[发明专利]一种顶管开挖面稳定性的监控系统及方法

权利要求书

1.一种顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，包括有用于确定泥水舱(0)设定压力值的设定土压力传感器(d)、用于测量泥水舱(0)实时压力值的实时土压力传感器(1)，泥水舱(0)、进泥管(2)、排泥管(3)、压浆主管(4)、单向阀(5)、流量计(6)、调节阀(7)和控制器(8)、电源(9)、配料池(13)、压浆管路(14)、全自动全站仪(15)、固定支架(16)、全站仪棱镜(17)、监控终端(18)、进泥池(19)、排泥池(20)，其中设定土压力传感器(d)埋设在顶管穿越区域(b)内，实时土压力传感器(1)装设在泥水舱(0)后面板上，进泥管(2)的一端与进泥池(19)连接，进泥管(2)的另一端依次通过调节阀(7)、流量计(6)、单向阀(5)与泥水舱(0)的压浆管路(14)连接，排泥管(3)的一端与排泥池(20)连接，排泥管(3)的另一端依次通过流量计(6)、调节阀(7)与泥水舱(0)的压浆管路(14)连接，配料池(13)通过压浆主管(4)与泥水舱(0)的压浆管路(14)连接，控制器(8)与调节阀(7)连接，电源(9)供电至控制器(8)，用于测量顶管机顶进距离的全自动全站仪(15)固定于始发井井底，与全自动全站仪(15)配合使用的全站仪棱镜(17)固定在顶管机上，全自动全站仪(15)的读数通过无线通讯模块实时上传至监控终端(18)，设定土压力传感器(d)及实时土压力传感器(1)与监控终端(18)的输入端电连接，监控终端(18)的输出端与控制器(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述监控终端(18)还连接有用于信号处理的电脑(10)。

3.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述配料池(13)还连接有泥浆泵(11)，泥浆泵(11)由电机(12)驱动，电机(12)驱动泥浆泵(11)将配料池(13)中配置好的稳定剂通过压浆管路(14)压入泥水舱(0)，监控终端(18)的输出端与电机(12)电连接。

4.根据权利要求3所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述泥水舱(0)中的压浆管路(14)上均匀分布有管孔(24)，使稳定剂能够与泥水较均匀的混合。

5.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述流量计(6)是电磁流量计；控制器(8)是PLC控制器。

6.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述全自动全站仪(15)通过固定支架(16)固定在始发井井底。

7.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述用于测量顶管机顶进距离的全自动全站仪(15)的测量时间间隔设置为10-30s。

8.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述与全自动全站仪(15)配合使用的棱镜(17)固定在顶管机后面板中心位置。

9.根据权利要求1所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，上述预先埋设在顶管穿越区域(b)的设定土压力传感器(d)共布置有2个，分别装设在顶管机穿越区域(b)两侧的两个钻孔(c)内，泥水舱(0)后面板上安装的实时土压力传感器(1)共布置有4个，分别分布在面板中心的上侧、左侧、下侧和右侧。

10.一种顶管开挖面稳定性监控系统的监控方法，应用于权利要求1至9任一项所述的顶管开挖面稳定性的监控系统，其特征在于，包括有如下步骤：

S1：在顶管开工指定时间间隔前，获取埋设在顶管穿越区域(b)内的设定土压力传感器(d)在指定时间段内测得的平均压力值作为泥水舱(0)的设定压力值；

S2：控制顶管机通过进泥管(2)向泥水舱(0)注入一定密度的进泥水直至泥水舱压力达到上述泥水舱(0)的设定压力值；其中，所述泥水舱压力的大小由装设在泥水舱(0)后面板上的实时土压力传感器(1)获取；

S3：在所述顶管机正常顶进的过程中，利用全自动全站仪(15)测量顶管机顶进距离，以及利用进泥管(2)和排泥管(3)上安装的流量计(6)和调节阀(7)，对单位时间内进入和排出泥水舱(0)的泥水量进行实时控制，使泥水舱压力始终保持平衡，平衡关系通过以下公式表示：

q_v2·ρ₂＝q_v1·ρ₁+S·v·ρ

式中，S为开挖面面积，ρ为开挖面土体天然密度，v为单位时间的平均顶进速度，进泥水的密度ρ₁和排泥水密度ρ₂由泥浆比重计测取，q_v1为单位时间进入进泥管(2)的进泥流量，q_v2为单位时间排出排泥管(3)的排泥流量；

当地层条件改变时，调整进泥水密度，并利用监控终端(18)及控制器(8)调整进泥管(2)和排泥管(3)上安装的调节阀(7)的开度，维持泥水舱压力的稳定；当遇到渗透系数大的地层时，将配料池(13)中配置好的稳定剂通过压浆管路(14)压入泥水舱(0)，以利于在开挖面位置形成泥膜。