一种智能预警式顶管区域管节补浆系统及方法

摘要

本发明公开一种智能预警式顶管区域管节补浆系统及方法。其中，智能预警式顶管区域管节补浆系统，包括预警系统和补浆系统，所述预警系统包括多个薄膜压力传感器、电阻转电压模块、电压数据采集卡、网络IO控制器和上位机，用于数据采集、数据传输、数据处理和命令反馈，所述补浆系统包括泥浆池、注浆主管以及注浆支管、电磁阀和继电器，补浆系统在接收预警系统的命令，对区域管节进行补浆。本发明通过在管节接口处安装薄膜压力传感器测量不同区域管节的摩阻力，结合物联网技术实时接收并分析数据，识别出超过摩阻力预警值的区域管节，反馈命令信号给相关管节的注浆管路电磁阀，实现区域自动补浆，在顶管市场具有很好的运用前景及推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及顶管地下工程技术领域，尤其涉及一种智能预警式顶管区域管节补浆系统及方法，适用于圆形和矩形顶管施工中识别管周摩阻力较大的区域管节，并及时自动补浆。

背景技术

城市地下空间开发通常采用明挖法、盾构法和顶管法等，其中顶管法具有施工占地小、环境效应小、成本低，不阻碍地面交通及安全卫生等特点，在地下管网及地下通道的建设中运用广泛。顶管法是通过顶管掘进机切削前方土体，并借助液压油缸和中继间千斤顶对管节和掘进机施加顶进力，使管节和掘进机克服与周围土体的摩阻力，最终将管节按设计线路顶进土层。由于过大的顶进力不仅造成顶进设备成本增大，还会威胁管节结构安全，为保证管节顺利顶进，施工时管节周围会注入膨润土润滑泥浆以降低摩阻力。

掘进机之后10～20m区域内的管节通常随着前方土体开挖和后方顶进采用不间断连续注浆，即同步注浆。对于其余区域的管节，泥浆填充管周间隙后会向土体逐渐消散，导致泥浆压力和体积变小，因此每隔一定时间会向这些管节周围补充一定体积的泥浆，即二次补浆。其中二次补浆在顶进中十分重要，补浆不及时将导致摩阻力陡增、顶进困难，补浆过量将造成泥浆浪费，还会大幅度扰动周围土体，不利于沉降控制。从现场施工经验来看，通常一天补浆1～2次，每次30～60分钟，人为选取注浆量和注浆时间点的随意性较大，且一般采用全顶程补浆，而非分段补浆。从研究现状来看，由于管周摩阻力无法直接测量，目前国内外学者对注浆前后的管周土压力和摩擦系数变化规律分别开展研究，以此间接的计算管周摩阻力，这种方法实际上求得的是整个顶程的平均摩阻力，忽视了不同位置管节受力情况和润滑效果的差异性，无法对施工过程中区域管节的二次补浆工艺做出科学指导。

近几年顶管工程呈现出断面尺寸更大、顶进距离更长的趋势，能否有效控制管周摩阻力是工程顺利实施的关键，因此提出一套科学合理的补浆系统对推动行业发展具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种智能预警式顶管区域管节补浆系统及方法，通过在管节接口处安装薄膜压力传感器测量不同区域管节的摩阻力，结合物联网技术实时接收并分析数据，识别出超过摩阻力预警值的区域管节，反馈命令信号给相关管节的注浆管路电磁阀，实现区域自动补浆，在顶管市场具有很好的运用前景及推广价值。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种智能预警式顶管区域管节补浆系统，包括预警系统和补浆系统；

所述预警系统包括多个薄膜压力传感器、电阻转电压模块、电压数据采集卡、网络IO控制器和上位机，多个薄膜压力传感器分别安装在不同监测管节的承口端之中，每一薄膜压力传感器均通过导线与电阻转电压模块相连，电阻转电压模块、电压数据采集卡、网络IO控制器通过导线依次连接，网络IO控制器与上位机为无线连接，上位机中配制设有组态软件；

