地铁隧道盾构同步注浆智能监控系统的制作方法

地铁隧道盾构同步注浆智能监控系统
【技术领域】
1.本发明涉及隧道盾构同步注浆智能监控领域；具体的，本系统为地铁隧道盾构同步注浆系统提供了流量压力监视及应急控制功能。本系统首次将压差测量技术应用于盾构同步注浆系统累积量测算，是为有效适应地铁隧道施工用高固体颗粒浆液而设计的全新测量装置；同时，本系统将流量压力监测与故障判断、应急处置有机地结合，以应对盾构施工过程中同步注浆系统出现故障的情况，从而继续维持盾构同步注浆系统正常的工作。


背景技术：

2.当前，地铁隧道盾构同步注浆系统累积量测算方法，是通过对注浆泵冲程次数进行计数，将冲程次数乘以单次冲程的理论方量后得出计算方量；由于单次冲程的理论方量与单次冲程的实际方量之间存在较大的误差，致使最终的测算结果和实际情况相去甚远；另一方面，一般的流量计无法适应盾构同步注浆系统使用的高固体颗粒浆液(含有大量的砂粒)介质，非常容易损坏，地铁隧道盾构迫切需要一种能够准确有效测算同步注浆系统累积量的方法。
3.地铁隧道盾构通常配备2台注浆泵，每台注浆泵又分别有2个注出口，这样，4个注出口分别连接到盾构机主机盾尾处的4个同步注浆口，盾尾处的4个注浆口分布在盾体的左上和右上，左下和右下。在施工过程中，注浆系统所注出的隧道用高固体颗粒浆液会造成浆管堵塞，且由于浆液对注浆泵的磨损和腐蚀，注浆泵也会出现故障，一旦遇到这些情况，盾构机控制系统却不能及时报警提示，需要工作人员现场排查发现，这给施工生产带来不便。
4.注浆泵工作一段时间后，会出现检查更换易损件、排除故障等情况，当某一台注浆泵出现故障时，很快修复并不现实，为了满足盾构机正常推进需要，临时用没有故障的一台注浆泵来担负同步注浆系统工作是合理的选择。通常，临时用没有故障的一台注浆泵来担负同步注浆系统工作，需要停止盾构机推进，停止注浆泵工作，拆卸注浆泵与注浆口之间的管路，再进行重新布置，需要花费大量时间，影响施工。而如果此时盾构机正处于特殊的工况中，比如，正在施工的隧道上方有重要建筑物、或盾构机正在近距离穿越上方隧道，盾构机是可不能较长时间停机的，否则，会带来施工风险。
5.本发明就是为了解决以上实际施工难点和困扰而设计的。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种隧道盾构同步注浆智能监控系统及方法，用于盾构注浆，同时准确测量注浆的累积量，并自动判断和分析盾构同步注浆系统故障的原因，有效辅助盾构机推进施工，降低施工风险。
7.本技术的技术方案如下：
8.一种隧道盾构同步注浆智能监控系统，包括分布于盾尾及台车上的隧道盾构同步注浆系统，其中盾尾处设有左上注浆口、右上注浆口、左下注浆口、右下注浆口和配套的注浆口球阀组(qw1、qw2、qw3、qw4)，其中台车布置有两个注浆泵(1#注浆泵、2#注浆泵)，每个
注浆泵提供两个注浆液输出口，共提供四个注浆液输出口；
9.还包括操作室内的plc控制系统；
10.对所述隧道盾构同步注浆系统进行改造，在注浆泵输出口和盾尾之间按照空间关系依次布设分管流量计组、球阀组、应急切换块装置；所述分管流量计组包括四个分管流量计；所述球阀组包括四个球阀；所述应急切换块装置设有四个入口、四个出口，如此，四个注浆液输出口、四个分管流量计、四个球阀、急切换块装置、盾尾的四个注浆口依次串接，形成四条输送浆路；所述分管流量计的结构中设计有压力传感器；
11.其中，注浆路径因管路或者泵出现故障后通过所述应急切换块装置切换输送浆路来完成逻辑判断以实现故障点的定位，同时在泵故障情况下保证系统实时保持同步注浆，以控制现场工程安全；
12.其中，分管流量计可以实时、准确地监测所在输送浆路的浆液用量；
13.所述plc控制系统包括浆液用量计算模块、故障监测判断及人机交互模块；
14.其中，plc控制系统的输入与分管流量计连接以实时获得输送浆路的压力；所述浆液用量计算模块根据输送浆路的压力计算获得该支路上浆液用量，四路加和并累积时间后获得浆液用量总和，提供给故障监测判断模块进行分析，并将结果在人机交互模块显示；
15.其中，plc控制系统的输出与应急切换块装置连接，配合故障监测判断及人机交互模块帮助工作人员判断确认隧道盾构同步注浆系统情况。
