专利名称：顶管机注浆自动控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及隧道施工用顶管机的注浆系统，特别涉及一种顶管机注桨 自动控制装置及方法。
背景技术：
地下隧道工程施工中，在由顶管机顶入并前后衔接的各管节与土体之 间需要进行注桨，形成泥浆套，以减少管节与土体间的阻力，同时填充顶 进施工形成的管节与土体之间的空隙，从而控制地面沉降，保证顶管机的 顺畅推进。这项工作是由顶管机的注浆系统来完成的。
现有顶管机的注浆系统由贮浆池、注浆泵、注浆总管、注浆分管、手
动阀组成，请参阅图1和图2现有顶管机注浆系统结构简图。所述贮浆池 和注浆泵设于地面上(图中未示出)，所述注浆总管Ol由地面上铺设通向 各管节05，沿每个管节05的环周均设置有一注浆分管02，每一注浆分管 02都连接有若干手动阀03通向预埋在管节05预制件上的各注浆口 04。
现有顶管机注浆系统的运行过程完全由人工控制、手工操作。当顶管 机推进一段距离后，现场施工人员根据判断部分管节05需要注衆时，就首 先关闭除需要注浆管节05之外所有其它管节的注浆分管02上的手动阀03， 随后人工打开注浆泵，浆液就自贮浆池沿注浆总管01进入到注浆分管02 内，在需要注浆的管节05上再按顺序依次手工打开注浆分管02上各个手 动阀03，于是浆液就开始从注浆分管02依次向各注浆口 04内注浆。注浆 时，每次开启的手动阀03的数量不可过多，约两个左右，以免每个注浆口 04所分配到的注浆压力过低而造成注浆效果不好。注浆过程中由现场施工 人员凭经验观察判断该注浆点的注浆情况，若注浆己完成，则关闭该注浆口 04的手动阀03停止注浆，再顺序打开该管节05后面注桨口 04上的手 动阀03，依次对后面的注浆口 04进行注浆，直至完成该管节05上所有注 浆口 04的注浆。依此循环完成下一管节的注浆，在所有管节的注浆结束后， 关闭注浆泵，从而完成整个注浆过程。
现有顶管机注浆系统完全由人工判断决定何时何处开启注浆、注浆持 续时间等，同时采用手工操作注浆泵和各注浆口 04手动阀03的开启关闭， 因此其不仅存在有过度依赖操作人员主观判断而出现由于现场人员疏忽所 导致的浆液溢出或注浆量不足，从而无法很好地控制地面沉降的缺点，而 且地面上注浆泵的操作人员与地下手动阀03的操作人员之间沟通的困难和 不及时、多个注浆手动阀03的人工操作方式等均给现有顶管机注浆系统带 来了反应速度慢、操作效率低、施工周期长和协调指挥难的缺陷。
发明内容
本发明所要的解决的问题在于克服现有技术的不足，提供一种顶管机 注浆自动控制装置，其采用注浆口压力作为监测参数，自动完成顶管机注 浆全过程，能够避免人为控制失误，稳定注浆压力，保证泥浆套的形成， 达到顶管机推进顺畅、有效控制地面沉降的效果，从而具有响应快、效率
高的优点。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下
一种顶管机注浆自动控制装置，包括有连通地面贮浆池和压浆泵的注 浆总管、沿每一管节环周设置且连通注浆总管的注浆分管、若干注浆组件 和一控制组件，所述注浆组件与管节注浆口一一对应地设置于连通该注浆 口的注浆分管末端，其包括有连通注浆分管的两并联的注浆支管， 一注浆 支管上依次设置有用以通断注浆支管的气动阀和用以检测注浆压力的压力 传感器，另一注浆支管上设置有手动阀，所述控制组件包括有工控机、输入模块和输出模块，该工控机分别与输入模块和输出模块电连接，其能够 预设各注浆口压力值及其偏差范围并进行数值的运算和储存，该输入模块 与所述压力传感器相连接，其将该压力传感器输入的压力信号转换成数字 信号并传递给工控机，该输出模块与所述气动阀相连接，其将工控机传递 来的数字信号转换成触发信号以控制气动阀的开闭。
本发明所述顶管机注浆自动控制装置的注浆组件还包括有单向阀和检 修阀，该单向阀设于所述气动阀与压力传感器之间，其只允许浆液在注浆 分管内向注桨口单向流动，该检修阀设于所述压力传感器与两注浆支管的 并联接头之间，其能够开通或截断所在注浆支管；所述控制组件还包括有
