一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法与流程

本发明属于注浆消耗量计算技术领域，具体涉及一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法。

背景技术：

地铁工程盾构施工中，随着掘进过程，每环管片安装后，需要对盾尾管片内注入混凝土浆液。同步注浆消耗量的实时计算，对指导施工、分析地层损失、控制地表沉降具有极大的价值。传统测量注浆量方法众多，但在实际施工场景中精确度不高，应用效果不好。提高同步注浆消耗量的计算精确度对整个盾构施工业务中具有重要的意义。

盾构工程施工过程中，大多数的同步注浆流量测量方法，是通过注浆泵的单次冲程和注浆泵活塞往返活动的次数进行计算。注浆量计算完全依赖按照注浆泵单次冲程、注浆活塞截面积、以及活塞往返次数三个数值。虽然在实际注浆过程中最常用到，但确实存在很多缺点。实际注浆过程中，注浆泵经常性存在吸空和回流的情况，虽然注浆活塞往返运动，但实际上没有达到充分注浆效果，不充分和泄漏问题都是导致误差的根本性原因。

盾构工程施工过程，注浆流量计算不准确，施工人员不能及时掌握并加以处理，会给成型隧道留下较大的质量隐患。因注浆量过大，导致浆液溢出，影响工期。因注浆量不足，管片与地层存在空隙，直接导致地下水汇集，形成隧道内局部管片区域渗漏水。尤其在软土地层，注浆量不足，很容易形成地表沉降，导致隧道内外质量严重受损。所有因注浆量不足所导致的质量、安全问题，隧道一旦成型，维修并彻底解决问题是非常困难的，直接影响到隧道无法验收，更严重的是给隧道的长期运营留下隐患。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，通过对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定，准确测量盾构施工每环管片的注浆消耗量，对注浆桶液面距离的数据采集，形成时间序列数据流，在云端数据管理平台中按照时间序列，分析拟合成平滑曲线，云端数据管理平台数据分析和计算能力强，仅通过判断盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否跳变，区分当前注浆环管，自动的计算每环管片的实时注浆消耗量，注浆流量计算准确，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据注浆桶中混凝土浆液高度对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定：在注浆桶上侧安装用于实时测量距离注浆桶中液面高度的激光测距模块，根据hi＝h-li，计算第i次标定时注浆桶中混凝土浆液高度hi，其中，h为激光测距模块至注浆桶底部的距离，li为第i次标定时激光测距模块测量的距离注浆桶中液面高度；

人工对注浆桶中高度为hi的混凝土浆液进行标定，标定注浆桶中混凝土浆液的体积，把标定结果作为基础数据，形成一个混凝土浆液高度和混凝土浆液体积对应的混凝土浆液高度体积对应数据表；

步骤二、采集注浆桶中混凝土浆液高度实时数据并绘制混凝土浆液高度变化曲线：利用激光测距模块实时采集注浆桶中混凝土浆液高度数值，并按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，云端数据管理平台按照时间顺序对接收的混凝土浆液高度数值进行存储，并以时间为横坐标，混凝土浆液高度数值为纵坐标，绘制混凝土浆液高度变化曲线，并对混凝土浆液高度变化曲线进行平滑处理；

步骤三、采集盾构机当前状态参数：通过盾构机plc监控模块实时获取盾构机当前状态参数，同时盾构机plc监控模块将获取的盾构机当前状态参数按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，云端数据管理平台按照时间顺序对接收的盾构机实时状态参数进行存储，所述盾构机当前状态参数包括盾构机当前掘进环管的编号、刀盘转速和推进油缸压力，当刀盘转速和推进油缸压力不同时为零时，表示盾构机为掘进状态；

