一种顶管机机头及管道关键位置受力监测装置及方法与流程

本发明涉及长距离顶管机开挖地下施工监测技术领域，具体涉及一种顶管机机头及管道关键位置受力监测装置及方法。

背景技术：

顶管技术是一种用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术，顶管机机头和管道是顶管施工中主要的施工设施，机头是集机、电、液一体的地下施工设备，它集合了地下顶管施工过程中的开挖、出渣、导向等全部功能，广泛应用于市政管道铺设等地下工程的开挖建设。管道则是顶管施工的必需品，顶管施工管道主要有钢管和混凝土管道。顶管机在施工过程中，由于顶管机和管道外部施工环境较为复杂，顶管机机头和管道同时承受掌子面压力、千斤顶压力、土体摩擦力等径向力和径向土压、水压等径向力，这样在长距离顶管施工中就可能会导致顶管机机头和管道产生较大的变形甚至卡死，影响施工进程，造成巨大的经济损失。因此对顶管机机头及管道的受力监测是极其重要的，通过对机头及管道的应变监测及用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，可以真实可靠的反映机头及管道的受力情况和表面应变状态是亟需解决的问题。

目前，国内外对顶管机机头及管道关键位置应变监测方法及于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型的研究相对较少，并且由于机头及管道的结构和工作环境较为复杂，施工现场选点测试也较为麻烦。虽然有学者做过一定的研究，但都是在较易贴片的位置来进行测量或者是采用三维激光扫描等方法，这些方法或是不能对难以贴片的位置进行测量或是测量的精度不够，因此具有一定的局限性和片面性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种顶管机机头及管道关键位置受力监测装置及方法，在顶管机出厂前将应变计按照机头及管道测点关键位置布置模型埋入顶管机机头及管道中，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，通过标定得到机头及管道相应位置的受力-应变换算关系，从而建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，在施工过程中通过布置在机头及管道中的应变计来监测相应位置的应变状态，通过用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型得到机头及管道的外部受力状态和表面应力状态，实现对顶管机异常掘进的警报，确保顶管机安全可靠的工作。

发明的技术解决方案如下：

一种长距离顶管施工机头及管道关键位置受力监测装置及方法，所述的顶管机机头及管道关键位置受力监测装置及方法，包含顶管机的机头及管道、用于测量应变的应变计、信号传输系统、信号测试分析系统、机头及管道测点关键位置布置模型、顶管机的机头及管道应变标定方法、标定时用于提供力的千斤顶、标定时用于提供反力的墙体、标定时用于提供围压的高压水带、用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型等；在顶管机出厂前将应变计按照机头及管道测点关键位置布置模型埋入顶管机机头及管道中，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，通过标定得到机头及管道相应位置的受力-应变换算关系，从而建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，在施工过程中通过布置在机头及管道中的应变计来监测相应位置的应变状态，通过用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型得到机头及管道的外部受力状态和表面应力状态，实现对顶管机异常掘进的警报。

顶管机在地下顶管施工的过程中，由于顶管机和管道外部施工环境较为复杂，当遇到地质异常突变或者其他异常情况时，顶管机机头和管道承受的掌子面压力、千斤顶压力、土体摩擦力等径向力和径向土压、水压等径向力会突然增大，使得机头及管道的某些部分承受超出其许用应力的外力，从而使机头及管道产生大变形，影响施工进程甚至导致停机。为了减少这种情况发生，可以在出厂前将应变计按照机头及管道测点关键位置布置模型埋入顶管机中，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，通过标定得到机头及管道相应位置的受力-应变换算关系，从而建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，在施工过程中通过布置在机头及管道中的应变计来监测相应位置的应变状态，通过用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型得到机头及管道的外部受力状态和表面应力状态，实现对顶管机异常掘进的警报。

测点布置模型，在顶管机机头各部件达到出厂的标准后即可在机头的后面板上布置多组应变计，在管道出厂前在管道的一个截面上布置多组应变计，所述的一组应变计包括三个方向不同的应变计，应变计用于监测所在位置的径向和径向应变，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，再将信号测试分析系统与上位机连接。

