(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 207937180 U(45)授权公告日 2018.10.02
(21)申请号 201820401611.0(22)申请日 2018.03.23
(73)专利权人 北京交通大学
地址 100044 北京市海淀区西直门外上园
村3号(72)发明人 袁大军 沈翔 吴俊 李兴高
潘东 金大龙 高振峰 金慧 (74)专利代理机构 北京市商泰律师事务所
11255
代理人 黄晓军(51)Int.Cl.
G01M 99/00(2011.01)G01L 5/00(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书5页 附图3页
(54)实用新型名称
用于盾构模型试验机的土压力监测系统(57)摘要
本实用新型提供了一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统。该系统包括：刀盘土压力传感器、泥水舱或土舱压力传感器、盾壳土压力传感器、管片土压力传感器、无线信号传输发射器、无线信号接收器、数据采集分析系统。土压力传感器分别嵌于刀盘面板上、盾壳泥水舱或土舱面板上、盾壳表面以及管片表面，一定量的传感器共用一个无线信号传输发射器，用于发射信号，无线接收器以电流信号输出，数据采集分析仪通过标定标准将电流信号转换成土压力数据，从而能够实时监测模型盾构机掘进过程中刀盘、泥水仓、盾壳和管片处的水土压力，并自行构成闭合反馈调节系统，控制泥浆泵工作状态以确保模型盾构机能够安全顺利推进。
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权 利 要 求 书
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1.一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统，所述盾构模型试验机包括刀盘、泥水舱或土舱、盾壳，其特征在于，所述系统包括：
多个刀盘土压力传感器，每个所述的刀盘土压力传感器分别固定安装于刀盘的面板上，用于测量刀盘与土之间的压力数值；
多个无线信号传输发射器，每个无线信号传输发射器通过电路连接一个或者多个刀盘土压力传感器，获取各个刀盘土压力传感器传输过来的压力数值，发射携带各个刀盘土压力传感器的压力数值的无线信号；
无线信号接收器，置于盾构模型试验机的外部，接收各个无线信号传输发射器发射的无线信号，将无线信号转换为电流信号，将电流信号输出给数据采集分析仪；
数据采集分析仪，置于盾构模型试验机的外部，将接收到的电流信号转换成对应的刀盘处的土压力数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：多个泥水舱或土舱土压力传感器，每个所述的泥水舱或土舱土压力传感器分别固定安装于泥水舱或土舱的隔板上，测量泥水舱或土舱内的泥水压力数值。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：多个盾壳土压力传感器，每个所述的盾壳土压力传感器分别固定安装于盾壳的表面上，测量盾壳与土之间的压力数值。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：多个管片土压力传感器，每个所述的管片土压力传感器分别固定安装于盾构模型试验机的管片的表面上，测量管片与土之间的压力数值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据采集仪有线电路连接所述盾壳土压力传感器、泥水舱或土舱隔板土压力传感器和管片土压力传感器，获取盾壳土压力传感器传输过来的盾壳处的土压力数值，获取泥水舱或土舱土压力传感器传输过来的泥水仓或土舱处的土压力数值，获取管片土压力传感器传输过来的管片处的土压力数值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，将所述无线信号发射器固定安装在盾构模型试验机的主驱动轴外侧，将所述刀盘土压力传感器安装在刀盘辐条上，将所述刀盘土压力传感器的信号线沿中空的主驱动轴中穿越泥水舱或土舱引出，并接于所述无线信号发射器上。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述刀盘土压力传感器、泥水舱或土舱土压力传感器、盾壳土压力传感器和管片土压力传感器通过胶水固定安装在安装孔上，所述胶水对所述安装孔进行密封。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述刀盘土压力传感器、泥水舱或土舱土压力传感器、盾壳土压力传感器和管片土压力传感器均呈中心对称分布。
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说 明 书
用于盾构模型试验机的土压力监测系统
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技术领域
[0001]本实用新型涉及盾构掘进技术领域，尤其涉及一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统。
背景技术
[0002]随着盾构技术在我国迅速发展，越来越多的隧道建造倾向于选择盾构施工。然而，面对这些复杂的水文和地质条件，盾构的掘进过程是动态多变和不确定的，许多因素都会影响掘进的安全性，因此需要开展室内模型试验加以研究。盾构模型掘进试验中土压力的监测十分重要，为研究盾构-土相互作用机理等相关理论，需要形成配套全面的监测控制系统。
[0003]目前，现有技术中还没有一种在盾构模型掘进试验中可同时监测刀盘、盾壳、管片压力变化的监测系统，特别是面对刀盘这种动态旋转的部件，有线的压力传感器无法布置。实用新型内容