用作人机对话界面的显示元件，该显示元件连接于工控机上；所述工控机
能够将输入模块输入的注浆压力值与预设压力值相比较，若该注浆压力值 大于预设压力值与偏差范围之和，则工控机向输出模块输出关闭气动阀的 信号，若该注浆压力值小于预设压力值与偏差范围之差，则工控机向输出
模块输出打开气动阀的信号；所述输入模块为PCI-6224，所述输出模块为 PCI-6516。
一种采用所述顶管机注浆自动控制装置进行自动注浆的方法，其具体
实施步骤如下
1、 系统启动，设备自检；
2、 检测注浆压力，存储和显示数据；
3、 选择控制模式，若选定自动模式，则直接实施第5步，若选定手动 模式，则实施第4步；
4、 采用手动方式进行注浆；
5、 采用自动方式进行注桨
a、在工控机中预设注浆压力和偏差范围b、工控机对检测的注桨压力值和预设压力值进行比较并作出判断， 然后输出打开或关闭气动阀的信号
C、气动阀根据输出信号打开或关闭，以实现开始或停止对注浆口
的注浆。
与现有顶管机注浆系统相比较，本发明所述的顶管机注浆自动控制装 置增加有设置于注浆口的注浆组件和用以控制该注浆组件的控制组件，该 注浆组件含有用以检测注浆压力的压力传感器和用以通断注桨支管的气动 阀，该控制组件含有预设了各注浆口压力值及其偏差范围并且能够进行数 值运算和储存的工控机。所述顶管机注浆自动控制装置在工作时，工控机 能够通过压力传感器监测各注浆口的压力值，并将之与事先设定的允许压 力范围进行比较，然后根据结果对气动阀进行控制开关的自动操作，从而 实现了顶管机以注浆压力为控制参数自动完成注浆的全部过程。本发明与 现有技术相比，具有如下优点
1、 注浆过程无需现场人工看管和操作，大大减轻了操作人员的工作压 力，减少了人为疏忽造成的注浆量控制不好的情况，避免了由此可能导致 的地面沉降等危险的发生，有效地控制了地面和管线沉降。
2、 本发明通过现场监测所反馈的注浆出口压力值，自动对各注浆口的 注浆进行控制，因而能够将注浆压力稳定地控制在预定的状态下，避免人 为控制注浆的误差，从而保证了泥浆套的形成质量及其保持，减小了顶进 过程中管节与外界的摩擦，降低了顶进的摩阻力，改善了顶管机的推进环 境，使之推进更加顺畅，保障了顶管机的正常运作。
3、 本发明实现了注浆的全自动过程，因而免除了对地面上下操作人员 的繁复协调过程，克服了传统人工操作反应较慢的缺点，提高了整个注浆 系统的应变速度，大大地提升了顶管机注浆施工效率。4、预设压力值可根据地面沉降实际情况进行调整，从而有效控制地面 沉降。将地面顶管机行进沿线的地表沉降数据输入计算机并与预设压力值 进行比较，若地面发生沉降则表明预设压力值偏小，若地面发生隆起则说 明预设压力值过高。
此外，本发明注浆组件的注浆支管上设置有检修阀和手动阀，能够在 自控系统失效或检修调试等特殊情况下实现注桨的手动控制，因此所述顶 管机注浆自动控制装置可以依照现场需求自由切换自动或手动控制注浆， 从而提高了整个系统的适应能力。另外，本发明控制组件的工控机具有数 据储存功能并连接有能够人机对话的显示元件，因而其能够在运行的同时 将系统发生的注浆压力及环境监测等实时数据同步记录并显示出来，以提 供现场操作人员作为处置的依据以及日后用作查询和分析的工程技术数 据。
总之，本发明所述的顶管机注浆自动控制装置以注浆压力为控制参数 实现了顶管机的自动注浆过程，具有自动化程度高、响应快、注浆压力稳 定、施工效率高的优点，从而达到了保证泥浆套的质量、顶管机推进顺畅、 有效控制地面沉降的有益效果。
图1是现有顶管机注浆系统的结构示意图。
图2是图1的截面示意图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明中注浆组件的结构图。
