盾构机的排土量测量方法、系统及介质与流程

本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种盾构机的排土量测量系统及方法。

背景技术：

轨道交通在近几年进入了快速发展的阶段，城市轨道交通的建设在各大城市全面铺开。目前城市轨道交通区间隧道的施工主要为盾构法，盾构法又主要分为泥水平衡盾构和土压平衡盾构，因为地层原因，一般地铁隧道施工主要采取土压平衡法。在土压平衡盾构施工中，出土量控制是土压平衡盾构施工管理中的重要内容，盾构机刀盘切削前面土体，经螺旋输送机将渣土由皮带运输机送至渣土车土箱中，每环掘进完毕，渣土车将土箱运至工作井，利用井口上方龙门吊将土箱吊出，渣土倾泻至指定地点。螺旋输送机是土压盾构的出土设备，在土压盾构施工中，需要通过调节螺旋输送机的转速来控制出土量，使出土量与盾构开挖量保持平衡，从而使盾构开挖面处于稳定状态。在实际工程中，由于开挖土层不是单一土层、开挖深度不断发生变化，因此需要根据实际情况合理调整螺旋输送机的出土量。出土量过大，会导致开挖面地层损失过大而坍塌或引起地表过量沉降；出土量过小，会使土舱内压力迅速增大，进而使开挖面产生过大使开挖面失稳或引起地表隆起破坏。

采用人工对盾构超欠挖的进行判断的方式中存在实时性差、准确度低等缺陷，远不能满足复杂地质条件下盾构掘进的施工要求。尤其在软弱地层中盾构掘进施工时，由于盾构出渣超方，引发地面沉降超限、塌陷、地下管线变形破坏、地表建构筑物倾斜等安全事故屡有发生。

皮带输送机系统是在出土口加装皮带架及皮带将皮带输送机运出渣土转入皮带输送机水平运输段，水平运输段一直输送到吊装井到达垂直运输段，垂直运输段起升运输到渣土池，皮带输送机要与盾构机皮带运输机步调一致需在盾构机操作室安装控制系统。只要通过皮带秤输送机在输送渣土，电子皮带秤就可以在输送过程中完成称重，属于边送边称重，做到了连续不间断的计量，这也在很大程度上提高了工作效率，不需要人工干预，但电子皮带秤的缺点也很明显，如计量精度不高的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种盾构机的排土量测量方法，能够提高施工质量和效率。

本发明还提出一种的盾构机的排土量测量系统。

本发明还提出一种具有上述盾构机排土量测量方法的计算机可读存储介质。

根据本发明的第一方面实施例的一种盾构机的排土量测量方法，所述方法包括以下步骤：接收实时测量数据，所述测量数据至少包括传输渣土的皮带机的皮带速度、渣土的密度、断面面积、当前渣土的温度以及挖掘行程；通过所述测量数据计算排土偏差量；基于所述排土偏差量进行超欠挖监控报警。

根据本发明实施例的盾构机的排土量测量方法，至少具有如下有益效果：排土量测量方法通过排土量扫描仪和皮带速度测量仪，结合皮带速度、渣土的密度、断面面积、当前渣土的温度以及挖掘行程等测量数据，更加准确的对排土量连续不间断的实时监控，并对土方量超欠挖监控报警，保证了盾构掘进的安全。

根据本发明的一些实施例，所述通过所述测量数据计算排土偏差量包括：根据所述皮带速度、渣土的密度和断面面积以及当前渣土的温度，计算实际排土量，公式如下：其中，t表示时间，ρ表示断面扫描密度，s表示断面扫描面积，v表示所述皮带速度，t表示出土时间，μ表示当前温度补偿系数。

根据本发明的一些实施例，所述根据所述皮带速度、渣土的密度和断面面积以及当前渣土的温度，计算实际排土量包括：从数据表格中查询当前温度下的所述温度补偿系数。

根据本发明的一些实施例，所述通过所述测量数据计算排土偏差量包括：计算理论排土量，公式如下：理论排土量＝机器挖掘面积×挖掘行程，其中所述机器挖掘面积根据刀盘直径得到，所述挖掘行程根据所述排土量里程计得到。

根据本发明的一些实施例，所述基于所述排土偏差量进行超欠挖监控报警包括：根据所述排土偏差量以及设置的超欠挖阈值，确定发出超欠挖报警信息，所述排土偏差量等于理论排土量减去实际排土量。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：根据所述超欠挖监控报警进行盾构掘进参数调整。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：绘制每环实际排土量与理论排土量动态曲线；绘制每环等间隔挖掘行程排土量动态变化曲线。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：将所述测量数据及计算结果上传至监控中心，所述监控中心提供数据存储、查询及备份服务。

