一种盾构机及其盾尾刷动态密封性能监测控制方法与流程

1.本发明涉及盾构施工技术领域，尤其涉及一种盾构机及其盾尾刷动态密封性能监测控制方法。


背景技术：

2.目前，盾构机尾部密封大多采用多道呈环形密实排列状固定在盾构机盾尾内壁上的盾尾刷和向前后两道相邻盾尾刷构成的环形油脂腔中注入油脂进行有效密封。
3.盾构机正常掘进时，盾尾刷与已衬砌管片外壁紧密接触，是防止盾尾发生漏水、涌沙和窜泥等现象的关键密封措施，盾尾刷密封性能的好坏将直接影响盾构施工安全、质量与进度。
4.但由于盾尾刷属于易损件，在盾构施工中较容易出现磨损、圧溃等情况，特别是在油脂注入不充分、盾构姿态偏离设定路线或隧道小转弯掘进时，盾尾刷常出现急剧磨损或永久变形失效等现象，若不能及时的发现盾尾刷损坏位置，小则出现漏水漏浆问题，影响施工安全与进度，大则导致土体塌方，甚至机毁人亡等安全事故。
5.因此，如何提供一种盾构机，以提高安全性，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种盾构机，以提高安全性。本发明的目的在于提供一种盾尾刷动态密封性能监测控制方法。
7.为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种盾构机，其尾部设置有间隔排列的多道环形的盾尾刷，两道所述盾尾刷之间设置有用于注入油脂密封的环形油脂腔，所述环形油脂腔中内置有压力传感器，
9.位于最前方的两道所述盾尾刷均设置有用于监测磨损量和形变量的监测传感器，
10.所述压力传感器和所述监测传感器与控制装置信号连接。
11.优选的，位于最前方的两道所述盾尾刷为可拆卸式，其余所述盾尾刷为焊接固定。
12.优选的，上述环形油脂腔等宽设置，
13.所述环形油脂腔沿周向设置有多个注脂孔，采用单腔单泵与所述注脂孔连通控制油脂入住量，相邻的两个所述注脂孔之间沿周向的弧长间距不大于2.5m。
14.优选的，上述监测传感器为多个，所述监测传感器呈环形等夹角均匀设置。
15.优选的，位于最前方的两道所述盾尾刷自前至后依次为第一盾尾刷和第二盾尾刷，
16.所述第一盾尾刷上的一个所述监测传感器与所述第二盾尾刷上的一个所述监测传感器在周向上最小夹角为22.5
°
，
17.所述第一盾尾刷上的所述监测传感器和所述第二盾尾刷上的所述监测传感器在横截面上将所述盾尾刷均分为16个区域进行实时监测。
18.优选的，上述压力传感器为多个，所述压力传感器呈环形等夹角均匀设置。
19.本发明还提供一种盾尾刷动态密封性能监测控制方法，基于上述任意一项所述的盾构机，包括：
20.步骤1)盾构机正常掘进，所述压力传感器实时探测所处点位上所述环形油脂腔的压力值p并不间断传输给所述控制装置，
21.所述监测传感器实时探测所处点位上所述盾尾刷的磨损量λ和形变量δ并不间断传输给所述控制装置；
22.步骤2)所述控制装置将所述压力值p与预设压力值p0进行比对，当p≥p0时，所述环形油脂腔在所处点位上油脂处于饱和状态，
23.当p＜p0时，所述环形油脂腔在所处点位上油脂处于未填实状态，所述控制装置发出注脂指令直至p≥p0停止注脂，
24.所述控制装置将所述磨损量λ和所述形变量δ分别与预设磨损量λ0和预设形变量δ0进行比对，当λ＜λ0且δ＜δ0时，所述盾尾刷在所处点位上无问题，
25.当λ＜λ0且δ≥δ0时，所述盾尾刷在所处点位上处于过压缩状态，所述控制装置控制所述盾构机调整姿态直至λ＜λ0且δ＜δ0，