[0004]本实用新型的实施例提供了一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统，以解决现有技术的问题。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。[0006]一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统，所述盾构模型试验机包括刀盘、泥水舱或土舱、盾壳，所述系统包括：[0007]多个刀盘土压力传感器，每个所述的刀盘土压力传感器分别固定安装于刀盘的面板上，用于测量刀盘与土之间的压力数值；[0008]多个无线信号传输发射器，每个无线信号传输发射器通过电路连接一个或者多个刀盘土压力传感器，获取各个刀盘土压力传感器传输过来的压力数值，发射携带各个刀盘土压力传感器的压力数值的无线信号；[0009]无线信号接收器，置于盾构模型试验机的外部，用于接收各个无线信号传输发射器发射的无线信号，将无线信号转换为电流信号，将电流信号输出给数据采集分析仪；[0010]数据采集分析仪，置于盾构模型试验机的外部，用于通过数据转换协议将接收到的电流信号转换成对应的刀盘处的土压力数据。[0011]进一步地，所述的系统还包括：[0012]多个泥水舱或土舱土压力传感器，每个所述的泥水舱或土舱土压力传感器分别固定安装于泥水舱或土舱的隔板上，用于测量泥水舱或土舱内的泥水压力数值。[0013]进一步地，所述的系统还包括：[0014]多个盾壳土压力传感器，每个所述的盾壳土压力传感器分别固定安装于盾壳的表面上，用于测量盾壳与土之间的压力数值。[0015]进一步地，所述的系统还包括：[0016]多个管片土压力传感器，每个所述的管片土压力传感器分别固定安装于盾构模型
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试验机的管片的表面上，用于测量管片与土之间的压力数值。[0017]进一步地，所述数据采集仪有线电路连接所述盾壳土压力传感器、泥水舱或土舱隔板土压力传感器和管片土压力传感器，获取盾壳土压力传感器传输过来的盾壳处的土压力数值，获取泥水舱或土舱土压力传感器传输过来的泥水仓或土舱处的土压力数值，获取管片土压力传感器传输过来的管片处的土压力数值。[0018]进一步地，将所述无线信号发射器固定安装在盾构模型试验机的主驱动轴外侧，将所述刀盘土压力传感器安装在刀盘辐条上，将所述刀盘土压力传感器的信号线沿中空的主驱动轴中穿越泥水舱或土舱引出，并接于所述无线信号发射器上。[0019]进一步地，所述刀盘土压力传感器、泥水舱或土舱土压力传感器、盾壳土压力传感器和管片土压力传感器通过胶水固定安装在安装孔上，所述胶水对所述安装孔进行密封。[0020]进一步地，所述刀盘土压力传感器、泥水舱或土舱土压力传感器、盾壳土压力传感器和管片土压力传感器均呈中心对称分布。
[0021]由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供了一种全方位的监测控制系统，能够对刀盘、泥水仓、盾壳和管片处的水土压力数据进行实时监测，确保盾构模型试验机能够安全掘进。
[0022]本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。附图说明
[0023]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
[0024]图1是本实用新型实施例提供的一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统的工作原理示意图；
[0025]图2是本实用新型实施例提供的一种刀盘土压力传感器的布置示意图；
[0026]图3是本实用新型实施例提供的一种泥水舱或土舱土压力传感器的布置示意图；[0027]图4是本实用新型实施例提供的一种盾壳土压力传感器的布置示意图；[0028]图5是本实用新型实施例提供的一种管片土压力传感器的布置示意图。
具体实施方式
[0029]下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0030]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们
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称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。[0031]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。[0032]为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。[0033]实施例一
[0034]为了解决现有技术缺少可同时监测刀盘、盾壳、管片压力变化的监测系统的问题，本实用新型实施例提供一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统，从而可以对实际盾构-土相互作用机理进行深入研究。[0035]盾构模型试验机包括刀盘9(掌子面)、泥水舱或土舱、盾壳。本实用新型实施例提供的一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统的结构示意图如图1所示，包括：[0036]多个刀盘土压力传感器1，每个刀盘土压力传感器1分别固定安装于刀盘的面板上，可监测刀盘与土的相互作用力，用于测量刀盘与土之间的压力数值；图2是本实用新型实施例提供的一种刀盘土压力传感器的布置示意图。仓或土舱、盾壳和管片处的水土压力数据。所述的刀盘土压力传感器的数量可以为16个，刀盘土压力传感器的布设方式可以呈中心对称分布。