根据本发明的第二方面实施例的一种盾构机的排土量测量系统，所述系统包括：皮带测速仪，用于测量传输渣土的皮带机的皮带速度；排土量扫描仪，用于通过断面扫描得到渣土的密度和断面面积；测温仪，用于测量当前渣土的温度；排土量里程计，用于计算挖掘行程；控制盒，用于控制所述皮带测速仪、排土量扫描仪、测温仪和排土量里程计工作；工控机，包括存储器和处理器，所述处理器执行储存在所述存储器中的计算机程序时实施如本发明的第一方面实施例中任一项所述的盾构机的排土量测量方法。

根据本发明实施例的盾构机的排土量测量系统，至少具有如下有益效果：排土量测量系统通过排土量扫描仪和皮带速度测量仪，结合测温仪对排土的温度测量数据，可以对不同地质排土的密度和温度的变化，采用相应的补偿计算，更加准确的对排土量连续不间断的实时监控，并对土方量超欠挖监控报警，保证了盾构掘进的安全。

根据本发明的第三方面实施例的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明的第一方面实施例中任一项所述的盾构机的排土量测量方法。由于本发明实施例的计算机可读存储介质上存储有用于执行如本发明第一方面中任一项所述的一种盾构机的排土量测量方法的计算机可执行指令，因此具有本发明第一方面的所有有益效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例的系统应用场景示意图。

图3为本发明实施例的系统的模块示意框图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。本文所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

经过多年开发及研究、反复试验并成功通过实践，基于高精度排土量测量仪和皮带速度测量仪等测量仪器上研制了一套能够结合当前盾构掘进参数，如掘进速度、管理行程、土压、螺旋输土机开口率、泡沫量等，并结合排土量测量仪的实时排土量测量值、渣土温度，以丰富的数字、图形和统计结果，辅助盾构司机合理控制盾构掘进参数，提高施工质量和效率的自动排土量测量系统。

参照图2，本发明的应用于盾构机的具体场景包括：设置在盾构机操作室的工控机、控制盒固定安装在操作室外，安装在渣土输送皮带机上方的专业排土量扫描仪和下方的排土量里程计。本发明的盾构机的排土量测量系统安装在工控机，通过获取盾构掘进时皮带机排土量和皮带机输送速度，结合测温仪对排土的温度测量数据，在每环推进结束时，自动计算和保存，通过严密的算法并结合多项掘进参数，消除原有人工判断称重的复杂性和延时性，最终实现盾构掘进过程中的排土量动态监测功能。

参照图3，本发明实施例的盾构机的排土量测量系统包括：皮带测速仪，用于测量传输渣土的皮带机的皮带速度；排土量扫描仪，用于通过断面扫描得到渣土的密度和断面面积；测温仪，用于测量当前渣土的温度；排土量里程计，用于计算挖掘行程；与皮带测速仪、排土量扫描仪、测温仪和排土量里程计连接的控制盒，用于控制皮带测速仪、排土量扫描仪、测温仪和排土量里程计工作；工控机，包括存储器和处理器，所述处理器执行储存在所述存储器中的计算机程序时实施一种盾构机的排土量测量方法。

在一些实施例中，本发明实施例的系统工作采用了全断面扫描方式，软件程序简洁无冗余，计算算法和数据库适用国内所有地层，包含应对多种偶然情况的解决办法和补偿技术，有效的减小人工测量错误，提高了排土量的准确性，对盾构施工安全更有保障。

在一些实施例中，本发明实施例放入系统为主动防护型机械结构，满足高温、防水、防尘、抗杂光等不利因素干扰，能适应现场恶劣的工作环境，并大大减少了人工清理和频繁测量失败的发生。

进一步参照图1，本发明实施例的盾构机的排土量测量方法包括以下步骤：接收实时测量数据，测量数据至少包括传输渣土的皮带机的皮带速度、渣土的密度、断面面积、当前渣土的温度以及挖掘行程；通过测量数据计算排土偏差量；基于排土偏差量进行超欠挖监控报警。