26.当λ≥λ0时进行注脂或者更换所述盾尾刷。
27.优选的，上述步骤2)具体为，
28.如果所述控制装置控制所述盾构机调整姿态无法实现λ＜λ0且δ＜δ0，则将测得δ≥δ0的所述监测传感器的数量k与预设数量k0进行对比，当k＜k0时进行注脂，当k≥k0时更换所述盾尾刷。
29.优选的，上述步骤2)具体为，
30.当λ≥λ0时，则将测得λ≥λ0的所述监测传感器的数量m与预设数量m0进行对比，当m＜m0时进行注脂，当m≥m0时更换所述盾尾刷。
31.优选的，上述控制装置将所述压力传感器和所述监测传感器的数值、对比后的结果以及动作指令按各自在所述盾构机的横截面上的位置相应的显示在圆形的显示面板上，
32.所述显示面板上设置有与所述监测传感器对应报警的闪烁指示灯。
33.本发明提供的盾构机，其尾部设置有间隔排列的多道环形的盾尾刷，两道所述盾尾刷之间设置有用于注入油脂密封的环形油脂腔，所述环形油脂腔中内置有压力传感器，
34.位于最前方的两道所述盾尾刷均设置有用于监测磨损量和形变量的监测传感器，
35.所述压力传感器和所述监测传感器与控制装置信号连接。
36.本发明提供的盾构机，可实时监测盾尾刷密封及磨损情况，同时根据实际反馈信息进行自动调节油脂注入量或推进油缸伸出量，还可根据盾尾刷磨损及形变量提前规划可拆式盾尾刷的更换作业，因此，本发明提供的盾构机不仅可延长盾尾刷寿命，提高盾尾密封性能，而且还可对盾构机进行辅助盾构纠偏，实时调整盾构姿态，提高成型隧道质量，提高安全性，降低施工风险。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例提供的盾构机工作时的示意图；
39.图2为本发明实施例提供的盾构机的盾尾刷部分的结构示意图；
40.图3为本发明实施例提供的盾尾刷的横截面上第一盾尾刷和第二盾尾刷监测传感器布置点位的结合示意图；
41.图4为本发明实施例提供的盾尾刷的横截面上压力传感器布置点位的示意图；
42.图5为本发明实施例提供的压力传感器显示面板的示意图；
43.图6为本发明实施例提供的监测传感器显示面板的示意图。
44.上图1
‑
6中：
45.盾尾刷1、监测传感器2、压力传感器3、环形油脂腔4、焊接式盾尾刷5、通信电缆6、控制装置7、盾构机8、衬砌管片9、盾构机主控室10、推进油缸11、油脂注入通道12、第一盾尾刷13、第二盾尾刷14、第一盾尾刷上的监测传感器布置点位15、第二盾尾刷上的监测传感器布置点位16、压力传感器布置点位17、注脂孔18。
具体实施方式
46.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.请参考图1至图6，图1为本发明实施例提供的盾构机工作时的示意图；
48.图2为本发明实施例提供的盾构机的盾尾刷部分的结构示意图；图3为本发明实施例提供的盾尾刷的横截面上第一盾尾刷和第二盾尾刷监测传感器布置点位的结合示意图；图4为本发明实施例提供的盾尾刷的横截面上压力传感器布置点位的示意图；图5为本发明实施例提供的压力传感器显示面板的示意图；图6为本发明实施例提供的监测传感器显示面板的示意图。
49.本发明实施例提供的盾构机8，其尾部设置有间隔排列的多道环形的盾尾刷1，盾尾刷1与已衬砌管片9外壁紧密接触，两道盾尾刷1之间设置有用于注入油脂密封的环形油脂腔4，环形油脂腔4中内置有压力传感器3，
50.位于最前方的两道盾尾刷均设置有用于监测磨损量和形变量的监测传感器2，
51.压力传感器3和监测传感器2与控制装置7信号连接。
