一种顶管顶进自动调节系统及调节方法与流程

本发明涉及城市隧道施工技术领域，具体涉及一种顶管顶进自动调节系统及调节方法。

背景技术：

现有城市地铁隧道的施工中，多采用顶管法进行加工，其具体方法为利用全站仪和纠偏油泵结合的纠偏方法以及根据经验对顶力大小和膨润土的添加量进行调节。该工法主要利用全站仪监测偏差，采用纠偏油泵实现纠偏，保证顶管顶进处于设计高程，同时根据经验对顶力大小和膨润土的量调节，因而偏差调节和调节顶力大小和膨润土的量的经验在顶进过程中起到至关重要的作用。

但使用全站仪和纠偏油泵，不能实时监测偏差，只有当顶管偏差达到一定时才能观测出来，容易造成顶管方位偏移，地表变形沉降，只能使用纠偏油泵，纠正偏差，延误工期而且纠偏效果差；同时依靠经验调节顶力和膨润土的量，对施工人员的技能要求高，调节效果差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中顶管法加工的调节困难的问题的顶管顶进自动调节系统及其调节方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种顶管顶进自动调节系统及调节方法，其包括顶管机和检测机构，顶管机后侧依次设置有机座和若干相连的管节，机座的内侧通过纠偏装置与顶管机边缘相接，顶管机中部与机座间设置有顶推装置，顶管机下部通过螺旋输送机与第一管节相连，检测机构包括设置于螺旋输送机内的土压力传感器，和设置于第一管节与第二管节间的外侧边缘位置处的位移转角传感器，顶管机、机座与检测机构分别与控制台相连。

通过设置土压力传感器，以实时监测掌子面压力，从而能够便于自动调节顶力大小；通过设置位移转角传感器，实时监测顶管机头的偏差，当偏差过限时，控制台自动调节后方千斤顶推力，并启动纠偏装置进行纠偏，从而保证顶管掘进方向的可靠性和准确性；通过两者相结合，实时监测顶管机头处上方土体的沉降量，根据沉降量的大小和土压力大小，从而实时调节膨润土的添加量。