[0037]多个泥水舱或土舱土压力传感器2，每个泥水舱或土舱土压力传感器2分别固定安装于泥水舱或土舱的隔板上，可测量泥水舱或土舱内的泥水压力；图3是本实用新型实施例提供的一种泥水舱或土舱土压力传感器的布置示意图。泥水舱或土舱土压力传感器的数量可以为8个，泥水舱或土舱土压力传感器2的布设方式可以呈中心对称分布。[0038]多个盾壳土压力传感器3，每个盾壳土压力传感器3分别固定安装于盾壳的表面上，可监测盾壳与土的相互作用力，测量盾壳与土之间的压力数值；图4是本实用新型实施例提供的一种盾壳土压力传感器的布置示意图。盾壳土压力传感器的数量可以为64个，盾壳土压力传感器的布设方式可以呈中心对称分布。[0039]多个管片土压力传感器4，每个管片土压力传感器4分别固定安装于模型管片的表面上，可监测管片与土的相互作用力；图5是本实用新型实施例提供的一种管片土压力传感器的布置示意图。管片土压力传感器的数量为16个，管片土压力传感器的布设方式可以呈中心对称分布。
[0040]多个无线信号传输发射器5，每个无线信号传输发射器5通过电路连接一个或者多个刀盘土压力传感器1，获取各个刀盘土压力传感器1传输过来的压力数值，发射携带各个刀盘土压力传感器1的压力数值的无线信号；[0041]无线信号接收器6，无线信号接收器6置于盾构模型试验机外部，用于接受各个无线信号传输发射器5发射的无线信号，并将无线信号转换为电流信号，将电流信号输出给数据采集分析仪7；
[0042]数据采集分析仪7，通过有线连接盾壳土压力传感器、泥水舱或土舱土压力传感器
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和管片土压力传感器，获取各个盾壳土压力传感器传输过来的盾壳处的土压力数值，获取各个泥水舱或土舱土压力传感器传输过来的泥水仓或土舱处的土压力数值，获取各个管片土压力传感器传输过来的管片处的土压力数值。
[0043]还通过数据转换协议将接收到的电流信号转换成刀盘处的土压力数据。[0044]实施例二
[0045]该实施例提供了一种用于盾构模型试验机的土压力监测系统的试验方法，包括以下步骤：[0046]S1：在盾构模型试验机的刀盘9上设置与刀盘土压力传感器相对应的尺寸的安装孔；在泥水舱或土舱10设置与泥水舱或土舱土压力传感器相对应的尺寸的安装孔；在盾壳上设置与盾壳土压力传感器相对应的尺寸的安装孔；在管片上设置与管片土压力传感器相对应的尺寸的安装孔。[0047]S2：将需要安装的刀盘土压力传感器1、泥水舱或土舱土压力传感器2、盾壳土压力传感器3和/或管片土压力传感器根据安装位置、尺寸大小进行分类，并对压力传感器进行编号。将刀盘土压力传感器1、泥水舱或土舱土压力传感器2、盾壳土压力传感器3和/或管片土压力传感器用安固特胶水安装在对应的安装孔上，此种胶水可保证安装有土压力传感器的安装孔的密封，高水压下水、土等杂质不能进入试验机内部。
[0048]本领域技术人员应能理解上述各个土压力传感器的安装方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的土压力传感器的安装方式如可适用于本实用新型实施例，也应包含在本实用新型保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。[0049]S3：将盾壳、泥水舱或土舱隔板、以及模型管片上安装的土压力传感器直接有线连接位于盾构模型试验机外部的数据采集仪。上述土压力传感器可以为土压力盒。[0050]S4：无线信号接收器6置于盾构模型试验机的外部，用于接收无线信号，并将无线信号转换为电流信号后，输出给数据采集分析仪7；[0051]S5：将无线信号发射器6牢固固定在盾构模型试验机的主驱动轴外侧，并将安装在刀盘辐条上的刀盘土压力传感器的信号线沿中空的主驱动轴中穿越泥水舱或土舱引出，并接于无线信号发射器6上；[0052]S6：将无线信号接收器6连接数据采集分析仪7，
[0053]无线信号传输发射器获取各个刀盘土压力传感器传输过来的压力数值，发射携带各个刀盘土压力传感器的压力数值的无线信号，所述无线信号接收器接收各个无线信号传输发射器发射的无线信号，通过zigBee Pro网络协议将携带压力数值的无线信号统一转换为成0-5mA的微电流信号，将电流信号输出给数据采集分析仪，所述数据采集分析仪通过多级现场标定，将微电流信号转换为刀盘处的土压力数据。根据得到的土压力数据对整个监测系统进行调试。
[0054]在实验过程中，可以将每个部位的压力传感器施加1kN的力，检测输出的压力信号是否正确，并记录数据存在异常的压力传感器的编号。[0055]S7：将泥水泵连接在数据采集分析仪上，由数据采集分析仪对所采集到的刀盘处的水土压力数值、泥水仓或土舱处的水土压力数值进行比对分析，然后反馈调整泥水泵的工作状态。若泥水仓或土舱处的水土压力数值高于刀盘处的水土压力数值，则减小泥水泵的流量；若泥水仓或土舱处的水土压力数值低于刀盘处的水土压力数值，则增大泥水泵的
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流量。从而保证泥水仓压力与刀盘压力保持动态平衡，从而确保盾构模型试验机能够安全掘进。
[0056]综上所述，本实用新型实施例提供了一种全方位的盾构模型试验机的土压力监测系统，能够对刀盘、泥水仓、盾壳和管片处的水土压力数据进行实时监测。同时由数据采集分析仪反馈控制泥水泵的工作状态，自行构成闭合反馈调节系统，控制泥水泵工作状态，以此确保泥水仓压力与掌子面压力保持动态平衡，从而确保盾构模型试验机能够安全掘进，成功解决了刀盘上的土压力盒数据传输的困难，实现了全方位的对盾构-土相互作用力的监测，拓宽了盾构模型掘进试验可研究范围。[0057]本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
[0058]本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。[0059]以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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