所述补浆系统包括泥浆池、注浆主管以及注浆支管、电磁阀和继电器，注浆主管与泥浆池连通，每一管节中均设有注浆支管、电磁阀和继电器，注浆支管与注浆主管连通且电池阀设置在两者之间的管路上，电磁阀均通过导线与继电器相连，继电器通过导线与预警系统中的网络IO控制器相连。

进一步的，还包括云平台服务器，云平台服务器与网络IO控制器为无线连接，通过云平台服务器实现PC端和手机端的远程观测。

进一步的，所述薄膜压力传感器为阵列多点式。

进一步的，所述薄膜压力传感器的量程大于始发工作井内液压油缸所提供的最大应力。

进一步的，在不同监测管节的承口端之中，薄膜压力传感器安装的木垫板之前，且其前后两面均设有与其等面积的橡胶垫片。

进一步的，所述橡胶垫片的厚度为1-2mm，橡胶垫片采用胶接贴附固定在薄膜压力传感器上。

一种智能预警式顶管区域管节补浆方法，包括如下步骤：

S1、对多个薄膜压力传感器进行标定试验，获得每一薄膜压力传感器的电压-压力标定函数文件；

S2、选取监测管节，每一监测管节下放至工作始发井之前，将其一标定后的薄膜压力传感器贴附设置在该管节的承口端的木垫板上，使薄膜压力传感器覆盖整个承口端端面；

S3、在顶管施工过程中，将电阻转电压模块、电压数据采集卡、网络IO控制器通过导线依次连接，将网络IO控制器与上位机无线连接；每一监测管节下放并完全顶进后，将该监测管节的承口端之中的薄膜传感器与电阻转电压模块通过导线相连，并通电工作，薄膜压力传感器输出的电阻信号经过电阻转电压模块输出为电压模拟信号并由电压数据采集卡整合处理，最后由网络IO控制器将电压模拟信号传输至地面的上位机；每一管节下放并完全顶进后，将注浆主管的总阀关闭，在每一管节中安装注浆支管，并将其与注浆主管连通，同时，在注浆主管与注浆支管之间安装电磁阀，并将电池阀、继电器、网络IO控制器通过导线依次连接；

S4、在上位机中，调用每一薄膜压力传感器的标定函数文件，将电压模拟信号换算为压力值，两监测管节中薄膜压力传感器所测压力之差即为两监测管节之间区域管节的摩阻力，实时显示在上位机的界面上；

S5、在上位机的组态软件中设定管周摩阻力预警值作为网络IO控制器DO输出的触发条件，当出现实测摩阻力大于该数值时，组态软件自动发送控制信号给网络IO控制器，触发继电器通电打开该区域管节中所有注浆支管的电磁阀，实现区域管节自动补浆，直至实测摩阻力小于预警值，继电器断电关闭电磁阀，停止注浆。

进一步的，所述标定试验基于竖向加载仪、设置在竖向加载仪上的张拉压力传感器以及通过导线依次相连的电阻转电压模块、电压数据采集卡和上位机进行，标定试验包括如下步骤：

S1.1、制作两块混凝土底板，制作混凝土底板的水泥与制作顶管工程所用管节的水泥相同，混凝土底板的面积与需要标定的薄膜压力传感器一致，混凝土底板的厚度大于10cm；

S1.2、选取顶管工程所用木垫板一块，木垫板的面积与需要标定的薄膜压力传感器一致；

S1.3、选取橡胶垫板两块，橡胶垫板的面积与需要标定的薄膜压力传感器一致，橡胶垫板的厚度为1-2mm；

S1.4、放置一块混凝土板底板在平整的桌面上，然后依次将一块橡胶垫、薄膜压力传感器、另一块橡胶垫、木垫板放置在该混凝土底板上，最后放置另一块混凝土底板，混凝土板底板、橡胶垫、薄膜压力传感器、木垫板均平齐，并将需要标定的薄膜压力传感器通过导线与电阻转电压模块相连；