信号传输系统，信号传输系统包括用于连接应变计与采集器的三芯屏蔽线、用于连接采集器和控制器的rs485通讯扩展线和用于连接控制器和控制器以及控制器到工控机的铠装电缆。

信号测试分析系统，信号测试分析系统为分布式结构，具体包括采集器、控制器、上位机，每个待测截面布置1台采集仪，每8个采集仪布置一个控制器，将所有控制器与上位机连接。

标定方法，在工厂中按照测点布置应变计之后，可进行机头及管道的标定：

机头的标定，为了模拟掌子面压力过大使机头的轴向力异常的情况，可在机头前方掌子面的位置布置数量不同的千斤顶，在整个机头前方布置足够数量的千斤顶来模拟掌子面整体压力升高的受力状况，在机头局部布置少量千斤顶来模拟掌子面局部较硬孤石的受力状况；在记录千斤顶施加的推力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

管道的标定，为了模拟土压、水压升高使机管道的径向力异常的情况，可使用高压水带围绕管道外侧一周，然后在水带中充水，不断提高水带的压力，以此来模拟机头及管道围压升高的受力状况，在记录高压水带水压大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

为了模拟较硬孤石使机头和管道局部径向力异常的情况，可使用千斤顶布置在管道外侧的不同位置，然后不断提高千斤顶的顶力，以此来模拟管道遇到较硬孤石局部受力较大的状况，在记录千斤顶的顶力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

为了模拟掌子面压力升高使管道轴向力异常的情况，可在管道前面布置墙体模拟待测管道前方管道、机头和掌子面，在管道后方布置千斤顶，在管道外侧布置表面粗糙的高压水带来模拟管道顶进过程中的土体压力和土体摩擦力，在记录千斤顶的顶力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，将千斤顶的推力作为横坐标，信号测试分析系统和上位机记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并使用数据分析软件进行进行拟合，得到受力-应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及其解析式，建立用于换算机头及管道受力的模型。

用于换算机头及管道表面应力的模型主要为，经受力分析可知，机头和管道都只承受轴向和径向的力，根据广义胡克定律可知其为二向平面受力状态，与管道直径垂直方向的应力。设、分别为机头与管道的轴向和径向表面应力，、分别为机头与管道的轴向和径向表面应变，应力应变可由以下公式计算：

式中为机头或者管道的材料弹性模量，为机头或者管道的材料泊松比。

应用方法，在施工过程中使用信号传输系统将信号测试分析系统与各组应变计连接，并将信号测试分析系统连接到顶管机控制室中的上位机中，信号测试分析系统实时记录监测各测试点的应变值，并使用上位机按照用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型进行数据处理，将测得的应变值转换为各测点的受力和表面应力情况，按照各部位的许用受力和许用应力给各处测试点的设定阈值，当监测到的受力或者表面应力大于设定的阈值时即报警停机。

本发明的有益效果：

现有的方法都是在较易贴片的位置来进行测量或者是采用三维激光扫描等方法，这些方法或是不能对难以贴片的位置进行测量或是测量的精度不够，因此具有一定的局限性和片面性。

本发明首先在顶管机出厂前预先在相关位置埋入应变计，并在工厂中模拟顶管机在施工中可能遇到的各种外部环境对应变计进行标定，建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，进而得到准确的顶管机机头及管道外部受力和表面应力状态，达到对顶管机机头及管道外部环境是否异常进行实时监测的目的，并反馈给顶管机操作人员，确保顶管机可以安全可靠的工作。本发明提供了一种简单有效的顶管机机头及管道受力监测方法，解决了难以监测顶管施工过程中机头及管道外部受力状态的难题，减少了顶管机故障的概率，提高了顶管机掘进效率。

