一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统技术方案

一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，属于隧道盾构施工技术领域。系统包括滚刀法向荷载测量与无线发射装置、刀盘转角位移测量与无线发射装置、中央控制器、自适应抗偏载推进系统；在滚刀刀箱侧板的滚刀安装槽设置压电荷载监测装置，压电荷载监测装置获得的电信号通过无线发射装置进行传输；在刀盘旋转轴位置安装角位移传感器，角位移传感器信号通过无线发射装置进行传输；中央控制器包括滚刀法向荷载信号无线接收装置、角位移传感器信号无线接收装置、监测数据实时显示系统、偏载计算系统、推进系统控制系统；本发明专利技术可以对盾构机姿态进行定量的实时控制；盾构机偏载可以通过刀盘上的滚刀进行检测，且在中央控制器的显示器上实时显示。器上实时显示。器上实时显示。

【技术实现步骤摘要】
一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统


[0001]本专利技术属于隧道盾构施工
，具体涉及一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统。

技术介绍

[0002]盾构机在软硬复合地层掘进时，由于地质条件复杂多变，盾构刀盘受力极不均匀，盾构在不平衡荷载作用下易发生姿态偏离设计轴线。在地质勘查阶段，无法完全掌握地层条件，某些地层中存在一些风化程度较低的孤石，严重威胁着盾构机的正常运营。实际盾构施工过程中，盾构姿态的控制主要由盾构司机根据经验对推进系统进行设置，从而对盾构姿态进行控制。盾构姿态不良严重时容易导致盾尾管片破裂、压溃、拼装处漏水，甚至引起地面隆起或沉陷。因此，有必要提出一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现行盾构姿态控制依赖经验、地质不透明易导致盾构姿态不良的问题，提供一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0005]一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，所述系统包括滚刀法向荷载测量与无线发射装置、刀盘转角位移测量与无线发射装置、中央控制器、自适应抗偏载推进系统；
[0006]所述滚刀法向荷载测量与无线发射装置具体为：在滚刀刀箱侧板的滚刀安装槽设置压电荷载监测装置，压电荷载监测装置获得的电信号通过无线发射装置进行传输；
[0007]所述刀盘转角位移测量与无线发射装置具体为：在刀盘旋转轴位置安装角位移传感器，角位移传感器信号通过无线发射装置进行传输；
[0008]所述中央控制器包括滚刀法向荷载信号无线接收装置、角位移传感器信号无线接收装置、监测数据实时显示系统、偏载计算系统、推进系统控制系统；
[0009]所述自适应抗偏载推进系统具体为：均匀分布N个千斤顶，每个千斤顶均安装有液压换向阀，通过液压控制电路，实现每个液压缸输出力的开关。
[0010]本专利技术相对于现有技术的有益效果为：本专利技术可以克服常规盾构机基于盾构司机经验进行控制的缺点，对盾构机姿态进行定量的实时控制；盾构机偏载可以通过刀盘上的滚刀进行检测，且在中央控制器的显示器上实时显示。本专利技术的应用，能够减少盾构纠偏或脱困耽误的工期，节省成本，提高盾构隧道的施工质量。
附图说明
[0011]图1为盾构机坐标系示意图；
[0012]图2为本专利技术系统工作示意图；
[0013]图3为带压电荷载监测装置的滚刀刀箱示意图；
[0014]图4推进系统荷载传递特性指标优化流程图；
[0015]图5为实施例1的千斤顶开关状态示意图；
[0016]图6为实施例2的千斤顶开关状态示意图；
[0017]图7为实施例3的千斤顶开关状态示意图；
具体实施方式
[0018]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。
[0019]具体实施方式一：本实施方式记载的是一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，所述系统包括滚刀法向荷载测量与无线发射装置、刀盘转角位移测量与无线发射装置、中央控制器、自适应抗偏载推进系统；
[0020]所述滚刀法向荷载测量与无线发射装置具体为：在滚刀刀箱侧板的滚刀安装槽设置压电荷载监测装置，压电荷载监测装置获得的电信号通过无线发射装置进行传输；
[0021]所述刀盘转角位移测量与无线发射装置具体为：在刀盘旋转轴位置安装角位移传感器，角位移传感器信号通过无线发射装置进行传输；
[0022]所述中央控制器包括滚刀法向荷载信号无线接收装置、角位移传感器信号无线接收装置、监测数据实时显示系统、偏载计算系统、推进系统控制系统；
[0023]所述自适应抗偏载推进系统具体为：均匀分布N个千斤顶，每个千斤顶均安装有液压换向阀，通过液压控制电路，实现每个液压缸输出力的开关。可以在原有分区不变的情况下，实现千斤顶的非对称布局，各分区工作的千斤顶的推力相等。
[0024]具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，所述压电荷载监测装置为压电陶瓷。
