一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐及盾构机的制作方法
1.本发明涉及一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐及盾构机，属于盾构施工注浆技术领域，尤其涉及一种通过压力传感器检测砂浆罐中砂浆量的技术方案。
背景技术：
2.在盾构施工中，通过同步注浆完成隧道的一次成型，注浆相关的施工数据，例如注浆速度、环注浆量、累计注浆量等注浆数据是十分重要的。而这些数据的获得都依赖不同施工环节前后时刻沙浆量的变化，砂浆量变化的计算都离不开对砂浆罐中砂浆量的检测。因此，在同步注浆过程中，砂浆罐砂浆量是一个非常重要的数据指标，根据不同工艺环节前后砂浆量的变化能够得到相关的注浆数据，根据注浆数据可以指导注浆，合理的注浆可以防止地表沉降、地面隆起，隧道渗水等。注浆数据相比设计数据出现偏差，会导致出现注浆问题，一旦注浆出现问题，会导致严重的安全事故。
3.目前，盾构施工中设计了多种注浆量的测量方法，主要分为如下三种：
4.一、通过注浆泵计次测量。采用注浆泵进行注浆时，曲柄通过连杆带动活塞向一侧移动时，注浆泵内腔体体积增加，外界压力大于腔体内压力，在压力差的作用下，液体泵入腔体内。当曲柄通过连杆推动活塞向另一侧移动时，腔体内液体压力增加，在压力差的作用下，液体被泵送到管路中。由于注浆泵的结构限定，每次泵送的液体体积应当一致，因此，通过统计注浆泵泵送液体的次数，可以计算出注浆量。然而，在实际注浆过程中，注浆泵存在返浆、腔体内液体无法充满或无法全部泵出的问题，导致计次测量得到的注浆量的误差很大。
5.二、通过注浆管路上设置流量计测量。在注浆管路的出口处设置流量计来实时检测注浆速度，进而计算注浆量，方法简单。然而，由于注浆过程中的砂浆流动性差，不同于水或油等流动性强的液体，降低了流量计检测的准确性；而且注浆泵往往采用活塞泵，在泵送砂浆时不是连续的过程，而是在每次活塞泵送行程中形成的一股一股的砂浆，导致流量计测量不准，且砂浆易凝固在注浆管路中，也影响了流量计的测量。
6.三、通过砂浆罐上设置称重传感器测量。称重传感器测量的方法主要是通过监测注浆前后砂浆罐中砂浆量的变化来得到注浆量，注浆量测量精度得到提高。为此，需要在砂浆罐上设置称重传感器，但是由于砂浆罐采用吊装的方式挂在台车上，采用单个称重传感器时需要砂浆罐各个吊装索均挂在称重传感器下，导致砂浆罐吊装不稳，容易晃动导致浆料外溢洒出。若砂浆罐通过多跟吊装索分别固定，在每根吊装索上均设置称重传感器，需要复杂算法对各称重传感器的输出量进行数据融合。而且由于盾构施工过程中存在较大振动和晃动以及坡道上台车倾斜，导致砂浆罐的位置不平衡，使得多个称重传感器数据融合后输出的测量结果可靠性很低，且晃动状态和倾斜状态下不利于采用多个称重传感器悬挂式称重，会导致悬挂式称重的结果很不准确。
技术实现要素：
7.本发明的目的是提供一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐及盾构机，用以解决现有技术注浆量测量结果不准确，进而导致注浆数据不准确的问题。
8.为实现上述目的，本发明的方案包括：
9.本发明的一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐的技术方案，包括罐体，罐体侧壁距罐底设定距离范围内设置有液位传感器安装位，液位传感器安装位内设置有压力传感器，所述压力传感器包括用于检测砂浆罐内砂浆压力的感应面；液位传感器安装位形成连接所述感应面和罐体内腔的空腔；所述空腔用于充入油脂以将感应面和罐体内腔中装入的砂浆液相隔离，所述油脂用于传递砂浆液的压力。
10.本发明通过压力传感器的方式测量砂浆罐内砂浆量。现有技术中，对于锅炉、水箱、油管等盛液容器而言，在测量容器内液体量时，也存在利用压力传感器检测的方法。但流动性较好的液体压力传导准确，能够通过压力传感器准确测得压力值进而计算液体量。但是用于隧道施工中衬砌或填充凝固于隧道管片和隧道之间环空中的砂浆，由于其易凝固导致其流动性差，且在使用压力传感器测量砂浆罐底部压力时，凝固的砂浆会形成一层覆盖在压力传感器压力检测面上的壳，阻止了浆罐中砂浆的压力作用于传感器检测面上。导致使用压力传感器无法对砂浆罐中砂浆量的测量。因此，现有技术中并不考虑使用压力传感器去测量砂浆、水泥浆的量。