S1.5、采用竖向加载仪向混凝土底板正上方施加额定荷载，通过竖向加载仪上的张拉压力传感器控制荷载大小，初始荷载为薄膜压力传感器最大量程对应的压力值；

S1.6、施加额定荷载后观察上位机的输出值，基本稳定时读取对应的电压值，得到混凝土底板夹持下薄膜压力传感器在该额定荷载的电压值；

S1.7、分级减载至下一额定荷载，并重复步骤S1.6；

S1.8、减载至0N后，保存并拟合标定数据，存储为电压-压力标定函数文件。

进一步的，步骤S1.7中，减载幅度应小于0.2倍初始荷载以得到更多拟合点。

进一步的，标定试验完成后，将两块橡胶垫板平齐贴附固定至薄膜压力传感器前后两面。

本发明的有益效果为：

1、攻克了管周摩阻力无法直接测量的难题。通过浇筑管节时在钢筋笼内安装钢筋应变计，或者在管节内壁轴向安装光纤应变传感器，是可以想到的两种测量差异顶进力进而得到管周摩阻力的方法，但前一种预置在管内的方法测得的是管节内部结构变形和内力，后一种测得的是管节内壁表面的结构应变。两种办法都面临两个问题，首先传感器受力路径与顶力实际传递路径不一致，其次无法得知钢筋混凝土管节的弹性模量，并且压力作用下不同变形阶段的弹性模量是持续变化的，从而无法换算为应力，可以认为这两种依然是间接测量摩阻力的办法。薄膜压力传感器具有厚度小、布点密、精度高的特点，由于所有管节都是通过前后承插口传递液压油缸顶力，本发明在承压端面布置薄膜压力传感器，首次实现了区域管周摩阻力的直接测量，排除了其余变量(弹性模量、仪器安装偏差、传力路径等)的干扰；

2、实现数据无线传输，实时监控管周情况。以往岩土工程监测手段都需待数据全部采集完后再导出至PC端进行后处理，本发明采用物联网云平台技术，将数字信号直接发送至地面PC端和手机端，顶进过程中操作人员无需进入管内即可实时监控摩阻力变化，并在超过设定的摩阻力预警值时触发注浆管路的电磁阀，实现及时自动注浆，提高施工监测效率的同时保证了安全；

3、智能识别高摩阻力区域管节，及时进行区域自动补浆。只对高摩阻力管节进行针对性补浆，一方面有利于节约泥浆、控制沉降，另一方面可及时有效的规避摩阻力引起的顶力陡增、抱管卡管现象。

附图说明

图1为本发明智能预警式顶管区域管节补浆系统的连接结构示意图；

图2为图1中A-A剖面图；

图3为本发明标定试验所用仪器和元件的连接结构示意图。

标注说明：1、顶管掘进机，2、监测管节，3、电阻转电压模块，4、电压数据采集卡，5、网络IO控制器，6、继电器，7、电磁阀，8、注浆主管，9、注浆口，10、泥浆池，11、上位机，12、承口端，13、插口端，14、橡胶垫片，15、薄膜压力传感器，16、木垫板，17、液压油缸，18、注浆支管，19、竖向加载仪，20、张拉压力传感器，21、混凝土底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-2所示，一种智能预警式顶管区域管节补浆系统，包括预警系统和补浆系统。

所述预警系统包括多个薄膜压力传感器15、电阻转电压模块3、电压数据采集卡4、网络IO控制器5和上位机11，多个薄膜压力传感器15分别安装在不同监测管节2的承口端12之中，每一薄膜压力传感器15均通过导线与电阻转电压模块3相连，电阻转电压模块3、电压数据采集卡4、网络IO控制器5通过导线依次连接，网络IO控制器5与上位机11为无线连接，上位机11中配制设有组态软件。