52.本发明实施例提供的盾构机8，可实时监测盾尾刷1密封及磨损情况，同时根据实际反馈信息进行自动调节油脂注入量或推进油缸11伸出量，还可根据盾尾刷1磨损及形变量提前规划可拆式盾尾刷的更换作业，因此，本发明实施例提供的盾构机不仅可延长盾尾刷寿命，提高盾尾密封性能，而且还可对盾构机8进行辅助盾构纠偏，实时调整盾构姿态，提高成型隧道质量，提高安全性，降低施工风险。
53.为了进一步优化上述方案，环形油脂腔4等宽设置，环形油脂腔4沿周向设置有多个注脂孔18，采用单腔单泵与注脂孔18连通控制油脂入住量，相邻的两个注脂孔18之间沿周向的弧长间距不大于2.5m，如图4所示，图4中可见，以四条直径线均分的8个区域中，每个
区域布置两个注脂孔18，且相邻区域的两个注脂孔18相对中间的直径线镜像对称，注脂孔18通过油脂注入通道12连通至环形油脂腔4。
54.为了进一步优化上述方案，监测传感器2为多个，监测传感器2呈环形等夹角均匀设置，实现所处点位实时监测以及多点位实时同步监测。
55.其中，位于最前方的两道盾尾刷为可拆卸式，其余盾尾刷为焊接固定，为焊接式盾尾刷5。位于最前方的两道盾尾刷自前至后依次为第一盾尾刷13和第二盾尾刷14，即第一盾尾刷13和第二盾尾刷14为可拆卸式盾尾刷，
56.第一盾尾刷13上的一个监测传感器2与第二盾尾刷14上的一个监测传感器2在周向上最小夹角为22.5
°
，
57.第一盾尾刷13上的监测传感器2和第二盾尾刷14上的监测传感器2在横截面上将盾尾刷均分为16个区域进行实时监测，如图3所示，图3为本第一盾尾刷和第二盾尾刷监测传感器布置点位的结合示意图，也就是为了方便易懂，将第一盾尾刷13和第二盾尾刷14上的监测传感器2重合在一张图上，以体现夹角22.5
°
，此处为最小夹角为22.5
°
，也就是在这个重合图上，第一盾尾刷13上的一个监测传感器2与距离最近的第二盾尾刷14上的一个监测传感器2夹角为22.5
°
，图2中直径线对准的标识位置为第一盾尾刷上的监测传感器布置点位15，图2中没有被直径线对准的标识位置为第二盾尾刷上的监测传感器布置点位16，可见，两者是间隔设置，即两个第一盾尾刷上的监测传感器布置点位15之间有一个第二盾尾刷上的监测传感器布置点位16，两个第二盾尾刷上的监测传感器布置点位16之间有一个第一盾尾刷上的监测传感器布置点位15，并且在该重合图上可以看到，第一盾尾刷上的监测传感器布置点位15和第二盾尾刷上的监测传感器布置点位16在横截面上将盾尾刷均分为16个区域。
58.为了进一步优化上述方案，压力传感器3为多个，压力传感器3呈环形等夹角均匀设置，实现所处点位实时监测以及多点位实时同步监测，如图4所示，以四条直径线均分的8个区域中，每个区域布置一个压力传感器布置点位17用于固定压力传感器3。
59.本发明实施例还提供一种盾尾刷动态密封性能监测控制方法，基于上述任意一项所述的盾构机，包括：
60.步骤1)盾构机8正常掘进，压力传感器3实时探测所处点位上环形油脂腔4的压力值p并不间断传输给控制装置7，
61.监测传感器2实时探测所处点位上盾尾刷的磨损量λ和形变量δ并不间断传输给控制装置7；
62.步骤2)控制装置7将压力值p与预设压力值p0进行比对，当p≥p0时，环形油脂腔4在所处点位上油脂处于饱和状态，
63.当p＜p0时，环形油脂腔4在所处点位上油脂处于未填实状态，控制装置7发出注脂指令直至p≥p0停止注脂，