16.所述应急切换块装置入口端与四个球阀连接；所述四个球阀分别为左上球阀(q1)、右上球阀(q2)、左下球阀(q3)、右下球阀(q4)，均为手动球阀；所述四个分管流量计分别为左上分管流量计(a1)、右上分管流量计(a2)、左下分管流量计(a3)、右下分管流量计(a4)；所述左上注浆液输入口、右上注浆液输入口与1#注浆泵连通；而左下注浆液输入口、右下注浆液输入口与2#注浆泵连通；所述应急切换块装置包括左右两个切换块，相互之间不连通；
17.以左侧切换块为例；
18.该切换块包括两个水平上下并行的注浆管及两个进口，两个倾斜上下并行的注浆管及两个出口，两个气动切换塞；
19.两个气动切换塞具体为左上气动切换塞(1#)、左下气动切换塞3#)，可以分别安装于左上通孔331)、左下通孔333)；在水平上注浆管上设有左上通孔331)，并且左上通孔331)位于两个倾斜注浆管之间；在倾斜上注浆管上设有左下通孔333)，并且左下通孔333)位于两个水平注浆管之间；
20.当两个气动切换塞(1#、3#)关闭时，左上注浆管进口、左下注浆管进口分别从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；
21.当打开左上气动切换塞1#)，左上注浆管进口的浆体同时从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；
22.当打开左下气动切换塞(3#)，左下注浆管进口的浆体同时从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；
23.右侧切换块，同理，也有相应的右上气动切换塞(2#)、右下气动切换塞(4#)，可以分别安装于右上通孔(332)、右下通孔(334)；机理同上；
24.如此，应急切换块装置中四个进口：左上进口、右上进口、左下进口、右下进口，分
别与所述四个球阀中左上球阀(q1)、右上球阀(q2)、左下球阀(q3)、右下球阀(q4)对应连接；应急切换块装置中四个出口：左上注浆液输出口、右上注浆液输出口、左下注浆液输出口、右下注浆液输出口，分别与左上浆路(no.1)、右上浆路(no.2)、左下浆路(no.3)、右下浆路(no.4)对应连接。
25.所述台车布置有两个注浆泵(注浆泵1#、注浆泵2#)；其中1#注浆泵提供两个注浆液输出口，分别接入左侧切换块中的左上进浆口、右侧切换块中的右上进浆口；其中2#注浆泵提供两个注浆液输出口，分别接入左侧切换块中的左下进浆口、右侧切换块中的右下进浆口。
26.所述分管流量测量仪安装于输送浆路上，每个分管流量测量仪包括a、b两个测压点，在该两点处分别设置两个压力传感器；
27.还包括一通道装置，该通道装置内设置楔形块，通过楔形块在通道装置内形成非匀质的浆料流体压力场，两个压力传感器分别设置于通道装置的端侧，得到压力测量值pa和pb提供给plc控制系统。
28.浆液用量计算模块算法为：
29.步骤一：先计算出单个输浆管路浆液从分管流量测量仪测压点b到测压点a的瞬时流量值：
[0030][0031]
式中：
[0032]
qv——从b点到a点的流量，m3/s
[0033]
——流出常量；
[0034]
——浆液膨胀值；
[0035]
m——通浆面积比，
[0036]s通
——通浆面积，m2[0037]s通
的计算：
[0038][0039]
r——管子通径，m；
[0040]
δp——测量点a到测量点b的压力差，pa；
[0041]
ρ——浆液密度，kg/m3；
[0042]
h——通浆口的高度，m；
[0043]
步骤二：再将计算出单个输浆管路浆液从分管流量测量仪测压点b到测压点a的瞬时流量值积分从测压点b到测压点a的时间t，即可得到浆液从测压点b到测压点a的体积量v；
[0044]
步骤三：再累加4个分管的累积量，就可得出同步注浆系统注浆的总累积量。
[0045]
所述隧道盾构同步注浆系统包括四支路：1#注浆泵向左上浆路(no.1)和右上浆路(n0.2)注射浆液，2#注浆泵向左下浆路(no.3)和右下浆路(no.4)注射浆液；
[0046]
系统故障分为注浆管堵塞故障或注浆泵故障；
[0047]