所述补浆系统包括泥浆池10、注浆主管8以及注浆支管18、电磁阀7和继电器6，注浆主管8与泥浆池10连通，每一管节中均设有注浆支管18、电磁阀7和继电器6，注浆支管18与注浆主管8连通且电池阀7设置在两者之间的管路上，通过电磁阀7控制注浆支管18上所有的注浆口9，电磁阀7均通过导线与继电器6相连，继电器6通过导线与预警系统中的网络IO控制器5相连。

所述薄膜压力传感器15为阵列多点式，即一定面积的薄膜内包含多个压力感应点。不同薄膜压力传感器15的电压-压力标定函数通过标定试验获得。

所述薄膜压力传感器15的量程大于始发工作井内液压油缸17所提供的最大应力，因不同顶管工程的管节尺寸存在差异，选取量程时应按实际情况确定。

薄膜压力传感器15安装在监测管节2的承口端12之中，顶管施工过程中(顶管掘进机1与液压油缸17配合施工)，薄膜压力传感器15因受到后一管节的顶推力而发生电阻变化。

在不同监测管节2的承口端12之中，薄膜压力传感器15安装的木垫板16之前，且其前后两面均设有与其等面积的橡胶垫片14，其目的为保证所有传感器感应点能同时与监测管节2的承口端12和后一管节的插口端13接触，防止因承插接口局部出现空隙或局部不平整而接触不良，导致无法采集整个端面传递的顶力。所述橡胶垫片14的厚度为1-2mm，橡胶垫片14采用胶接贴附固定在薄膜压力传感器15上。

本实施例中，橡胶垫片14采用环氧树脂胶或玻璃胶固定在薄膜压力传感器15上。

所述监测管节2根据顶管工程实际情况所选取，理想状况下，顶管工程使用的全部管节都可以作为监测管节2，但顶进距离较长时应尽量布置多个监测管节2，区域管节的管周摩阻力测量越精准，而顶进距离较短时，可以适当减少监测管节2。

所述网络IO控制器5需支持模拟量输入和数字量输出，输入与输出的接口数一致，现市面可采购接口最多的RTU达8AI接口(Analog Input)+8DO接口(Digital Output)，可以搭建含8根注浆支管18的补浆系统。

本实施例中，网络IO控制器5为4G网络IO控制器。

网络IO控制器5呼叫调试：插入4G物联网卡，接通电源后在上位机11打开组态软件进行设备配置，呼叫连接后设定DO触发阈值。

所述上位机11应具有实时连续工作的性能，考虑顶管长时间施工且中途不间断的特点，不宜采用电脑工作站。组态软件包含以下功能：读写并保存网络IO控制器5传输的电压模拟量信号，基于电压-压力标定函数进行数字拟合运算，得出区域管节摩阻力返回至其界面，并发送逻辑指令。

上述技术方案，还包括云平台服务器，云平台服务器与网络IO控制器5为无线连接，通过云平台服务器实现PC端和手机端的远程观测。

需要说明的是，下放管节通常会断电30～60min，为保证停工断电时仍继续采集数据，采用锂电池为薄膜压力传感器15、电阻转电压模块3、电压数据采集卡4、网络IO控制器5、继电器6持续供电，锂电池外接三级变电箱充电。

请参阅图1-3所示，基于上述系统，一种智能预警式顶管区域管节补浆方法，包括如下步骤：

S1、对多个薄膜压力传感器15进行标定试验，获得每一薄膜压力传感器15的电压-压力标定函数文件；

所述标定试验基于竖向加载仪19、设置在竖向加载仪19上的张拉压力传感器20以及通过导线依次相连的电阻转电压模块3、电压数据采集卡4和上位机11进行，标定试验包括如下步骤：

