本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种盾构开挖施工渣土监测设备及渣土监测方法。
背景技术：
21世纪是地下工程的世纪，在城市发展到一定规模后，城市核心区交通堵塞一直是制约城市发展的重要因素，要解决这一难题，工程师们把目光转向了地下，通过地下轨道交通和地下通道的建设来缓解交通堵塞给人们出行带来的不便。目前中国许多城市的规模已经达到了世界级超大城市，而地下交通却相对落后，亟待建设相应规模的地下交通体系。盾构机是地下交通体系建设的常用设备。盾构机在施工过程中，渣土主要通过皮带机和泥浆泵运输。而皮带机在出土的过程中，未对土仓的加水量、出土的体积、出土的重量、出土的含水率等物理参数及时把控，影响盾构机的施工安全及效率。
技术实现要素：
为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种盾构开挖施工渣土监测设备及渣土监测方法，以解决现有盾构开挖施工未对出土的物理参数及时把控导致盾构机的施工效率低的问题。
为实现上述目的，提供一种盾构开挖施工渣土监测设备，包括：
出土皮带机，包括支承架和供渣土搁置的输送皮带，所述支承架上安装有托辊，所述输送皮带搁置于所述托辊上；
用于获取所述渣土的体积的扫描装置，安装于所述支承架且位于所述输送皮带的上方；以及
称重装置，所述支承架安装于所述称重装置上。
进一步的，还包括用于获取所述渣土的含水率的水分检测装置，安装于所述支承架且位于所述输送皮带的上方。
进一步的，所述水分检测装置和所述扫描装置均通过支撑杆组件安装于所述支承架上，所述支撑杆组件包括连接于所述支承架的立杆和连接于所述立杆的顶部的横杆，所述扫描装置和所述水分检测装置分别连接于所述横杆。
进一步的，所述水分检测装置为近红外水分仪。
进一步的，所述扫描装置为激光扫描雷达。
进一步的，所述称重装置为皮带秤。
本发明还提供了一种利用上述的盾构开挖施工渣土监测设备的渣土监测方法，包括以下步骤：
将盾构机的单位掘进循环开挖的渣土搁置于出土皮带机的输送皮带上，并使所述渣土随所述输送皮带机被输送至扫描装置的下方位置、称重装置的上方位置；
利用所述称重装置测量所述渣土的重量得到所述渣土的实测重量；
利用所述扫描装置扫描所述渣土的体积得到所述渣土的实测体积；
根据所述实测重量和所述实测体积计算出所述渣土的实测密度；
将所述实测密度对照不同类型的土体的理论密度，确定所述盾构机的当前开挖面的所述渣土的类型；
根据确定的所述渣土的类型的理论密度和所述盾构机的单位掘进循环开挖的理论体积，计算得到所述盾构机的单位掘进循环开挖的渣土的理论重量；
将所述实测重量与所述理论重量进行比较，判断所述盾构机是否超挖或欠挖。
本发明的有益效果在于，本发明盾构开挖施工渣土监测设备通过扫描装置和称重装置获得渣土的重量和体积，并根据重量和体积计算得到的渣土的密度，进而可实时掌握当前开挖面土层地质情况，并可实时得出掘进过程中盾构机超挖/欠挖情况，以便盾构司机及现场管理人员及时调整盾构开挖面土压力等施工参数进而控制开挖量，以及调配出土挖运设备，从而提高了盾构机的施工安全及效率。
附图说明
图1为本发明盾构开挖施工渣土监测设备的结构示意图。
图2为本发明盾构开挖施工渣土监测设备的横断面的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图1为本发明盾构开挖施工渣土监测设备的结构示意图、图2为本发明盾构开挖施工渣土监测设备的横断面的示意图。
参照图1和图2所示，本发明提供了一种盾构开挖施工渣土监测设备，包括：出土皮带机、扫描装置2和称重装置3。
出土皮带机包括支承架11和供渣土6搁置的输送皮带13。支承架11上安装有托辊12。输送皮带13搁置于托辊12上。扫描装置2主要用于获取渣土6的体积的扫描装置2。扫描装置2安装于支承架11且位于输送皮带13的上方。支承架11安装于称重装置3上。