无论上述哪一故障，当注浆系统的任一条注浆管路出现故障时，出现故障浆路的分管流量测量仪测得流量数值趋近于0，且压力数值达到设定上限(“异常”)，盾构机操作室中的人机界面操作面板给出“异常”提示；
[0048]
以四路中的no.1浆路为例；
[0049]
则，所述故障监测判断及人机交互模块的工作机制为：
[0050]
当故障监测判断及人机交互模块显示左上浆路(no.1)的压力值高于预设值，左上浆路(no.1)测压点b处注浆压力为“异常”，并且左上浆路(no.1)注浆累积量为“异常”；
[0051]
工作人员及时关闭1#注浆泵和2#注浆泵，将左上浆路(no.1)对应的1#注浆泵口的两路左上球阀(q1)和右上球阀(q2)关闭，从而切断1#注浆泵与系统连接通路(对1#注浆泵进行隔离)；同时，将盾尾处左下注浆口球阀(q
w3
)、右下注浆口球阀q
w4
)关闭；同时，通过操作面板中使用“应急切换开关”由应急块切换装置执行开关拨向“1
→
2”的指令，即plc控制左下气动切换塞3#和右下气动切换塞4#拔出；
[0052]
重新开启2#注浆泵(如此，正常工作的2#注浆泵替代1#注浆泵向no.1、no.2浆路注浆，即向左上注浆口、右上注浆口注浆)，同时观测：
[0053]
如果故障监测判断及人机交互模块显示左下浆路(no.3)的压力值高于预设值，左下浆路(no.3)测压点b处注浆压力为“异常”，左下浆路(no.3)注浆累积量为“异常”；则最终可以判断左上浆路(no.1)出现了堵塞，此时应对措施：及时采取本领域常规的疏通管路措施；
[0054]
反之，如果没有“异常”，则最终可以判断左上浆路(no.1)能够正常注浆，而是被隔离的1#注浆泵出现了故障；此时应对措施：重新打开盾尾处左下注浆口球阀q
w3
)、右下注浆口球阀(q
w4
)，这样调整后，2#注浆泵独立担负起同步注浆系统工作，向盾尾处4个注浆口注浆，维持盾构机正常推进，为被隔离的1#注浆泵获得了检修时间，杜绝工程停止作业的情况。
[0055]
本发明可以带来有益效果如下:
[0056]
为地铁隧道盾构机施工提供了可靠的数据支持和有效的应急处置便利，随着被应用于更多的盾构机上，该装置的价值将会得到充分的体现。
附图说明
[0057]
图1隧道盾构同步注浆智能监控系统注浆管路示意图
[0058]
图2盾构机盾尾注浆管路示意图
[0059]
图3注浆系统在台车部分的主体结构示意图
[0060]
图4图3中b部分的放大结构图
[0061]
图5图3中b部分的内部结构示意图
[0062]
图6左侧切换块剖面图
[0063]
图7分管流量测量仪测量示意图
[0064]
图8分管流量测量仪测量剖面图
[0065]
图9操作面板显示截屏示意图
[0066]
图10plc控制气动切换塞流程图
[0067]
图11以no.1管路出现故障的操作判断流程图
[0068]
图12系统盾构施工过程装置布设图
[0069]
数字注解标记：
[0070]
急切换块装置3、水平注浆管31、倾斜注浆管32、左上通孔331、左下通孔333、右上通孔332、右下通孔334、球阀组2、左上球阀q1、右上球阀q2、左下球阀q3、右下球阀q4、分管流量计组1、左上分管流量计a1、右上分管流量计a2、左下分管流量计a3、右下分管流量计a4、左上气动切换塞1#、左下气动切换塞3#、右上气动切换塞2#、右下气动切换塞4#、左上注浆口球阀q
w1
、右上注浆口球阀q
w2
、左下注浆口球阀q
w3
、右下注浆口球阀q
w4
。
具体实施方式
[0071]
以下结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细介绍。其中，本装置以两个泵的盾构机为例阐述本发明技术方案原理。
[0072]
如图1、图3和图12所示，主要设计构成为：
[0073]
a区域为盾构机盾尾原理图，其包含有左上注浆口、右上注浆口、左下注浆口、右下注浆口，每个注浆口端口各安装有一个手动球阀。
[0074]
如图4所示，b区域为本技术所设计的应急切换装置3、球阀组2、分管流量计组1的装置。
[0075]
c区域为盾构机1#台车上的两台注浆泵，分别编号为1#注浆泵、2#注浆泵，为现有技术。
[0076]
其中，a区域所示结构在盾构机盾尾处，b、c区域所示结构安装在盾构系统的台车区域。
[0077]