S1.1、制作两块混凝土底板21，制作混凝土底板21的水泥与制作顶管工程所用管节的水泥相同，混凝土底板21的面积与需要标定的薄膜压力传感器15一致，混凝土底板21的厚度大于10cm；一般的，浇注成型的混凝土管节的强度为C50；

S1.2、选取顶管工程所用木垫板16一块，木垫板16的面积与需要标定的薄膜压力传感器15一致；一般的，顶管施工现场所用木垫板16为三合板；

S1.3、选取橡胶垫板14两块，橡胶垫板14的面积与需要标定的薄膜压力传感器15一致，橡胶垫板14的厚度为1-2mm；

S1.4、放置一块混凝土板底板21在平整的桌面上，然后依次将一块橡胶垫14、薄膜压力传感器15、另一块橡胶垫14、木垫板16放置在该混凝土底板21上，最后放置另一块混凝土底板21，混凝土板底板21、橡胶垫14、薄膜压力传感器15、木垫板16均平齐，并将需要标定的薄膜压力传感器15通过导线与电阻转电压模块3相连；

S1.5、采用竖向加载仪19向混凝土底板21正上方施加额定荷载，通过竖向加载仪19上的张拉压力传感器20控制荷载大小，初始荷载为薄膜压力传感器15最大量程对应的压力值；

S1.6、施加额定荷载后观察上位机11的输出值，基本稳定时读取对应的电压值，得到混凝土底板21夹持下薄膜压力传感器15在该额定荷载的电压值；一般的，施加额定荷载30S后再读取电压值；

S1.7、分级减载至下一额定荷载，减载幅度应小于0.2倍初始荷载以得到更多拟合点，并重复步骤S1.6；

S1.8、减载至0N后，保存并拟合标定数据，存储为电压-压力标定函数文件。

标定试验完成后，将两块橡胶垫板14平齐贴附固定至薄膜压力传感器15前后两面；

S2、选取监测管节2，每一监测管节2下放至工作始发井之前，将其一标定后的薄膜压力传感器15贴附设置在该管节的承口端12的木垫板16上，使薄膜压力传感器15覆盖整个承口端12端面；

S3、在顶管施工过程中，将电阻转电压模块3、电压数据采集卡4、网络IO控制器5的AI接口通过导线依次连接，将网络IO控制器5与上位机11无线连接；每一监测管节2下放并完全顶进后，将该监测管节2的承口端12之中的薄膜传感器15与电阻转电压模块3通过导线相连，并通电工作，薄膜压力传感器15输出的电阻信号经过电阻转电压模块3输出为电压模拟信号并由电压数据采集卡4整合处理，最后由网络IO控制器5将电压模拟信号传输至地面的上位机11(网络IO控制器5与上位机11通过配置modbus RTU协议建立通信)；每一管节下放并完全顶进后，将注浆主管8的总阀关闭，在每一管节中安装注浆支管18，并将其与注浆主管8连通，同时，在注浆主管8与注浆支管18之间安装电磁阀7，并将电池阀7、继电器6、网络IO控制器5的DO接口通过导线依次连接；

S4、在上位机11中，调用每一薄膜压力传感器15的标定函数文件，将电压模拟信号换算为压力值，两监测管节2中薄膜压力传感器15所测压力之差即为两监测管节2之间区域管节的摩阻力，实时显示在上位机11的界面上；

S5、在上位机11的组态软件中设定管周摩阻力预警值作为网络IO控制器5DO输出的触发条件，当出现实测摩阻力大于该数值时，组态软件自动发送控制信号给网络IO控制器5，触发继电器6通电打开该区域管节中所有注浆支管18的电磁阀7，实现区域管节自动补浆，直至实测摩阻力小于预警值，继电器6断电关闭电磁阀7，停止注浆。

管周摩阻力预警值参照下表选取：

本发明适用于圆形和矩形顶管施工中识别管周摩阻力较大的区域管节，并及时自动补浆，在泥浆易漏失地层、大断面、长距离等高难度顶管工程中具有极好应用前景。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。