[0025]具体实施方式三：具体实施方式一或二所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，所述角位移传感器采用非接触式设计，减少传统角位移传感器采用滑环、叶片、接触式游标、电刷等易磨损的活动部件的前提下保证测量精度，提高了长期可靠性。
[0026]具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，所述监测数据实时显示系统具体为：建立大地坐标系XOY，通过常规盾构机中安装的倾角仪监测盾构机滚动角α，从而建立盾构机局部坐标系X
’
OY
’
；以刀盘圆心为坐标原点，建立刀盘局部极坐标系，滚刀安装位置β
i
，r
i
分别为滚刀坐标极角和极径；通过刀盘转角位移测量装置获得刀盘旋转角通过坐标变化，获得各个滚刀在大地坐标系中的坐标，每隔时间t进行一次测量，将各个滚刀实时位置与法向荷载显示在中央控制器的显示屏上。
[0027]具体实施方式五：具体实施方式四所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，根据下式计算盾构刀盘偏载力矩M
x
和M
y
：
[0028][0029]其中，M
x
为盾构刀盘绕水平轴x的偏载力矩；M
y
为盾构刀盘绕竖轴y的偏载力矩；FN
i
为第i个滚刀法向荷载；n为刀盘安装滚刀总数；r
i
为第i个滚刀离刀盘中心的距离；β
i
为第i个滚刀在刀盘局部极坐标系上的极角坐标；为刀盘旋转角。
[0030]具体实施方式六：具体实施方式五所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，当盾构掘进地层发生变化时，盾构刀盘偏载力矩势必发生突变，当盾构刀盘偏载力矩增量达ξM
x
或ξM
y
时(其中ξ为给定的比例系数，因工程而异)，触发自适应抗偏载推进系统进行相应的千斤顶推力调整程序。力矩通过角位移传感器和压电荷载监测装置的电信号监测数据在程序中自动计算，通过力矩增量判断命令，在程序触发千斤顶推理调整程序。
[0031]具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：N个千斤顶均匀分布，并进行分区，分区原则为上少下多、左右对称。以常用的四分区为例，各分区千斤顶数量分别为N1、N2、N3、N4。
[0032]具体实施方式八：具体实施方式一或七所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：每个所述千斤顶的开关与输出荷载按照以下步骤进行寻优求解：
[0033]步骤一：各千斤顶的开关用s
i
表示，当为1时，表明该千斤顶处于工作状态，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：所述系统包括滚刀法向荷载测量与无线发射装置、刀盘转角位移测量与无线发射装置、中央控制器、自适应抗偏载推进系统；所述滚刀法向荷载测量与无线发射装置具体为：在滚刀刀箱侧板的滚刀安装槽设置压电荷载监测装置，压电荷载监测装置获得的电信号通过无线发射装置进行传输；所述刀盘转角位移测量与无线发射装置具体为：在刀盘旋转轴位置安装角位移传感器，角位移传感器信号通过无线发射装置进行传输；所述中央控制器包括滚刀法向荷载信号无线接收装置、角位移传感器信号无线接收装置、监测数据实时显示系统、偏载计算系统、推进系统控制系统；所述自适应抗偏载推进系统具体为：均匀分布N个千斤顶，每个千斤顶均安装有液压换向阀，通过液压控制电路，实现每个液压缸输出力的开关。2.根据权利要求1所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：所述压电荷载监测装置为压电陶瓷。3.根据权利要求1或2所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：所述角位移传感器采用非接触式设计。4.根据权利要求1所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：所述监测数据实时显示系统具体为：建立大地坐标系XOY，通过常规盾构机中安装的倾角仪监测盾构机滚动角α，从而建立盾构机局部坐标系X
’
OY
’
；以刀盘圆心为坐标原点，建立刀盘局部极坐标系，滚刀安装位置β
i
，r
i
分别为滚刀坐标极角和极径；通过刀盘转角位移测量装置获得刀盘旋转角通过坐标变化，获得各个滚刀在大地坐标系中的坐标，每隔时间t进行一次测量，将各个滚刀实时位置与法向荷载显示在中央控制器的显示屏上。5.根据权利要求4所述的一种软硬复合地层盾构掘进自适应抗偏载系统，其特征在于：根据下式计算盾构刀盘偏载力矩M
x
和M
y
：其中，M
x
为盾构刀盘绕水平轴x的偏载力矩；M
y
为盾构刀盘绕竖轴y的偏载力矩；FN
i
为第i个滚刀法向荷载；n为刀盘安装滚刀总数；r
i
为第i个滚刀离刀盘中心的距离；β
i
为第i个滚刀在刀盘局部...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔祥勋，唐亮，凌贤长，陈宏伟，杜有超，张文魁，赵香萍，丛晟亦，田爽，李博宇，
申请(专利权)人：中铁十七局集团有限公司中铁十二局集团有限公司中交第一航务工程局有限公司哈尔滨工业大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：