步骤四、根据公式x＝y-δ，获取当前注浆环管的编号x，其中，y为当前掘进环管的编号，δ为当前注浆环管和当前掘进环管之间的环管间隔数；

步骤五、计算当前注浆环管的注浆实时消耗量：根据当前掘进环管的编号获取当前注浆环管的编号，并获取当前时刻下混凝土浆液高度变化曲线上对应点的斜率ρk，当ρk≤0时，对当前注浆实时消耗量进行累计，更新当前注浆环管的注浆累计消耗量；当ρk>0时，当前为对注浆桶进行追加浆液，注浆实时消耗量不累计计算；

步骤六、判断当前掘进环管的编号是否跳变：云端数据管理平台对盾构机实时状态参数进行识别，识别盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否发生跳变，若当前掘进环管的编号未发生跳变，循环步骤五；若当前掘进环管的编号发生跳变，跳变至下一掘进环管，则执行步骤七；

步骤七、输出前一注浆环管整环的注浆消耗量，并将下一掘进环管视为当前掘进环管，循环步骤五，直至盾构施工注浆结束。

上述的一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，其特征在于：步骤五中其中，tk为当前采样时间，tk-1为当前采样时间的前一采样时间，tk-tk-1＝2s，hk为当前采样时间tk下混凝土浆液高度变化曲线上对应的混凝土浆液高度值，hk-1为当前采样时间的前一采样时间tk-1下混凝土浆液高度变化曲线上对应的混凝土浆液高度值；

当ρk≤0时，当前注浆环管的注浆累计消耗量sk＝∑sk，其中，sk为当前采样时间tk和其前一采样时间下tk-1之间混凝土浆液体积降低值且sk＝vk-vk-1，vk为当前采样时间tk下混凝土浆液高度值hk对应混凝土浆液高度体积对应数据表中的混凝土浆液体积值，vk-1为当前采样时间的前一采样时间tk-1下混凝土浆液高度值hk-1对应混凝土浆液高度体积对应数据表中的混凝土浆液体积值。

上述的一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，其特征在于：步骤七中云端数据管理平台将累计计算的前一注浆环管整环的注浆消耗量传输至地面监控室，地面监控室通过显示器连续显示前n环注浆环管整环的注浆消耗量，其中，n为正整数且n的取值范围为1～10。

上述的一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，其特征在于：步骤四中当前注浆环管和当前掘进环管之间的环管间隔数δ取正整数且δ的取值范围为1～4。

上述的一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，其特征在于：所述激光测距模块集成有激光测距传感器、微控制器和gprs无线通信模块，激光测距传感器采集的数据经gprs无线通信模块和路由器与云端数据管理平台相连。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过激光测距模块获取注浆桶中混凝土浆液液面高度，对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定，通过注浆桶中混凝土浆液反映对应的混凝土浆液体积，准确测量盾构施工每环管片的注浆消耗量，并通过自动上传时间序列测量数据，简化现场测量的技术复杂度，替代了传统测量及计算方法，便于推广使用。

2、本发明通过采集注浆桶中混凝土浆液高度实时数据并绘制混凝土浆液高度变化曲线，并对混凝土浆液高度变化曲线进行平滑处理，当混凝土浆液高度变化曲线呈下降区域，表明盾构机当前处于注浆状态，实时对浆液减少量进行累计，获取注浆环管实时的注浆量；当混凝土浆液高度变化曲线呈平直区域，表明盾构机当前处于非注浆状态，实时的浆液累计值为零，不影响数据变化，获取注浆环管实时的注浆量；当混凝土浆液高度变化曲线呈上升区域，表明盾构机当前处于追加浆液状态，此时不进行浆液累计计算，数据计算可靠稳定，使用效果好。

3、本发明方法步骤简单，通过盾构机plc监控模块实时获取盾构机当前状态参数，并根据当前注浆环管和当前掘进环管之间的环管间隔数获取当前注浆环管的编号，使当前掘进环管的编号和当前注浆环管的编号形成一一对应的关系，只要知道当前掘进环管的编号，即可获知当前注浆环管的编号，激光测距模块实时将采集注浆桶中混凝土浆液高度数值按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，盾构机plc监控模块将获取的盾构机当前状态参数按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，通过时间数据将当前掘进环管的编号和当前注浆环管的编号关联，若云端数据管理平台识别盾构机实时状态参数中当前掘进环管的编号发生跳变，则当前注浆环管的编号发生变化，仅通过判断盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否跳变，区分当前注浆环管，自动的计算每环管片的实时注浆消耗量，注浆流量计算准确，无需考虑盾构机掘进过程中停机等待状态，盾构施工注浆消耗量实时计算简单，便于推广使用。