附图说明

图1为顶管机总体示意图。

图2为一组应变计的贴法示意图。

图3为机头背板测点布置示意图。

图4为管道某截面测点布置示意图。

图5为采集仪与控制器连接示意图。

图6为控制器与上位机连接示意图。

图7为机头轴向受力标定方法示意图。

图8为管道径向受力标定方法示意图。

图9为机头和管道径向局部受力标定方法示意图。

图10为管道轴向受力标定方法示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

一种长距离顶管施工机头及管道关键位置受力监测装置及方法，所述的顶管机机头及管道关键位置受力监测装置及方法，包含顶管机的机头及管道、用于测量应变的应变计、信号传输系统、信号测试分析系统、机头及管道测点关键位置布置模型、顶管机的机头及管道应变标定方法、标定时用于提供力的千斤顶、标定时用于提供反力的墙体、标定时用于提供围压的高压水带、用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型等；在顶管机出厂前将应变计按照机头及管道测点关键位置布置模型埋入顶管机机头及管道中，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，通过标定得到机头及管道相应位置的受力-应变换算关系，从而建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，在施工过程中通过布置在机头及管道中的应变计来监测相应位置的应变状态，通过用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型得到机头及管道的外部受力状态和表面应力状态，实现对顶管机异常掘进的警报。

顶管机在地下顶管施工的过程中，由于顶管机和管道外部施工环境较为复杂，当遇到地质异常突变或者其他异常情况时，顶管机机头和管道承受的掌子面压力、千斤顶压力、土体摩擦力等径向力和径向土压、水压等径向力会突然增大，使得机头及管道的某些部分承受超出其许用应力的外力，从而使机头及管道产生大变形，影响施工进程甚至导致停机。为了减少这种情况发生，可以在出厂前将应变计按照机头及管道测点关键位置布置模型埋入顶管机中，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，通过标定得到机头及管道相应位置的受力-应变换算关系，从而建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型，在施工过程中通过布置在机头及管道中的应变计来监测相应位置的应变状态，通过用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型得到机头及管道的外部受力状态和表面应力状态，实现对顶管机异常掘进的警报。

依据上述原理，本发明提出了一种长距离顶管施工机头及管道关键位置受力监测装置及方法，以下结合附图对本发明的具体实施进行详细说明，具体包括如下步骤：

测点布置模型，在顶管机机头各部件达到出厂的标准后即可在机头的后面板上布置多组应变计，一组应变计包括三个方向不同的应变计（如图2），机头的后面板测点按45°对角线进行布置，同一条对角线上的测点间隔25cm，遇到后面板上的机械结构就避开在附近寻找平面布置测点（如图3）。

在管道出厂前，在管道的一个截面上布置多组应变计，由于管道底部可能存在积水和施工管路，管道内的测点布置在与水平面成45°的方向，一个截面共布置4个测点（如图4），顶管管道前200米段按每25米设置一个待测截面，200米后按照每50米设置一个待测截面。应变计用于监测所在位置的径向和径向应变，并将应变计通过信号传输系统与信号测试分析系统连接，再将信号测试分析系统与上位机连接。

信号传输系统，信号传输系统包括用于连接应变计与采集器的三芯屏蔽线、用于连接采集器和控制器的rs485通讯扩展线和用于连接控制器和控制器以及控制器到工控机的铠装电缆。考虑到管道内可能具有一定强度的电磁干扰，故应变计与采集器之间采用三芯屏蔽线连接，rs485具有支持多节点、远距离和传输速率快的优点，所以采集器和控制器之间采用rs485通讯扩展线进行连接。管道内一般条件较为复杂，不利于使用普通导线进行长距离信号传输，故控制器和控制器以及控制器和工控机之间采用铠装电缆进行连接，铠装电缆是由不同的材料导体装在有绝缘材料的金属套管中，被加工成可弯曲的坚实组合体，可以极大地提高导线的机械强度和防侵蚀能力。