如图2所示，盾构机盾尾处主要包含4个盾尾注浆口、4个备用注浆口，当出现管路堵塞情况时，可根据情况更换管路、将管路连接至备用注浆口等方式解决。
[0078]
如图5所示，四个分管流量计、四个球阀、应急切换块装置依次串接连接；所述四个球阀分别为左上球阀q1、右上球阀q2、左下球阀q3、右下球阀q4，均为手动球阀；所述四个分管流量计分别为左上分管流量计a1、右上分管流量计a2、左下分管流量计a3、右下分管流量计a4，分别对应四个注浆液输入口；所述四个注浆液输入口包括左上注浆液输入口、左下注浆液输入口、右上注浆液输入口、右下注浆液输入口，其中左上注浆液输入口、右上注浆液输入口与注浆泵1#连通，而左下注浆液输入口、右下注浆液输入口与注浆泵2#连通；所述应急切换块装置包括左右两个切换块，两者平行布置，相互之间不连通；如图7和图8所示，所述每个分管流量测量仪各有一组测压点a和测压点b，每个测压点上装有一个压力传感器；所述气动切换塞由气缸执行控制。所述分管流量测量仪下部安装有设备机架，上部安装防护用盖板。
[0079]
如图6所示，该切换块包括两个水平上下并行的注浆管及两个进口，两个倾斜上下并行的注浆管及两个出口，两个气动切换塞；
[0080]
两个气动切换塞具体为左上气动切换塞1#、左下气动切换塞3#，可以分别安装于左上通孔331、左下通孔333；在水平上注浆管上设有左上通孔331，并且左上通孔331位于两个倾斜注浆管之间；在倾斜上注浆管上设有左下通孔333，并且左下通孔333位于两个水平注浆管之间；
[0081]
当两个气动切换塞(1#、3#)关闭时，左上注浆管进口、左下注浆管进口分别从左上
注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；
[0082]
当打开左上气动切换塞1#，左上注浆管进口的浆体同时从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；
[0083]
当打开左下气动切换塞3#，左下注浆管进口的浆体同时从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；
[0084]
右侧切换块，同理，也有相应的右上气动切换塞2#、右下气动切换塞4#，可以分别安装于右上通孔332、右下通孔334；机理同上；
[0085]
如此，正常情况下，左、右两个应急切换块装置工作时，左上注浆管进口、左下注浆管进口、右上注浆管进口、右下注浆管进口分别从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口、右上注浆液输出口、右下注浆液输出口流出；
[0086]
当同时打开左上气动切换塞1#和右上气动切换塞2#时，左上注浆管进口的浆体同时从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；同时，右上注浆管进口的浆体同时从右上注浆液输出口、右下注浆液输出口流出；
[0087]
当同时打开左下气动切换塞3#和右下气动切换塞4#时，左下注浆管进口的浆体同时从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口流出；同时，右下注浆管进口的浆体同时从右上注浆液输出口、右下注浆液输出口流出；
[0088]
如此，应急切换块装置中四个进口：左上进口、右上进口、左下进口、右下进口，分别与所述四个球阀中左上球阀q1、右上球阀q2、左下球阀q3、右下球阀q4对应连接；应急切换块装置中四个出口：左上注浆液输出口、右上注浆液输出口、左下注浆液输出口、右下注浆液输出口，分别与左上浆路no.1、右上浆路no.2、左下浆路no.3、右下浆路no.4对应连接。
[0089]
·
同步注浆系统累积量测量工作原理：
[0090]
每一个分管流量测量仪与注浆泵的一个注浆液输出口连接，浆液经过分管流量测量仪测压点b和测压点a，在a、b两位置各安装一个压力传感器，将压力测量值pa和pb传到盾构机的plc控制系统，通过以下计算，系统可以计算出浆液从分管流量测量仪测压点b到测压点a的流量：
[0091]
浆液用量计算模块算法为：
[0092]
步骤一：先计算出单个输浆管路浆液从分管流量测量仪测压点b到测压点a的瞬时流量值：