上述技术方案中，优选的，位移转角传感器有四个，分别位于第一管节与第二管节间外侧的上下左右四个方向。

通过设置多个位移转角传感器，从而对顶管的每个方向的角度偏移均进行监测，从而保证监测的准确性。

上述技术方案中，优选的，偏离顶管机最远的管节与顶铁连接，顶铁与千斤顶相连。

通过设置顶铁和千斤顶，以便提供掘进的作用力，保证顶管的正常进行。

本发明还提供了一种基于上述顶管顶进自动调节系统的调节方法，其包括如下步骤：

s1、获取顶管机待掘进位置处的深度h、对应土体的相对密度λ和预设掘进转角计算其对应的基准压力[p]；

s2、顶管机工作时，控制器实时获取土压力传感器监测到的掌子面压力p测和位移转角传感器监测到的转角偏移值和位移值l；

s3、根据预设的容许压力值和基准压力[p]判断掌子面压力p测是否在容许范围内，当p测不在容许范围内时，控制台增加千斤顶顶推力；

s4、根据预设的容许转角偏移值判断转角偏移值是否在容许范围内，当不在容许范围内时，控制台调整对应方向处千斤顶顶推力；

s5、根据位移值l和转角偏移值计算顶管的位移沉降量，并获取地面位移沉降量，计算管片与孔洞间的脱空体积；

s6、控制台根据脱空体积计算待添加的膨润土体积，自动添加膨润土。

通过实时获取土压力传感器监测到的掌子面压力和位移转角传感器监测到的转角偏移值和位移值，保证对位置监测的准确性，并能保证实时添加膨润土，从而使加工能持续进行。

进一步地，基准压力[p]的计算方法为：

[p]＝kγh，

其中，k为容许范围参数，一般取值为1.2～1.5。

通过计算基准压力，以便对千斤顶顶推力进行调节。

进一步地，增加千斤顶顶推力的增加量p增的计算方法为：

p增＝p测-[p]。

通过计算千斤顶顶推力变化量，以便对千斤顶的工作状态进行实时调节，从而保证掘进工作持续进行。

进一步地，容许转角偏移值一般取值为1.5°。

通过设置容许转角偏移值，以防角度偏转过大，超过设定范围，影响掘进正常进行。

进一步地，调整对应方向处千斤顶推力的方法为：

s1、获取超出容许转角偏移值范围的位移转角传感器所在方向；

s2、计算所获取的方向对应的千斤顶的推力调整量；

s3、根据计算得到的调整量调节千斤顶推力；

s4、开启纠偏装置进行纠偏，直到位移转角传感器监测的数据恢复到容许转角偏移值范围内。

通过根据计算结果调整顶推力并纠偏，有效保证调整的准确性。

进一步地，千斤顶顶推力的调整量p偏的计算公式为：

其中，k为容许范围参数，一般取值为1.2～1.5。

通过根据基准压力和偏转角以调整推力，以保证调整的准确性和可靠性。

进一步地，脱空体积和膨润土的添加量的计算方法包括：

s1、所述脱空体积v脱空的计算方法为：v脱空＝(d顶管+d地面)×b顶管×l顶管，

其中，d顶管和d地面分别表示顶管和地面的位移沉降量，b顶管和l顶管分别表示顶管的宽度和长度；

s2、膨胀土的添加量的计算方法为：v膨润土＝v孔洞-v脱空，

其中，v孔洞为管片位置处的孔洞体积。

通过实时调整膨胀土的添加量，从而保证顶管法加工的准确性，提高施工效率。

本发明提供的上述顶管顶进自动调节系统的主要有益效果在于：

本发明通过设置位移转角传感器，实时监测顶管机头的偏差，当偏差过限时，控制台自动调节后方千斤顶推力，并启动纠偏装置进行纠偏，当偏差消除后自动停止纠偏装置，并重新调节千斤顶顶力进行顶进施工。从而实现对偏差的实时控制，防止因偏差过大引起的地表沉降对偏差。

通过设置土压力传感器，从而对掌子面压力进行测量，通过控制台处的数据处理，自动调节顶力大小。

通过位移转角传感器和土压力传感器相结合，实时监测顶管机头处上方土体的沉降量，根据沉降量的大小和土压力大小，实时调节膨润土的添加量。

本发明提供的上述顶管顶进自动调节系统的调节方法的主要有益效果在于：

通过实时获取土压力传感器监测到的掌子面压力和位移转角传感器监测到的转角偏移值和位移值，从而能够对顶管机的偏差控制、顶力和膨润土量等信息进行实时监控，并能通过少量部件实现对这些参数的有效调节，从而保证顶管法加工的准确性，提高施工效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是顶管机与控制台的连接关系示意图。

图3是调节系统的调节方法流程图。

其中，1、顶管机，11、螺旋输送机，2、机座，21、纠偏装置，22、顶推装置，3、检测机构，31、土压力传感器，32、位移转角传感器，4、管节，41、第一管节，42、第二管节，43、千斤顶，44、顶铁，5、控制台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为顶管顶进自动调节系统的结构示意图。

本发明的顶管顶进自动调节系统包括顶管机和检测机构，顶管机后侧依次设置有机座2和若干相连的管节4，机座2的内侧通过纠偏装置21与顶管机1边缘相接，顶管机1中部与机座2间设置有顶推装置22，顶管机1下部通过螺旋输送机11与第一管节41相连，检测机构3包括设置于螺旋输送机11内的土压力传感器31，和设置于第一管节41与第二管节42间的外侧边缘位置处的位移转角传感器32，顶管机1、机座2与检测机构3分别与控制台5相连。偏离顶管机1最远的管节4与顶铁44连接，顶铁44与千斤顶43相连。

