一种盾构机尾部密封压力监测结构及系统的制作方法

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1.本实用新型涉及盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构机尾部密封压力监测结构及系统。

背景技术：

2.盾构隧道因其具有对环境影响小、地层适应性强、机械化程度高等特点，被广泛应用于轨道交通、地下通道、综合管廊等城市地下空间的开发和利用。随着盾构施工技术的不断提升，大直径盾构隧道频繁穿越“江、河、湖、海”等水下复杂区域，地下高水压、隧道大埋深和盾构大直径施工等状况容易导致盾尾密封系统失效，甚至引发严重的涌水突泥事故，因此，通过对盾构机尾部密封压力进行动态监测和主动反馈，对保证水下盾构隧道的安全、高效施工具有重要意义。
3.盾尾密封系统的失效主要包括两个方面，一是在同步注浆的过程中，注浆泵送压力设置不合理，导致管片壁后浆液冲击盾尾刷破坏密封系统，二是盾壳外侧水土压力估测不准确，造成盾尾密封腔油脂的设防压力不足。
4.公开号为cn113431593a的实用新型专利申请《一种盾构机及其盾尾刷动态密封性能监测控制方法》，采用压力传感器以及监测磨损量和形变量的监测传感器来实时监测盾尾刷密封以及磨损情况，进而根据反馈的信息调节油脂注入量。该方法虽然一定程度上可以起到实时监测的效果，但其监测的形式较为单一，缺乏数据支撑，在精确度上仍有较大的不足。

技术实现要素：

5.实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种可保证盾构掘进过程中盾尾密封系统的动态平衡，进而降低施工风险的盾构机尾部密封压力监测结构、系统。
6.技术方案：本实用新型所述的盾构机尾部密封压力监测结构，包括盾壳、盾尾以及管片，还包括设于盾壳内侧的注浆口以及油脂注入口，注浆口连通有位于盾壳外侧的注浆管道，油脂注入口连通有位于盾壳内侧的注脂管道，盾尾与管片之间设有四道盾尾刷并形成有四个油脂密封腔，油脂注入口与注脂管道、油脂密封腔依次连通；
7.注浆管道的管壁内设有注浆压力传感器，每个油脂密封腔内分别设有油脂压力传感器，四个油脂压力传感器之间互相连接，盾壳的外侧设有水土压力传感器，水土压力传感器靠近第一个油脂密封腔。
8.在上述技术方案中，采用注浆压力传感器来监测出浆口处的注浆压力，采用油脂压力传感器来监测密封腔内的油脂压力，采用水土压力传感器来监测盾构掘进过程中外界水土压力，由此设计了一个整体的监测结构，实现了全方位、多角度的监测，提高了监测精度，进而保证后续整个系统的动态平衡，降低风险。
9.优选的，注浆口为多液注浆口，注浆口与注浆管道之间设有混合器，由此能够改进当前所使用的单液浆和双液浆的部分缺陷，提高了浆液的泵送性以及充填性。
10.所述的盾构机尾部密封压力监测系统，包括监测出浆口处注浆压力的注浆压力传感器、监测油脂密封腔内油脂压力的油脂压力传感器、监测盾构掘进过程中外界水土压力的水土压力传感器，还包括集成控制器控制的油脂泵以及注浆泵，水土压力传感器与集成控制器之间连接有第一压力采集卡，油脂压力传感器和注浆压力传感器与集成控制器之间连接有第二压力采集卡。
11.在上述技术方案中，设计了一套完整的系统实现对盾构机尾部密封压力的监测以及监测后的调节，密封压力包括盾壳外的水土压力、注浆压力以及密封腔内的油脂压力。
12.优选的，集成控制器通过压力伺服反馈装置对油脂泵和注浆泵进行控制，由此可实现对注入的油脂量以及浆液的量实现动态反馈调节。
13.有益效果：本实用新型与现有技术相比，其具有的优点：1、采用合理设计的多个传感器进行监测，提高了监测精度，进而保障了信息反馈精度以及调节效果；2、可实现对注浆压力以及油脂密封腔压力的动态反馈调节，保障了盾构掘进过程中盾尾密封系统的动态平衡，降低了施工风险。
附图说明
14.图1为本实用新型盾构隧道开挖过程中水土压力分布示意图；
15.图2为本实用新型盾尾结构横截面示意图；
16.图3为图2中a-a剖面示意图；
17.图4为本实用新型压力控制系统的示意图；
18.图5为本实用新型压力反馈调节方法的流程图；
19.1-刀盘、2-盾壳、21-盾壳外层、22-盾壳内层、3-管片、4-盾尾、5-注浆口、51-注浆管道、52-注浆压力传感器、53-混合器、54-出浆口、55-注浆泵、6-油脂注入口、61-注脂管道、62-盾尾刷、631/632/633/634-油脂密封腔、64-油脂压力传感器、641-传感器连接线、65-油脂泵、7-水土压力传感器、71-第一压力采集卡、8-第二压力采集卡、9-压力伺服反馈装置、10-集成控制器。
具体实施方式
20.下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。
21.如图1所示，所述的盾构机尾部密封压力监测结构，包括盾壳2、盾尾4以及管片3。盾构在水下地层施工的过程中，刀盘1通过旋转切削土体在盾壳2的保护下不断向前推进，同时通过及时拼装的管片3支护开挖空间。
22.在盾壳2的后方，与管片3的交接位置即为盾尾4，盾尾4的密封压力包括盾壳2 外的水土压力(p
水
+p
土
)、注浆压力(p
注
)和密封腔内的油脂压力(p
油
)，本实施例中的盾构为大直径盾构(直径≥10m)，因此刀盘1承受的水压力(p
水
)和土压力(p 土
)是沿竖直径向呈梯状分布的，自上而下压力值逐渐增大。
23.如图2所示，盾壳2包括盾壳外层21和盾壳内层22，在盾尾4处，沿着盾壳内层 22环向均匀分布有多组注浆口5和油脂注入口6(仅画出一组，见b局部放大)，注浆口5又包含了三个浆液注入口，油脂注入口6则具有四个注入通道。
24.对于大直径盾构而言，刀盘1底部承受的水土压力(p
水
+p
土
)大于刀盘1的顶部，因此
位于盾壳2底部的盾尾4处的密封系统更加容易发生防水失效现象。为了更加有针对性地监测盾尾密封压力并进行反馈调节，选择在盾壳内层22沿环向重点选取部分(标号为(1)-(16))注浆口5和油脂注入口6作为监测点进行压力传感器的布设以及压力精准监测，盾壳2下半部分的监测点数量明显多于上半部分的数量。
25.如图3所示，注浆口5连通有位于盾壳外侧的注浆管道51，油脂注入口6连通有位于盾壳内侧的注脂管道61，盾尾4与管片3之间设有四道盾尾刷62并形成有四个油脂密封腔631/632/633/634，油脂注入口6与注脂管道61、油脂密封腔依次连通。
26.在注浆管道51的内壁设有监测出浆口54处注浆压力(p
注
)的注浆压力传感器52，每个油脂密封腔内分别设有监测油脂压力(p
油
)的油脂压力传感器64，四个油脂压力传感器64之间通过传感器连接线641相互连接，盾壳2的外侧设有水土压力传感器7，其靠近第一个油脂密封腔631，并监测盾构掘进过程中外界水土压力(p
水
+p
土
)。
27.如图4所示，该图为本实用新型所述的盾构机尾部密封压力监测系统的示意图，其包括注浆压力传感器52、油脂压力传感器64、水土压力传感器7、集成控制器10以及其通过压力伺服反馈装置9控制的油脂泵65、注浆泵55，水土压力传感器7和集成控制器10之间连接有第一压力采集卡71，油脂压力传感器64和注浆压力传感器52与集成控制器10之间连接有第二压力采集卡8。
28.如图5所示，该系统的反馈调节方法包括以下步骤：
29.(1)集成控制器10通过压力伺服反馈装置9对油脂泵65发出指令调节油脂密封腔内的油脂压力，使得p
油
＞p
水
+p
土
，保证盾壳2外侧的水土介质不会冲击进入油脂密封腔冲击盾尾刷62，避免盾尾密封系统失效，保持盾构压力平衡；
30.(2)集成控制器10通过压力伺服反馈装置9对注浆泵55发出指令，调节注浆管道51内的注浆压力，使得p
油
＞p
注
＞p
水
+p
土
，保证了注浆管道51内的浆液既可以抵抗外界的水土压力渗透到围岩地层中去，又避免了因注浆压力过大造成浆液反渗到油脂密封腔，进而实现盾构压力的动态平衡和盾尾密封的稳定。
31.上述方案通过对水土压力的精准监测，不仅动态调节了注浆压力和密封腔油脂压力的大小，对于浆液和油脂的泵送量也进行了精确控制，有效降低了浆液损耗和油脂损耗。同时，还可以指导盾构掘进参数的调整。