64.控制装置7将磨损量λ和形变量δ分别与预设磨损量λ0和预设形变量δ0进行比对，当λ＜λ0且δ＜δ0时，盾尾刷1在所处点位上无问题，
65.当λ＜λ0且δ≥δ0时，盾尾刷1在所处点位上处于过压缩状态，控制装置7控制盾构机8调整姿态直至λ＜λ0且δ＜δ0，
66.当λ≥λ0时进行注脂或者更换盾尾刷1。
67.具体的，步骤2)具体为，
68.如果控制装置7控制盾构机8调整姿态无法实现λ＜λ0且δ＜δ0，此处可以限定一定时间内无法实现，具体时间根据实际情况自行设定，则将测得δ≥δ0的监测传感器2的数量k与预设数量k0进行对比，当k＜k0时进行注脂，当k≥k0时更换盾尾刷1。
69.具体的，步骤2)具体为，
70.当λ≥λ0时，则将测得λ≥λ0的监测传感器2的数量m与预设数量m0进行对比，当m＜m0时进行注脂，当m≥m0时更换盾尾刷1。
71.具体的，控制装置7将压力传感器3和监测传感器2的数值、对比后的结果以及动作指令按各自在盾构机8的横截面上的位置相应的显示在圆形的显示面板上，显示面板上设置有与监测传感器2对应报警的闪烁指示灯。如图5和图6所示，控制装置7设置有盾尾压力监测显示面板，即压力传感器显示面板、盾尾刷磨损监测显示面板，即监测传感器显示面板，可分别实时显示压力和磨损监测点状态。
72.其中，如图5所示，该圆形对应盾构机8的圆形横截面，标识y1、y2、y3直至yn的位置对应压力传感器3在盾构机8的圆形横截面上的位置，显示更加直观，并且，每个yn位置旁边小块区域均显示有压力监测点n，设定值p0，实测值pn，对比结果。如图6所示，同样，该圆形对应盾构机8的圆形横截面，标识mx1、mx2、mx3直至mxn的位置对应监测传感器2、在盾构机8的圆形横截面上的位置，显示更加直观，并且，每个mxn位置旁边小块区域均显示有磨损/形变监测点n，设定值λ0、δ0，实测值λn、δn，对比结果。每个mxn位置旁边均设置有闪烁指示灯，闪烁指示灯为两个，分别是闪烁红灯和闪烁黄灯，在中部区域上方显示红色闪烁点位数m和系统预设点位数m0以及对比结果，在中部区域下方显示黄色闪烁点位数k和系统预设点位数k0以及对比结果。
73.本发明实施例提供的盾构机及其盾尾刷动态密封性能监测控制方法，通过安装在盾构机8盾尾内壁的若干道盾尾密封刷，前后两道盾尾刷1之间形成环形油脂腔4，每道环形油脂腔4的盾尾内壁上设置有内置式的压力传感器3，根据监测点位数前两道可拆式盾尾刷上设置有监测传感器2，所有传感器采用通信电缆6直接与盾构机主控室10内的控制装置7联接，具体为，通信电缆6首端分别与监测传感器2、压力传感器3连接，末端与控制装置7相连。传感器反馈的信息通过控制装置7接收与分析，并显示监测点处的实时状况，根据显示结果对盾构机8进行针对性调节处理。控制装置7即控制调节系统。
74.其中，可拆式盾尾刷通过螺栓与盾尾内壁固连、焊接式盾尾刷5直接与盾体内部焊接固定，前后每相邻两道盾尾刷1之间的环形油脂腔4间距相同，每道环形油脂腔4沿周向设置若干注脂点位，即注脂孔18，单腔单泵控制油脂注入量且每相邻两点位之间沿周向弧长间距最大l不大于2.5m，如图4所示。
75.如图3所示，监测传感器2根据实际监测点位数，可沿盾尾周向按“米”字型均布在可拆式盾尾刷设定位置，且第一环可拆式盾尾刷，即第一盾尾刷13，与第二环可拆式盾尾刷，即第二盾尾刷14上“米”字型监测点位两两之间沿周向呈22.5
°
分布。第一盾尾刷13与第二盾尾刷14沿环向均布将两道可拆式盾尾刷均分16个区域进行实时监测。