扫描装置连续扫描搁置于输送皮带上的渣土(为盾构机的单位掘进循环的开挖土量为q＝πd2st/4，其中，d为盾构外径，st为掘进循环长度)的断面体积，最终通过断面体积累积得到搁置于输送皮带上的所有渣土的实测体积。称重装置主要用于获取搁置于输送皮带上的所有渣土的实测重量。通过将渣土的实测体积和实测重量，计算得到渣土的实测密度。通过与不同类型的土体的理论密度对照，确定盾构机的当前开挖面的土体的类型。通过确定的类型的土体的理论密度和盾构机的单位掘进循环的开挖土量的理论体积计算出理论重量，通过理论重量与实测重量进行比较，可以确定盾构机是否为超挖或者欠挖。
本发明盾构开挖施工渣土监测设备通过扫描装置和称重装置获得渣土的重量和体积，并根据重量和体积计算得到的渣土的密度，进而可实时掌握当前开挖面土层地质情况，并可实时得出掘进过程中盾构机超挖/欠挖情况，以便盾构司机及现场管理人员及时调整盾构开挖面土压力等施工参数进而控制开挖量，以及调配出土挖运设备，从而提高了盾构机的施工安全及效率。当向盾构机的土仓内加水的加水量控制不当时，可能会造成渣土在输送皮带上打滑，从而影响出土效率。作为一种较佳的实施方式，本发明盾构开挖施工渣土监测设备还包括水分检测装置4。水分检测装置4主要用于获取输送皮带上的渣土的含水率。水分检测装置4安装于支承架11且位于输送皮带13的上方。
盾构司机可以根据检测的渣土的含水量来调整向盾构机的土仓内的加水量，避免渣土在输送皮带上打滑，从而提高了渣土输送出土效率，另一方面，可精确控制向盾构机的土仓内的加水量，确保渣土的含水率在能够正常出土的含水率范围内，从而避免水资源的浪费，节约施工成本。
在本实施例中，出土皮带机包括机架、支承架11、托辊12、滚筒、输送皮带13和驱动电机。支承架11的数量为多个。多个支承架11沿机架的长度方向间隔设置。支承架11包括立柱和连接于立柱的横梁，托辊12穿设于横梁上，托辊12支撑于输送皮带的底部。
作为一种较佳的实施方式，水分检测装置4和输送扫描装置2均通过支撑杆组件5安装于输送支承架11的立柱顶部。具体的，支撑杆组件5包括立杆51和横杆52。立杆51竖设于支承架11的立柱的顶部。横杆52连接于立杆51的顶部。扫描装置2和水分检测装置4分别连接于横杆52。
作为一种较佳的实施方式，扫描装置2为激光扫描雷达
在本实施例中，扫描装置2为西克室外型激光扫描雷达(型号为
lms511)。
作为一种较佳的实施方式，称重装置3为皮带秤。
在本实施例中，称重装置3为西门子mbs系列称重单元。
作为一种较佳的实施方式，水分检测装置4为近红外水分仪。
在本实施例中，水分检测装置4为佳卓在线式近红外水分仪(型号为jz41)
作为一种较佳的实施方式，输送皮带具有输入端和输出端。扫描装置2安装于输送皮带的靠近输入端的水平段上，以避免斜坡引起测量误差。
在本实施例中，当渣土在输送皮带上打滑时，称重装置和扫描装置可重复测量以避免引起误差。
为了提高测量精度，称重装置和扫描装置的数量为多个，通过多个称重装置和扫描装置得到的重量值和体积值，进而计算平均值以提高测量精度。
本发明盾构开挖施工渣土监测设备的结构简单，易于安装，不影响皮带输送机的正常出土；通过测量和计算渣土的体积、重量、密度来调整盾构开挖面压力，控制开挖量，并可调配挖运设备，提高机械效率，避免无谓停工；根据渣土的含水率来调控土压平衡仓内的加水量，使加水量更趋合理，防止皮带机打滑；计算的渣土体积、重量、密度等数据准确，确保盾构司机对出土体积和出土重量准确估算，避免造成地面隆沉，进而避免危及地面建筑物及地下管线安全。
本发明还提供了一种盾构开挖施工渣土监测设备的渣土监测方法，包括以下步骤：
s1：将盾构机的单位掘进循环开挖的渣土搁置于出土皮带机的输送皮带上，并且使得所述渣土从扫描装置和水分检测装置的下方经过、从称重装置的上方经过。
在盾构法施工开挖土量计算中，单位掘进循环(一般按一环管片宽度为一个掘进循环)开挖土量(即单位掘进循环开挖土的理论体积)q＝πd2st/4(其中，d为盾构外径，st为掘进循环长度)。
通过将盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土搁置于出土皮带机的输送皮带上，使得盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣从扫描装置的下方经过。
s2：利用述扫描装置扫描所述渣土的体积得到所述渣土的实测体积。