技术特征：

1.一种盾构机尾部密封压力监测结构，包括盾壳、盾尾以及管片，其特征在于，还包括设于所述盾壳内侧的注浆口以及油脂注入口，所述注浆口连通有位于所述盾壳外侧的注浆管道，所述油脂注入口连通有位于所述盾壳内侧的注脂管道，所述盾尾与所述管片之间设有四道盾尾刷并形成有四个油脂密封腔，所述油脂注入口与所述注脂管道、所述油脂密封腔依次连通；所述注浆管道的管壁内设有注浆压力传感器，每个所述油脂密封腔内分别设有油脂压力传感器，四个所述油脂压力传感器之间互相连接，所述盾壳的外侧设有水土压力传感器，所述水土压力传感器靠近第一个所述油脂密封腔。2.根据权利要求1所述的盾构机尾部密封压力监测结构，其特征在于，所述注浆口为多液浆注浆口，所述注浆口与所述注浆管道之间设有混合器。3.一种盾构机尾部密封压力监测系统，其特征在于，包括监测出浆口处注浆压力的注浆压力传感器、监测油脂密封腔内油脂压力的油脂压力传感器、监测盾构掘进过程中外界水土压力的水土压力传感器，还包括通过集成控制器控制的油脂泵以及注浆泵，所述水土压力传感器与所述集成控制器之间连接有第一压力采集卡，所述油脂压力传感器和所述注浆压力传感器与所述集成控制器之间连接有第二压力采集卡。4.根据权利要求3所述的盾构机尾部密封压力监测系统，其特征在于，所述集成控制器通过压力伺服反馈装置对所述油脂泵和注浆泵进行控制。

技术总结

本实用新型公开了一种盾构机尾部密封压力监测结构及系统，该系统包括监测出浆口处注浆压力的注浆压力传感器、监测油脂密封腔内油脂压力的油脂压力传感器、监测盾构掘进过程中外界水土压力的水土压力传感器，还包括集成控制器控制的油脂泵以及注浆泵，集成控制器通过压力伺服反馈装置对油脂泵和注浆泵进行控制；本方案实现了对注浆压力和油脂密封腔压力的动态反馈调节，保证了盾构掘进过程中盾尾密封系统的动态平衡，有效降低了水下大直径盾构隧道施工风险，减小了工程经济损失。减小了工程经济损失。减小了工程经济损失。