图5是本发明的工作流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。首先请参阅图3本发明的结构示意图，图示顶管机注浆自动控制装置 包括有连通贮浆池和压浆泵的注浆总管1、连通注浆总管的注浆分管2、若
干注浆组件20和一控制组件10。该贮浆池和压浆泵设置于地面上(图中未
示出)，该注浆总管l由地面通向位于地下的已由顶管机完成顶入的前后衔
接的隧道各管节(图3中未示出，可参考图l)，贮浆池用以储存配制好的
注浆材料，压浆泵提供顶管机注浆动力，注浆总管1为传输注浆材料的总
管路；在每一管节处由注浆总管1上分支出一注浆分管2，该注浆分管2 沿所在管节的环周设置且通入管节的各注浆口 4;所述若干注浆组件20设 置于连通每一注浆口 4的注浆分管2的末端，每一注浆口 4处设有一注浆 组件20，即注浆组件20与管节注浆口4一一对应；所述控制组件10安装 在一控制柜内，其连接并控制所有注浆组件20，该控制柜尺寸宽为 1100mm，其固定在管节右下角底部一 300mm高的安装平台上，该平台边 缘离管节内壁留有400mm空间。
现请结合参阅图4注浆组件的结构图，图4左侧为注浆总管1，右侧为 注浆口 4，图示注浆组件20包括有连通注浆分管2的两注浆支管21和22， 该两注浆支管21和22并联于注浆分管2上的前并联接头5与后并联接头6 之间。 一注浆支管21上由注浆总管1向注浆口 4的方向依次设置有气动阀 23、单向阀25、压力传感器24和检修阀26，上述各元件应安装在同一空 间平面内，该平面与注桨口 4所在管节壁相平行，从而尽量避免元件的突 出部分占用额外的空间，以减少注浆组件20被碰擦损坏的危险，另一注浆 支管22上设置有手动阀3。所述气动阀23由压縮空气驱动，用以开通和截 断注浆支管21，是注浆的执行机构，其连接有通入压縮空气的气管27，该 气动阀23具有用以控制驱动空气的电磁式气路控制开关，该开关可以由自 动控制信号触发，也可以由人工操作触发。所述单向阀25设于气动阀23与压力传感器24之间，其只允许浆液在注桨分管21内向注浆口 4单向流 动，该单向阀25是注浆过程中用于防止外部土层中的物质倒灌入注浆总管 l的安全装置。所述压力传感器24用以检测注浆口4处的注浆压力，即检 测外部土层泥浆套的压力，气动阀23关闭时压力传感器24仍能正常监测 该注浆口 4泥浆套压力的实时变化值。所述检修阀26设于压力传感器24 与两注浆支管的后并联接头6之间，其能够开通或截断所在注浆支管21， 该检修阀26为一手动阀，主要在设备检修或调试时用于切断注浆支管21 以停止注浆。所述注浆支管22上的手动阀3能够人工操作以开通或截断所 在注浆支管22，其能够在关闭自动注浆的注浆支管时实现手动注浆。总之， 整个注浆组件20具有两条并联的注浆通路，必要时能够利用检修阀26和 手动阀3的不同开闭状态进行自动注浆与手动注浆的切换，在因部分器件 损坏而导致自动注桨系统无法运行时，为系统的安全提供了保障。
再请参阅图3，图示顶管机注浆自动控制装置的控制组件10包括有工 控机11、输入模块12、输出模块13和显示元件14。所述工控机11分别与 输入模块12、输出模块13以及显示元件14进行电连接，其能够进行数值 的运算和储存，并且在其中能够预先设定需要控制的各注浆口的压力值及 其偏差范围。所述输入模块12与所述注浆组件20的压力传感器24相连接， 其将该压力传感器24所检测到并输入的注浆口 4处的实时注浆压力信号转 换成数字信号，随后传递给工控机ll;本实施例中，该输入模块12采用了 NI公司的32点模拟量输入模块PCI-6224。所述输出模块13与所述注浆组 件20的气动阀23相连接，其能够将工控机11传递来的数字信号转换成触 发信号，并以该触发信号触动气动阀23的电磁式气路控制开关，从而使气 管27中的压縮空气驱动且控制气动阀23的开闭；本实施例中，该输出模 块13采用了 NI公司的32点输出模块PCI-6516。所述工控机11能够将输入模块12输入的注浆压力值与预设压力值相比较，若该注浆压力值大于预