76.压力传感器3为内置压力传感器，沿环向均布在环形油脂腔4位置的盾尾内壁中，对环形油脂腔4内压力值进行实时多点监测。
77.具体的，每一道可拆式盾尾刷沿环向的不同监测点位上，系统设定的磨损量λ0和
形变量δ0均根据实际工况需求设定。每一道环形油脂腔4内的不同监测点位上，系统压力设定值p0根据实际工况设定。不同环形油脂腔4内的相同环向监测点位上，系统压力设定值p0根据实际工况设定。每个压力监测点位附近均包含至少一道注脂点位的油脂区，通过控制装置7对其注脂量进行针对性调节。
78.本发明实施例提供的盾尾刷动态密封性能监测控制方法，实际操作时，环形油脂腔4压力监测包括如下步骤：
79.①
盾构机8正常掘进，各个压力传感器3实时探测所处点位上环形油脂腔4的压力值，并以数字信号的形式不间断地通过通信电缆6传输给控制装置7；
80.②
控制装置7接收到信号后迅速进行分析处理，并计算出信号发射点的实际压力值p，同时与系统内预先设定压力值p0进行比对，测试值与比对结果均在压力监测显示面板上显示；
81.③
通过步骤
②
的比对结果有：若p≥p0，此时环形油脂腔4监测点位处油脂处于饱和状态，则控制装置7向对应的油脂注入系统发出停止注入油脂指令，注脂泵暂停工作；
82.若p＜p0，此时环形油脂腔4监测点位处油脂处于未填实状态，则控制装置7向对应的油脂注入系统发出注入油脂指令，相应的油脂区域注脂泵启动工作，直至监测点比对结果出现p≥p0时，注脂泵暂停工作。
83.可拆式盾尾刷的磨损监测包括如下步骤：
84.①
盾构机8正常掘进，各个监测传感器2实时探测所处点位上可拆式盾尾刷的磨损及形变情况，并以数字信号的形式不间断地通过通信电缆6传输给控制装置7；
85.②
控制装置7接收到信号后迅速进行分析处理，并计算出信号发射点的实际磨损量λ和形变量δ，同时与系统内预先设定的磨损量λ0和形变量δ0分别进行比对，实测值与比对结果均在磨损监测显示面板上显示；
86.③
通过步骤
②
的比对结果有：若λ＜λ0且δ＜δ0，此时监测点位上的可拆式盾尾刷状态良好，闪烁指示灯无显示，则控制装置7向对应的推进系统发出正常推进指令，盾构姿态良好，可拆式盾尾刷无须更换；
87.若λ＜λ0且δ≥δ0，此时监测点位上的可拆式盾尾刷处于过压缩状态，对应点位的闪烁黄灯显示高亮黄闪烁状态，则控制装置7向对应区域的推进系统发出伸出指令，调整盾构姿态，直至监测点比对结果再次出现λ＜λ0且δ＜δ0，闪烁黄灯关闭；
88.如果无论如何调整盾构姿态，比对结果始终显示δ≥δ0，可以限定一定时间，高亮黄闪烁状态持续存在，则此监测点位上的可拆式盾尾刷可能已出现永久性形变或已被圧溃，此刻当比对结果δ≥δ0点位数k小于系统预设点位数量k0时，通过人工手动控制该点位油脂注入量进行密封，当比对结果δ≥δ0点位数k大于或等于系统预设点位数量k0时，则磨损监测显示面板上出现盾尾刷更换指令，此时需迅速进入盾尾刷1更换规划作业状态，为盾尾刷1更换作业提前做好准备；
89.若λ≥λ0，则磨损监测显示面板上对应的监测点位显示出高亮红色闪烁状态并发出相应警报声，其中，当高亮红色闪烁点位数m小于系统预设点位数量m0时，通过人工手动控制该点位油脂注入量进行密封，当高亮红色闪烁点位数m大于或等于系统预设点位数量m0时，则磨损监测显示面板上出现盾尾刷1更换指令，此时需迅速进入盾尾刷1更换规划作业状态，为盾尾刷1更换作业提前做好准备。
90.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。