经由扫描装置扫描盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的体积得到盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的实测体积。
具体的，扫描装置通过扫描盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的断面体积最终累积起来得到总量即盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的实测体积。
利用水分检测装置检测盾构机的单位掘进循环开挖的渣土的水分得到盾构机的单位掘进循环开挖的渣土的实测含水率。通过将实测含水率与渣土的预设正常含水率范围比较，以指导盾构司机调控土压平衡仓内的加水量，使加水量更趋合理，防止皮带机打滑，节约水资源，提高渣土输送效率避免渣土含水率过高在输送皮带上打滑。
s3：利用称重装置测量所述渣土的重量得到所述渣土的实测重量。
利用称重装置测量盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的重量得到盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的实测重量。
s4：根据所述实测重量和所述实测体积计算出所述渣土的实测密度。
根据盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的实测重量和实测体积，利用密度公式计算出盾构机的一个单位掘进循环开挖的渣土的实测密度。
在本实施例中，为了提高实测密度的准确性，通过测量盾构机的连续的多个单位掘进循环所开挖的渣土的实测重量和实测体积，计算得到多个实测密度，再通过加权平均计算得到盾构机的单位掘进循环开挖的渣土的平均实测密度。
s5：将所述实测密度对照不同类型的土体的理论密度，确定所述盾构机的当前开挖面的渣土的类型。
以盾构开挖待施工的土体的地质勘探报告做对比(如粘土、砂土甚至卵石地层等不同地质土层在地质勘探报告中均有描述其密度)或者以《gb/t50145-2007土的工程分类标准》中一般类型土的的理论密度为依据，根据步骤s4中得到的渣土的平均实测密度对照地质勘探报告或《gb/t50145-2007土的工程分类标准》以判断渣土的类型，可实时掌握当前盾构机的开挖面土层的地质情况。
s6：根据确定后的所述盾构机的当前开挖面的土的类型的理论密度和所述盾构机的单位掘进循环开挖的理论体积，计算得到所述盾构机的单位掘进循环开挖的渣土的理论重量。
根据步骤s5中确定的盾构机的当前开挖面的土的类型的理论密度和理论体积，根据公式m＝v×ρ计算得到盾构机的单位掘进循环开挖的渣土的理论重量(应加入注水，或膨润土、泡沫等添加剂的重量以形成理论重量)。
为了提高理论重量的准确性，可通过多个单位掘进循环开挖的测量数据计算确定一个较为合理的理论重量范围。
s7：将所述实测重量与所述理论重量进行比较，判断所述盾构机是否超挖或欠挖。
根据确定的理论重量范围和盾构机的当前的单位掘进循环开挖的渣土的实测重量进行比较，确定盾构机当前的单位掘进循环开挖是否为超挖或欠挖。
具体的，当盾构机的当前的单位掘进循环开挖的渣土的实测重量在理论重量范围内，则表示盾构机当前的单位掘进循环开挖正常。
当盾构机的当前的单位掘进循环开挖的渣土的实测重量高于理论重量范围的最大值，则表示盾构机当前的单位掘进循环开挖为超挖。
当盾构机的当前的单位掘进循环开挖的渣土的实测重量小于理论重量范围的最小值，则表示盾构机当前的单位掘进循环开挖为欠挖。
通过判断盾构机的当前的单位掘进循环开挖状态(正常、超挖、欠挖)，以便盾构司机及现场管理人员及时调整盾构开挖面土压力等施工参数进而控制开挖量，以及调配出土挖运设备。
在实际运用中，由于扫描装置扫描所得累计数值有时不够准确(扫描装置的扫描探头受到外界污染，可通过盾构机的当前的单位掘进循环开挖的实测体积与盾构机的前面连续几个单位掘进循环开挖的实测体积进行比较，如果存在较大的误差则说明扫描装置发生故障，以指导现场管理人员对扫描装置进行检修。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。