设压力值与偏差范围之和，则工控机11向输出模块13输出关闭气动阀23
的信号，若该注浆压力值小于预设压力值与偏差范围之差，则工控机ll向
输出模块13输出打开气动阀23的信号。除了上述运算和判断功能之外， 工控机ll还具有数据储存功能，其能够建立起数据库，将注浆过程中压力 传感器24测得的所有注浆压力的实时数值存储起来，以备过后查询。所述 显示元件14用作人机对话的界面，其不仅能够实时显示注浆口 4压力值、 气动阀23状态等以及参数变化曲线，而且能够使操作人员采用对话方式输 入预设压力值、偏差范围或其它操作参数，同时还能够显示查询所得的历 史运行数据。
现结合上述实施例说明本发明所述顶管机注浆自动控制装置实施自动 注衆的方法和工作过程。请参阅图5本发明的工作流程图。
应用所述顶管机注浆自动控制装置进行自动注浆的方法具体实施步骤
如下
1、 系统启动，设备自检
系统启动后应对顶管机注浆自动控制装置中的各设备进行自检。首先
关闭注桨组件20的检修阀26和手动阀3，截断两注浆支管21和22的注浆 通路，然后逐一检测装置上的各设备，排除出现的故障，直至全系统运行 状态良好。
2、 检测注浆压力，存储和显示数据
启动各注浆组件20的压力传感器24对所有注桨口 4的压力进行检测， 并将测得的压力值转化为4-20mA的电信号经电缆传输至控制柜内的输入 模块12，该输入模块12再将注衆口 4处的实时注浆压力信号转换成电脑能 够识别的数字信号送至工控机ll内。由于并不需要高频率监控，因此注浆压力的采样频率设置为5，工控机11将所有接收到的各注浆口 4的实时注 浆压力值存储于数据库内，与此同时，工控机ll还将由现场人员输入的操 作参数存储于数据库内。
该数据库的数据能够以实时数据、表格或者曲线的形式显示于显示元 件14上，此外，之后任意时间都能够对数据库的数据以某种排序如时间、 注浆口序号或推进距离等进行调取并显示出来，以便用于査询和分析。
3、 选择控制模式
操作人员根据现场施工需要选取注浆采用手动或自动控制模式。注浆
一般采用自动模式，若选定自动模式，则直接实施第5步；当系统需进行 现场调试或者某些故障导致自动功能失效的非正常状态时，采用使用手动
模式，若选定手动模式，则实施第4步。
4、 采用手动方式进行注浆
现场人员可通过两种方式进行手动注浆 一是关闭气动阀23，人工操
纵手动阀3通过注浆支管22对注浆口 4进行注浆；另一是关闭手动阀3， 现场人员通过在显示元件14的对话界面上操作，控制气动阀23动作，从 而通过注浆支管21对相应注浆口 4进行注浆。
5、 采用自动方式进行注浆 选择自动模式后，注浆依照下列步骤进行
a、 在工控机11中预设注浆压力和偏差范围
通过显示元件14的对话界面向工控机11输入并预设各注浆口 4的控 制压力值及其偏差范围。
b、 工控机11对检测的注浆压力值和预设压力值进行比较并作出判断， 然后输出打开或关闭气动阀23的信号
工控机11将输入模块输入的由压力传感器24测得的注浆口 4实时压
12力值与预设的压力值相比较，若该注浆压力值小于预设压力值与偏差范围 之差(即预设压力值一偏差范围，为危险值)，则工控机ll向输出模块13 输出打开气动阀23的信号；若该注桨压力值大于预设压力值与偏差范围之 和(即预设压力值+偏差范围，为安全值)，则工控机ll向输出模块13输
出关闭气动阀23的信号。
c、气动阀23根据输出信号打开或关闭，以实现开始或停止对注浆口 4 的注浆
所述输出模块13将工控机11传递来的数字信号转换成触发信号，并 输出给气动阀23以控制气动阀23的开闭；若气动阀23自输出模块13接 受打开的信号，则打开阀门接通注浆支管21以对注浆口4进行注浆；若气 动阀23自输出模块13接受关闭的信号，则关闭阀门截断注浆支管21以停 止对注浆口 4注浆；从而将顶管机外周泥浆套的压力始终控制保持在一定 范围内。