[0093][0094]
式中：
[0095]
qv——从b点到a点的流量，m3/s
[0096]
——流出常量；
[0097]
——浆液膨胀值；
[0098]
m——通浆面积比，
[0099]s通
——通浆面积，m2[0100]s通
的计算：
[0101][0102]
r——管子通径，m；
[0103]
δp——测量点a到测量点b的压力差，pa；
[0104]
ρ——浆液密度，kg/m3；
[0105]
h——通浆口的高度，m；
[0106]
步骤二：再将计算出单个输浆管路浆液从分管流量测量仪测压点b到测压点a的瞬时流量值积分从测压点b到测压点a的时间t，即可得到浆液从测压点b到测压点a的体积量v；
[0107]
步骤三：再累加4个分管的累积量，就可得出同步注浆系统注浆的总累积量。plc控制系统将各分管测压点a和测压点b的即时压力、分管累积量、系统注浆的总累积量在盾构机主控室的操作面板上显示出来，为现场施工提供重要参考数据。
[0108]
·
同步注浆系统故障判断与处置方法：
[0109]
如图9所示，正常情况下，左、右两个应急切换块装置工作时，左上注浆管进口、左下注浆管进口、右上注浆管进口、右下注浆管进口分别从左上注浆液输出口、左下注浆液输出口、右上注浆液输出口、右下注浆液输出口流出；
[0110]
当注浆系统出现故障时(如注浆管堵塞，或注浆泵故障)，此时出现故障浆路的分管流量测量仪测得流量数值趋近于0，且压力数值达到设定上限，盾构机操作室中的操作面板“注浆系统异常”报警灯将出现红色闪烁，对应故障浆路的流量、压力显示框和数字也将出现红色闪烁。
[0111]
例如，当系统检测到no.1浆路的压力值高于预设值，操作室界面“注浆系统异常”报警灯出现红色闪烁，no.1浆路测压点b处注浆压力显示框和数字出现红色闪烁，no.1浆路注浆累积量显示框和数字出现红色闪烁。
[0112]
此时，及时停止注浆系统运行(同时关闭两个泵)，将no.1浆路对应的1#注浆泵口的左上球阀q1、右上球阀q2关闭，切断1#注浆泵与系统连接通路；同时，将盾尾处左下注浆口球阀q
w3
、右下注浆口球阀q
w4
关闭，并在确保安全的情况下，在操作面板中使用“应急切换开关”，将开关拨向“1
→
2”，系统将自动控制“气动切换塞”动作。
[0113]
重新启动2#注浆泵。
[0114]
经过以上一系列操作，之前正常工作的2#注浆泵已经替代1#注浆泵向左上注浆口、右上注浆口注浆(即向no.1、no.2浆路注浆)。
[0115]
如果系统检测到no.3浆路的压力值高于预设值，操作室界面“注浆系统异常”报警灯出现红色闪烁，no.3浆路测压点b处注浆压力显示框和数字出现红色闪烁，no.3浆路注浆累积量显示框和数字出现红色闪烁，可以判断原no.1浆路出现了堵塞，应及时采取相应疏通管路措施。
[0116]
如果没有出现以上报警闪烁情况，no.1浆路能够正常注浆，那么，可以判断被隔离的1#注浆泵出现了故障，此时，暂停注浆系统运行，重新打开盾尾处左下注浆口球阀q
w3
、右下注浆口球阀q
w4
，这样调整后，2#注浆泵就独立担负起同步注浆系统工作，向盾尾处4个注浆口注浆，维持盾构机正常推进，被隔离的1#注浆泵也获得了检修时间。
[0117]
为了更好的理解本发明plc控制的方式，针对人机界面上“1
→
2”及“2
→
1”按键进
行说明：
[0118]1→
2：当操作面板中“应急切换”开关从“停止”滑动至“1
→
2”后，plc将控制打开本系统b区域中左右两个应急切换块的左下气动切换塞3#和右下气动切换塞4#，此时2#注浆泵可以向左下浆路no.3、右下浆路no.4注浆的同时，还可以向左上浆路no.1、右上浆路no.2注浆。
[0119]2→
1：同理，当操作面板中“应急切换”开关从“停止”滑动至“2
→
1”后，plc将控制打开本系统b区域中左右两个应急切换块的左上气动切换塞1#和右上气动切换塞2#，此时1#注浆泵可以向左上浆路no.1、右上浆路no.2注浆注浆的同时，还可以向左下浆路no.3、右下浆路no.4注浆。
[0120]
本发明设计为地铁隧道盾构机施工提供了可靠的数据支持和有效的应急处置便利，随着被应用于更多的盾构机上，该装置的价值将会得到充分的体现。