通过设置土压力传感器31，以实时监测掌子面压力，从而能够便于自动调节顶力大小；通过设置位移转角传感器32，实时监测顶管机1头部的偏差，当偏差过限时，控制台5自动调节后方千斤顶43推力，并启动纠偏装置21进行纠偏，从而保证顶管掘进方向的可靠性和准确性；通过两者相结合，实时监测顶管机1头处上方土体的沉降量，根据沉降量的大小和土压力大小，实时调节膨润土的添加量。通过设置顶铁44和千斤顶43，以便提供掘进的作用力，保证顶管的正常进行。

其中，位移转角传感器32有四个，分别位于第一管节41与第二管节42间外侧的上下左右四个方向。

通过设置多个位移转角传感器32，从而对顶管机的每个方向的角度偏移均进行监测，从而保证监测的准确性。

本发明还提供了一种基于上述顶管顶进自动调节系统的调节方法，如图3所示，其包括如下步骤：

s1、获取顶管机1待掘进位置处的深度h、对应土体的相对密度λ和预设掘进转角计算其对应的基准压力[p]。

其中，基准压力[p]的计算方法为：

[p]＝kγh，

其中，k为容许范围参数，一般取值为1.2～1.5。通过计算基准压力，以便对千斤顶43顶推力进行调节。

s2、顶管机1工作时，控制台实时获取土压力传感器31监测到的掌子面压力p测和位移转角传感器32监测到的转角偏移值和位移值l。

s3、根据预设的容许压力值和基准压力[p]判断掌子面压力p测是否在容许范围内，当p测不在容许范围内时，控制台5增加千斤顶43顶推力。

具体的，增加千斤顶43顶推力的增加量p增的计算方法为：

p增＝p测-[p]。

通过计算千斤顶43顶推力变化量，以便对千斤顶43的工作状态进行实时调节，从而保证掘进工作持续进行。

s4、根据预设的容许转角偏移值判断转角偏移值是否在容许范围内，当不在容许范围内时，控制台5调整对应方向处千斤顶43顶推力。

容许转角偏移值一般取值为1.5°。通过设置容许转角偏移值，以防角度偏转过大，超过设定范围，影响掘进正常进行。

进一步地，调整对应方向处千斤顶43推力的方法为：

s4-1、获取超出容许转角偏移值范围的位移转角传感器32所在方向。

s4-2、计算所获取的方向对应的千斤顶43的推力调整量。

进一步地，千斤顶43顶推力的调整量p偏的计算公式为：

其中，k为容许范围参数，一般取值为1.2～1.5。

通过根据基准压力和偏转角以调整推力，以保证调整的准确性和可靠性。

s4-3、根据计算得到的调整量调节千斤顶推力。

s4-4、开启纠偏装置21进行纠偏，直到位移转角传感器32监测的数据恢复到容许转角偏移值范围内。

通过根据计算结果调整顶推力并纠偏，有效保证调整的准确性。

s5、根据位移值l和转角偏移值计算顶管机1的位移沉降量，并获取地面位移沉降量，计算管片与孔洞间的脱空体积。

s6、控制台5根据脱空体积计算待添加的膨润土体积，自动添加膨润土。

进一步地，脱空体积和膨润土的添加量的计算方法包括：

s1、所述脱空体积v脱空的计算方法为：v脱空＝(d顶管+d地面)×b顶管×l顶管，

其中，d顶管和d地面分别表示顶管机1和地面的位移沉降量，b顶管和l顶管分别表示顶管机1的宽度和长度；

s2、膨胀土的添加量的计算方法为：v膨润土＝v孔洞-v脱空，其中，v孔洞为管片位置处的孔洞体积。

通过实时调整膨胀土的添加量，从而保证顶管法加工的准确性，提高施工效率。

通过实时获取土压力传感器31监测到的掌子面压力和位移转角传感器32监测到的转角偏移值和位移值，保证对位置监测的准确性。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。