本发明中的可在不同高度处安装若干气-渣界面高度监测装置，可进一步的增加气-渣高度的监测范围。

附图说明

图1为本发明监测装置的安装示意图；

图2为本发明中传感器的正视图；

图3为本发明中传感器的内部结构图；

图4为本发明中传感器的后视图；

图5为本发明中连接器的结构示意图；

图6为图1中a处的放大示意图。

图中附图标记表示为：

1、土仓隔板；2、传感器；21、合金面板；22、绝缘底板；23、金属电极；231、绝缘保护套；24、金属卡槽；25、ⅰ号导线；3、连接器；31、金属针；32、绝缘体；321、外螺纹；33、ⅱ号导线；34、加固钢片；4、电阻检测分析装置；41、滤波及预处理模块；42、智能控制器；43、人机交互界面；44、数据转换模块；5、气-渣界面；6、高压空气；7、渣土；8、螺旋机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

气-渣界面5将含水风化层分为渣土7和高压空气6，土体的电阻率约100ω·m，水的电阻率约0.1ω·m，渣土7为水土混合物，电阻率不超过100ω·m，高压空气6的电阻率约1×10¹⁶ω·m。可取电阻率阈值ρ阈为10⁸ω·m。

参见图1至图6，复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置，包括安装在土仓隔板1内的传感器2和连接器3；所述传感器2包括合金面板21以及与合金面板21叠合的绝缘底板22；所述合金面板21上设置有若干呈十字排列的金属电极23；绝缘底板22中间内嵌有若干金属卡槽24，若干ⅰ号导线25连接对应的金属电极23与金属卡槽24靠近合金面板21的一端；所述连接器3为带有若干贯穿其中的金属针31的绝缘体32，绝缘体32外圈具有外螺纹321以固定在土仓隔板1上；所述金属针31一端插入金属卡槽24，进而将连接器3与传感器2上的金属电极23连接；金属卡槽24与连接器3的金属针31对接后，将合金面板21与土仓隔板1接缝焊接密封，从而固定传感器2并防止土仓内物质流入传感器2内部；所述金属针31另一端通过ⅱ号导线33外接一电阻检测分析装置4；所述电阻检测分析装置4用于采集、传输、分析与输出金属电极23检测到电阻率，并分析提示气-渣界面的相对高度。

进一步的，所述连接器3还包括加固钢片34，加固钢片34固定在土仓隔板1的外侧壁以防止传感器2及连接器3在土仓隔板1两侧压力差作用下受到破坏；与金属针31连接的ⅱ号导线33穿过加固钢片34上的孔洞后与所述电阻检测分析装置4电连接。

进一步的，所述金属电极23与合金面板21间设有绝缘保护套231；水平方向排列的相邻金属电极23之间的间距为5～6cm，竖直方向排列的相邻金属电极23之间的间距为10～12cm；所述绝缘底板22和合金面板21的直径一致且为20～30cm，相邻金属电极23、绝缘底板22和合金面板21的具体尺寸可根据复合式盾构机的尺寸进行调整。

进一步的，所述电阻检测分析装置4包括依次电连接的滤波及预处理模块41、智能控制器42以及人机交互界面43；其中，滤波及预处理模块41对原始数据进行滤波预处理，以达到剔除干扰异常的目的；智能控制器42主要用于数据采集、数据处理、存储和供电，以dsp、单片机、arm等为主；人机交互界面43主要用于显示传感器2装置检测的工作参数，也用于对土仓内气-渣界面5高度监测装置进行参数设置；金属电极23用于检测其所在平面的电阻信号，电阻信号经滤波及预处理模块41处理后输入智能控制器42进行计算得到视电阻率并分析提示气-渣界面的相对高度，由人机交互界面43输出。

进一步的，所述滤波及预处理模块41上设置有10～20个pin接口，金属电极23通过导ⅰ号导线25与金属卡槽24连接，金属卡槽24通过金属针31和ⅱ号导线33与pin接口电连接。

进一步的，所述智能控制器42中包括数据采集与转换电阻信号的数据转换模块44；数据转换模块44与智能控制器42电连接，且可集成为一个印刷电路板或集成控制模块；所述数据转换模块44为ad/da电路。

复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置安装方法，传感器2的布置应避开盾构机土仓隔板1上的既有的螺旋机8等设备及其开孔；布置传感器2后的土仓隔板1强度应进行复核，必要时应予以加强，以满足盾构机工作要求，具体安装步骤如下：

s1、在土仓隔板1内确定需要安装所述传感器2的高度位置，并在土仓隔板1上开孔攻牙，其中，传感器2的高度通常为对盾构施工有重要指导意义的渣土界面目标高度或临界高度，如二分一土仓高度及三分之一土仓高度处；

s2、将绝缘体32螺入孔后将连接器3固定在土仓隔板1的孔内，将传感器2上的金属卡槽24与相对应贯穿绝缘体32的金属针31连接；

s3、利用ⅱ号导线25将电阻检测分析装置4和贯穿绝缘体32的金属针31的另一端连接；

s4、金属卡槽24和金属针31连接后，将合金面板21焊接固定在土仓隔板1上，进而将传感器2和连接器3密封在土仓隔板1内部。

复合式盾构机土仓内气-渣界面高度的监测装置的监测方法，具体步骤如下：

a1、将传感器2内部呈水平排列的金属电极23所在的高度位置以及竖直排列的上下相邻的两个金属电极23的间距作为输入信息，通过人机交互界面43输入智能控制器42中；

a2、利用传感器2中水平排列的金属电极23检测到的高度为h所在平面的电阻信号，经由连接器3传递到滤波及预处理模块41，电阻信号经过滤波及预处理模块处理41后，经由数据转换模块44将电阻信号转换为数字信号输入智能控制器42中，根据电学原理，测得高度为h处的视电阻率ρs(h)；

a3、利用传感器2中竖直排列的金属电极23检测到的高度为h+α和h-α所在平面的电阻信号，如a2所述步骤传输，根据电学原理计算得到h～h+α和h～h-α高度范围内视电阻率；

a4、将检测得到的视电阻率和电阻率阈值进行比较，同时根据如下公式判断气-渣界面5与传感器2的相对位置，实现对气-渣界面7的监测，并通过人机交互界面43输出判断结果：

ρs(h)＜ρ阈且ρs(h+a)＜ρ阈，则气-渣界面在h+a以上；

ρs(h)＜ρ阈且ρs(h+a)＞ρ阈，则气-渣界面在h～h+a之间；

ρs(h)＞ρ阈且ρs(h-a)＜ρ阈，则气-渣界面在h-a～h之间；

ρs(h)＞ρ阈且ρs(h-a)＞ρ阈，则气-渣界面在h-a以下；

其中，电阻率阈值ρ阈的取值大于渣土的视电阻率，小于空气的电阻率。

气-渣界面5高度的监测结果可对气压辅助模式下的盾构掘进控制给予指导：

通过在气-渣界面5高度安全下限h处安装传感器2，当气-渣界面5高度在h+α高度以上，表明可采取措施进一步降低气-渣高度；当气-渣界面5高度在h～h+α之间，表明当前状态良好，保持当前掘进参数；当气-渣界面5高度在h～h-α之间，当前状态正常，但需采取措施提高气-渣高度；当气-渣界面5高度在h-α以下，则当前状态存在安全隐患，需立刻采取措施提高气-渣高度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。