信号测试分析系统，信号测试分析系统采用分布式结构，具体包括采集器、控制器、上位机。在机头处和管道的每个待测截面布置1台采集仪用于采集应变计的数据，每8个采集仪布置一个控制器，控制器应布置在8个采集仪中部位置，前后各4个采集仪，将所有控制器通过铠装电缆与上位机连接。为了保证采集仪和控制器可以正常工作，采集仪和控制器应安装在管道的顶部，相关信息传输线缆也在管道上部走线。当出现故障时，可直接确定故障发生位置，只需更换某一个采集仪或者控制器即可使检测系统恢复正常。

标定方法，在工厂中按照测点布置应变计之后，可进行机头及管道的受力标定：

机头的标定，为了模拟掌子面压力过大使机头的轴向力异常的情况，可在机头前方掌子面的位置布置数量不同的千斤顶。在整个机头前方布置足够数量的千斤顶来模拟掌子面整体压力升高的受力状况，千斤顶在机头前面板均匀分布，使前面板均匀受力，在布置过程中应避开滚刀和刮刀等刀具的位置；在机头前面板局部布置少量千斤顶来模拟掌子面遇到局部较硬孤石的受力状况。布置好千斤顶后即可不断地增加千斤顶的推力，在记录千斤顶施加的推力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

管道的标定，为了模拟土压、水压升高使机管道的径向力异常的情况，可使用高压水带围绕管道外侧一周，用高压水带的挤压力来模拟管道在施工过程中土体和水给管道的径向力，然后在高压水带中充水，不断提高水带对管道的压力，在记录高压水带水压大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，将高压水带水压大小换算成管道外表面所受力，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

为了模拟较硬孤石使机头和管道局部径向力异常的情况，可使用千斤顶布置在机头或者管道外侧的不同位置，然后不断提高千斤顶的顶力，以此来模拟管道遇到较硬孤石局部受力较大的状况，在记录千斤顶的顶力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

为了模拟掌子面压力升高使管道轴向力异常的情况，可在管道前面布置墙体模拟待测管道前方管道、机头和掌子面等结构，在管道后方布置千斤顶和用于支撑千斤顶的墙体，在管道外侧布置表面粗糙的高压水带来模拟管道顶进过程中的径向的土体压力和轴向的土体摩擦力，高压水带应与墙体固结，以便提供轴向摩擦力。标定时不断增加千斤顶的顶力，来模拟施工时管道的向前推进的状态，有受力分析可知，管道所受掌子面和土体摩擦力的合力与千斤顶的推进力大小相等方向相反，在记录千斤顶的顶力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，通过数据分析建立用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型。

用于换算机头及管道受力的数学模型，将千斤顶的推力或者高压水带的水压作为横坐标，信号测试分析系统和上位机记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并使用数据分析软件进行进行拟合，得到受力-应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及换算公式，即可建立用于换算机头及管道受力的模型。

用于换算机头及管道表面应力的模型主要为，经受力分析可知，机头和管道都只承受轴向和径向的力，根据广义胡克定律可知其为二向平面受力状态，与管道直径垂直方向的应力。设、分别为机头与管道的轴向和径向表面应力，、分别为机头与管道的轴向和径向表面应变，应力应变可由以下公式计算：

式中为机头或者管道的材料弹性模量，为机头或者管道的材料泊松比。

应用方法，在施工过程中使用信号传输系统将信号测试分析系统与提前布置好的各组应变计连接，并将信号测试分析系统连接到顶管机控制室中的上位机中，信号测试分析系统实时记录监测各测试点的应变值，并使用上位机按照用于换算机头及管道受力和表面应力的数学模型进行数据处理，将测得的应变值转换为各测点的受力和表面应力情况，由于各测点均标定了多种受力情况，而实际施工中的受力情况是多种受力情况复合而成的，顾需要通过应变值得到多种受力或者应变情况，然后取其中最大的值，按照各部位的许用受力和许用应力给各处测试点的设定阈值，当监测到的受力或者表面应力大于设定的阈值时即报警停机。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。