综上所述，本发明通过对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定，准确测量盾构施工每环管片的注浆消耗量，对注浆桶液面距离的数据采集，形成时间序列数据流，在云端数据管理平台中按照时间序列，分析拟合成平滑曲线，云端数据管理平台数据分析和计算能力强，仅通过判断盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否跳变，区分当前注浆环管，自动的计算每环管片的实时注浆消耗量，注浆流量计算准确，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的数据传输设备的电路原理框图。

图2为本发明数据传输方法的方法流程框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种基于数据分析的盾构施工注浆消耗量实时计算方法，包括以下步骤：

步骤一、根据注浆桶中混凝土浆液高度对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定：在注浆桶上侧安装用于实时测量距离注浆桶中液面高度的激光测距模块，根据hi＝h-li，计算第i次标定时注浆桶中混凝土浆液高度hi，其中，h为激光测距模块至注浆桶底部的距离，li为第i次标定时激光测距模块测量的距离注浆桶中液面高度；

人工对注浆桶中高度为hi的混凝土浆液进行标定，标定注浆桶中混凝土浆液的体积，把标定结果作为基础数据，形成一个混凝土浆液高度和混凝土浆液体积对应的混凝土浆液高度体积对应数据表；

本实施例中，所述激光测距模块集成有激光测距传感器、微控制器和gprs无线通信模块，激光测距传感器采集的数据经gprs无线通信模块和路由器与云端数据管理平台相连。

需要说明的是，通过激光测距模块获取注浆桶中混凝土浆液液面高度，对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定，通过注浆桶中混凝土浆液反映对应的混凝土浆液体积，准确测量盾构施工每环管片的注浆消耗量，并通过自动上传时间序列测量数据，简化现场测量的技术复杂度，替代了传统测量及计算方法。

优选的采用精度小于5毫米的激光测距传感器。

步骤二、采集注浆桶中混凝土浆液高度实时数据并绘制混凝土浆液高度变化曲线：利用激光测距模块实时采集注浆桶中混凝土浆液高度数值，并按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，云端数据管理平台按照时间顺序对接收的混凝土浆液高度数值进行存储，并以时间为横坐标，混凝土浆液高度数值为纵坐标，绘制混凝土浆液高度变化曲线，并对混凝土浆液高度变化曲线进行平滑处理；

需要说明的是，通过采集注浆桶中混凝土浆液高度实时数据并绘制混凝土浆液高度变化曲线，并对混凝土浆液高度变化曲线进行平滑处理，当混凝土浆液高度变化曲线呈下降区域，表明盾构机当前处于注浆状态，实时对浆液减少量进行累计，获取注浆环管实时的注浆量；当混凝土浆液高度变化曲线呈平直区域，表明盾构机当前处于非注浆状态，实时的浆液累计值为零，不影响数据变化，获取注浆环管实时的注浆量；当混凝土浆液高度变化曲线呈上升区域，表明盾构机当前处于追加浆液状态，此时不进行浆液累计计算，数据计算可靠稳定。

步骤三、采集盾构机当前状态参数：通过盾构机plc监控模块实时获取盾构机当前状态参数，同时盾构机plc监控模块将获取的盾构机当前状态参数按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，云端数据管理平台按照时间顺序对接收的盾构机实时状态参数进行存储，所述盾构机当前状态参数包括盾构机当前掘进环管的编号、刀盘转速和推进油缸压力，当刀盘转速和推进油缸压力不同时为零时，表示盾构机为掘进状态；