在一些实施例中，本发明实施例的方法中通过测量数据计算排土偏差量步骤包括：根据皮带速度、渣土的密度和断面面积以及当前渣土的温度，计算实际排土量，公式如下：

其中，t表示时间，ρ表示断面扫描密度，s表示断面扫描面积，v表示皮带速度，t表示出土时间，μ表示当前温度补偿系数。

在一些实施例中，本发明实施例的方法中根据皮带速度、渣土的密度和断面面积以及当前渣土的温度，计算实际排土量步骤包括：从数据表格中查询当前温度下的温度补偿系数。

在一些实施例中，本发明实施例的方法中通过测量数据计算排土偏差量步骤包括：计算理论排土量，公式如下：

理论排土量＝机器挖掘面积×挖掘行程，其中机器挖掘面积根据刀盘直径得到，挖掘行程根据排土量里程计得到。

在一些实施例中，本发明实施例的方法中基于排土偏差量进行超欠挖监控报警步骤包括：根据排土偏差量以及设置的超欠挖阈值，确定发出超欠挖报警信息，其中，排土偏差量等于理论排土量减去实际排土量。

在一些实施例中，盾构机的排土量测量方法还包括：根据超欠挖监控报警进行盾构掘进参数调整。

在一些实施例中，盾构机的排土量测量方法还包括：绘制每环实际排土量与理论排土量动态曲线；绘制每环等间隔挖掘行程排土量动态变化曲线。

在一些实施例中，盾构机的排土量测量方法还包括：将测量数据及计算结果上传至监控中心，其中，监控中心提供数据存储、查询及备份服务。

本发明利用计算机技术和传感器技术实现盾构法隧道施工中排土量测量和动态监控的智能化程序，通过施工现场实际验证，程序计算排土量的准确性对盾构掘进施工起到关键的作用。

本发明实施例的方法能够实时计算本环累计土方量与理论土方量数据；测量精度±1％-5％(不同地质误差动态补偿技术)；实时计算本环等间隔管理行程土方量数据；绘制本环累计实测土方量与理论土方量动态曲线；绘制本环等间隔管理行程土方量动态变化曲线；进行土方量超欠挖监控报警；数据可上传至监控中心并提供数据存储、查询、备份功能；另外本发明的产品构成简洁、耐用、免维护。

尽管本文描述了具体实施方案，但是本领域中的普通技术人员将认识到，许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如，结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外，虽然已根据本公开的实施方案描述了各种例示性具体实施和架构，但是本领域中的普通技术人员将认识到，对本文所述的例示性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。

上文参考根据示例性实施方案所述的系统、方法、系统和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本公开的某些方面。应当理解，框图和流程图中的一个或多个块以及框图和流程图中的块的组合可分别通过执行计算机可执行程序指令来实现。同样，根据一些实施方案，框图和流程图中的一些块可能无需按示出的顺序执行，或者可以无需全部执行。另外，超出框图和流程图中的块所示的那些部件和/或操作以外的附加部件和/或操作可存在于某些实施方案中。

因此，框图和流程图中的块支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的元件或步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令装置。还应当理解，框图和流程图中的每个块以及框图和流程图中的块的组合可以由执行特定功能、元件或步骤的专用硬件计算机系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。

本文所述的程序模块、应用程序等可包括一个或多个软件组件，包括例如软件对象、方法、数据结构等。每个此类软件组件可包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于执行而使本文所述的功能的至少一部分(例如，本文所述的例示性方法的一种或多种操作)被执行。

软件组件可以用各种编程语言中的任一种来编码。一种例示性编程语言可以为低级编程语言，诸如与特定硬件体系结构和/或操作系统平台相关联的汇编语言。包括汇编语言指令的软件组件可能需要在由硬件架构和/或平台执行之前由汇编程序转换为可执行的机器代码。另一种示例性编程语言可以为更高级的编程语言，其可以跨多种架构移植。包括更高级编程语言的软件组件在执行之前可能需要由解释器或编译器转换为中间表示。编程语言的其它示例包括但不限于宏语言、外壳或命令语言、作业控制语言、脚本语言、数据库查询或搜索语言、或报告编写语言。在一个或多个示例性实施方案中，包含上述编程语言示例中的一者的指令的软件组件可直接由操作系统或其它软件组件执行，而无需首先转换成另一种形式。

软件组件可存储为文件或其它数据存储构造。具有相似类型或相关功能的软件组件可一起存储在诸如特定的目录、文件夹或库中。软件组件可为静态的(例如，预设的或固定的)或动态的(例如，在执行时创建或修改的)。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。