如上所述，本发明所述的顶管机注浆自动控制装置通过检测各注浆口 4 的压力值，将之与事先设定的压力值作比较，并根据比较结果对注浆用气 动阀23进行自动开关的操作，实现了顶管机的自动注浆施工。
本发明己进行了现场实验，系统的稳定性及实用性在从安装调试到自 动控制注浆的全过程中得到了很好的证明，达到了保证泥浆套的质量、顶 管机推进顺畅、有效控制地面沉降的有益效果。
权利要求
1、一种顶管机注浆自动控制装置，包括有连通地面贮浆池和压浆泵的注浆总管以及沿每一管节环周设置且连通注浆总管的注浆分管，其特征在于该装置还包括有若干注浆组件和一控制组件，所述注浆组件与管节注浆口一一对应地设置于连通该注浆口的注浆分管末端，其包括有连通注浆分管的两并联的注浆支管，一注浆支管上依次设置有用以通断注浆支管的气动阀和用以检测注浆压力的压力传感器，另一注浆支管上设置有手动阀，所述控制组件包括有工控机、输入模块和输出模块，该工控机分别与输入模块和输出模块电连接，其能够预设各注浆口压力值及其偏差范围并进行数值的运算和储存，该输入模块与所述压力传感器相连接，其将该压力传感器输入的压力信号转换成数字信号并传递给工控机，该输出模块与所述气动阀相连接，其将工控机传递来的数字信号转换成触发信号以控制气动阀的开闭。
2、 根据权利要求l所述的顶管机注浆自动控制装置，其特征在于 所述注浆组件还包括有单向阀和检修阔，该单向阀设于所述气动阀与压力 传感器之间，其只允许浆液在注浆分管内向注浆口单向流动，该检修阀设 于所述压力传感器与两注浆支管的并联接头之间，其能够开通或截断所在注浆支管。
3、 根据权利要求1或2所述的顶管机注浆自动控制装置，其特征在于所述控制组件还包括有用作人机对话界面的显示元件，该显示元件连 接于工控机上。
4、 根据权利要求1或2所述的顶管机注浆自动控制装置，其特征在于所述工控机能够将输入模块输入的注浆压力值与预设压力值相比较， 若该注浆压力值大于预设压力值与偏差范围之和，则工控机向输出模块输出关闭气动阀的信号，若该注浆压力值小于预设压力值与偏差范围之差， 则工控机向输出模块输出打开气动阀的信号。
5、 根据权利要求l所述的顶管机注浆自动控制装置，其特征在于所述输入模块为PCI-6224。
6、 根据权利要求l所述的顶管机注浆自动控制装置，其特征在于所述输出模块为PCI-6516。
7、 一种采用权利要求1所述顶管机注浆自动控制装置进行自动注浆的方法，其特征在于具体实施步骤如下① 系统启动，设备自检；② 检测注浆压力，存储和显示数据；③ 选择控制模式，若选定自动模式，则直接实施第5步，若选定手动模式，则实施第4步；④ 采用手动方式进行注浆；⑤ 采用自动方式进行注浆；a、 在工控机中预设注浆压力和偏差范围；b、 工控机对检测的注浆压力值和预设压力值进行比较并作出判 断，然后输出打开或关闭气动阀的信号；c、 气动阀根据输出信号打开或关闭，以实现开始或停止对注浆口 的注浆。
全文摘要
一种顶管机注浆自动控制装置，其包括有注浆总管、注浆分管、若干注浆组件和一控制组件，该注浆组件设置于注浆分管末端，其包括有两并联的注浆支管，一注浆支管上依次设置有用以通断注浆支管的气动阀和用以检测注浆压力的压力传感器，另一注浆支管上设置有手动阀，该控制组件包括有工控机、输入模块和输出模块，工控机能够预设各注浆口压力值及其偏差范围并进行数值的运算和储存，输入模块将压力传感器输入的压力信号转换成数字信号并传递给工控机，输出模块将工控机传递来的数字信号转换成触发信号以控制气动阀的开闭。本发明以注浆压力为控制参数实现了顶管机的自动注浆过程，具有响应快、注浆压力稳定、施工效率高的优点，适用于顶管机注浆施工。
文档编号E21D11/00GK101555799SQ200910051508
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月19日 优先权日2009年5月19日
发明者徐连刚, 温锁林, 军 田, 舒刚强, 燕 黎 申请人:上海隧道工程股份有限公司