步骤四、根据公式x＝y-δ，获取当前注浆环管的编号x，其中，y为当前掘进环管的编号，δ为当前注浆环管和当前掘进环管之间的环管间隔数；

本实施例中，步骤四中当前注浆环管和当前掘进环管之间的环管间隔数δ取正整数且δ的取值范围为1～4。

优选的本实施例中，δ取2。

步骤五、计算当前注浆环管的注浆实时消耗量：根据当前掘进环管的编号获取当前注浆环管的编号，并获取当前时刻下混凝土浆液高度变化曲线上对应点的斜率ρk，当ρk≤0时，对当前注浆实时消耗量进行累计，更新当前注浆环管的注浆累计消耗量；当ρk>0时，当前为对注浆桶进行追加浆液，注浆实时消耗量不累计计算；

本实施例中，步骤五中其中，tk为当前采样时间，tk-1为当前采样时间的前一采样时间，tk-tk-1＝2s，hk为当前采样时间tk下混凝土浆液高度变化曲线上对应的混凝土浆液高度值，hk-1为当前采样时间的前一采样时间tk-1下混凝土浆液高度变化曲线上对应的混凝土浆液高度值；

当ρk≤0时，当前注浆环管的注浆累计消耗量sk＝∑sk，其中，sk为当前采样时间tk和其前一采样时间下tk-1之间混凝土浆液体积降低值且sk＝vk-vk-1，vk为当前采样时间tk下混凝土浆液高度值hk对应混凝土浆液高度体积对应数据表中的混凝土浆液体积值，vk-1为当前采样时间的前一采样时间tk-1下混凝土浆液高度值hk-1对应混凝土浆液高度体积对应数据表中的混凝土浆液体积值。

步骤六、判断当前掘进环管的编号是否跳变：云端数据管理平台对盾构机实时状态参数进行识别，识别盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否发生跳变，若当前掘进环管的编号未发生跳变，循环步骤五；若当前掘进环管的编号发生跳变，跳变至下一掘进环管，则执行步骤七；

需要说明的是，通过盾构机plc监控模块实时获取盾构机当前状态参数，并根据当前注浆环管和当前掘进环管之间的环管间隔数获取当前注浆环管的编号，使当前掘进环管的编号和当前注浆环管的编号形成一一对应的关系，只要知道当前掘进环管的编号，即可获知当前注浆环管的编号，激光测距模块实时将采集注浆桶中混凝土浆液高度数值按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，盾构机plc监控模块将获取的盾构机当前状态参数按照每2秒一次的频率上传至云端数据管理平台，通过时间数据将当前掘进环管的编号和当前注浆环管的编号关联，若云端数据管理平台识别盾构机实时状态参数中当前掘进环管的编号发生跳变，则当前注浆环管的编号发生变化，仅通过判断盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否跳变，区分当前注浆环管，自动的计算每环管片的实时注浆消耗量，注浆流量计算准确，无需考虑盾构机掘进过程中停机等待状态，盾构施工注浆消耗量实时计算简单。

步骤七、输出前一注浆环管整环的注浆消耗量，并将下一掘进环管视为当前掘进环管，循环步骤五，直至盾构施工注浆结束。

本实施例中，步骤七中云端数据管理平台将累计计算的前一注浆环管整环的注浆消耗量传输至地面监控室，地面监控室通过显示器连续显示前n环注浆环管整环的注浆消耗量，其中，n为正整数且n的取值范围为1～10。

优选的本实施例中，地面监控室通过显示器连续显示前10环注浆环管整环的注浆消耗量。

本发明使用时，通过对注浆桶中混凝土浆液体积进行标定，准确测量盾构施工每环管片的注浆消耗量，对注浆桶液面距离的数据采集，形成时间序列数据流，在云端数据管理平台中按照时间序列，分析拟合成平滑曲线，云端数据管理平台数据分析和计算能力强，仅通过判断盾构机当前状态参数中当前掘进环管的编号是否跳变，区分当前注浆环管，自动的计算每环管片的实时注浆消耗量，注浆流量计算准确。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。