11.而本发明在将压力传感器用于砂浆量的测量时，通过在压力传感器的压力感应面与砂浆罐内的砂浆之间形成一个空腔，并在空腔内填充油脂，利用油脂不溶于水且传导压力的特性，防止砂浆在压力感应面上凝结，干扰压力的检测。且空腔天然构成了油脂的存储空间，相比油脂涂抹在感应面上厚厚一层，空腔中的油脂更难以被流动的砂浆冲刷走。在解决了砂浆凝固影响压力感应的问题后，压力传感器能够更加准确地检测到砂浆压力，从而使后续确定出的砂浆量更准确，进一步能够根据砂浆量的变化计算出更加准确的注浆速度、每环注浆量、累计注浆量等注浆数据。
12.进一步地，所述液位传感器包括一段套管，所述套管的一端与罐体侧壁密封连接，并与罐体内腔连通；所述套管的另一端用于密封连接压力传感器，所述感应面朝向套管内腔设置；套管内腔形成了所述空腔。
13.通过一段焊接在罐体管壁开孔处的套管构成传感器安装位，传感器感应面朝内的插装在套管的另一端，套管的通孔形成空腔容纳油脂，方案简单有效且成本低。
14.进一步地，所述套管侧壁上穿设有注油嘴，注油嘴与注油管路连接，用于向所述空腔内加注油脂。
15.套管上设置注油嘴，方便在任何时候向空腔内加注油脂。
16.进一步地，在间隔设定时间后，通过注油嘴向空腔内加注油脂，使油脂溢出空腔。
17.设定的触发条件下，例如砂浆的凝固时间内，通过注油嘴向空腔内加注油脂，能够及时补充被冲刷掉损失的油脂；同时更重要的，过量补充油脂使油脂溢出空腔，能够防止砂浆在空腔朝向砂浆罐的开口处凝固，在砂浆凝固前对其扰动，避免凝固，同时也能把部分凝固的砂浆块顶开。
18.本发明的一种带有注浆数据测量功能的盾构机的技术方案，通过如下方法实现注浆数据测量功能：在砂浆罐罐体侧壁距罐底设定距离范围内设置压力传感器，采用油脂将
压力传感器的感应面与砂浆罐内砂浆液相隔离，并通过油脂向感应面传递砂浆液的压力；根据砂浆液压力，得到砂浆罐内砂浆量，根据前后时刻之间的砂浆量的变化得到对应施工环节的注浆数据。
19.进一步地，所述感应面和砂浆罐中砂浆液之间形成用于盛装油脂的空腔；定期向所述空腔内加注油脂，使油脂溢出空腔。
20.进一步地，根据砂浆液压力得到砂浆量的方法为：通过预先标定的砂浆液压力与砂浆液位高度之间的对应关系，根据不同时刻压力传感器得到的砂浆液压力得到对应时刻的砂浆液液位高度；再通过预先标定的砂浆液液位高度与砂浆液体积之间的对应关系，根据不同时刻砂浆液液位高度得到对应时刻砂浆液体积作为对应时刻的砂浆量，再将不同时刻的砂浆量做差得到前后时刻之间的砂浆量变化。
21.本发明利用压力传感器测定砂浆罐中砂浆量。首先将压力传感器用作液位传感器，即通过建立压力与液位高度的对应关系，根据压力得到砂浆液位高度；再根据液位与砂浆体积之间的对应关系，得到砂浆量(砂浆量可以用砂浆体积表示)，进一步根据砂浆量的变化得到对应时段的注浆量。
22.为了便于砂浆流出，砂浆罐往往采用非均匀的形状，例如在砂浆流出口处形成导流的斜面，导致砂浆罐上大下小；同时由于砂浆又易于凝固粘在罐壁上，因此直接建立砂浆底部压力和砂浆量的对应关系难度较大且准确度较低。因此本发明建立砂浆底部压力和砂浆液位之间的关系，再建立砂浆液位和砂浆体积之间的关系，进而从压力传感器得到压力，从压力得到液位，再从液位得到体积，降低了两个关系模型建立和训练学习的难度，提高了砂浆量检测的准确性。
23.进一步地，在罐体至少一组相对的侧壁上均设置所述压力传感器，所述砂浆量根据各个压力传感器得到的砂浆液压力共同确定。
24.进一步地，根据各个压力传感器得到的砂浆液压力确定砂浆量的方法为：根据每个压力传感器得到的砂浆液压力得出对应时刻的多个砂浆液液位高度，根据多个砂浆液液位高度得到多个对应的砂浆液体积，多个砂浆液体积求平均后作为对应时刻的砂浆量。
25.进一步地，根据各个压力传感器得到的砂浆液压力确定砂浆量的方法为：根据每个压力传感器得到的砂浆液压力得出对应时刻的多个砂浆液液位高度，将多个砂浆液液位高度求平均后得到唯一砂浆液液位高度，根据唯一砂浆液液位高度得到砂浆体积作为对应时刻的砂浆量。
26.罐体在台车上可能遇到倾斜路段的情况，导致罐体倾斜，罐体倾斜的前后方向上，相对的两个侧壁处的砂浆液位不同，此时根据单个压力传感器难以得出准确的砂浆量。本发明通过在相对的两个侧壁上设置压力传感器，通过对根据两个压力值得到液位高度求平均的方式得到一个值作为液位高度，再根据这个液位高度计算砂浆量；或者根据两个压力值直接得到两个对应砂浆量，通过求均值得到最终的砂浆量。如此保证了砂浆罐倾斜时砂浆量的计算准确度。
附图说明
27.图1为本发明的砂浆罐的结构示意图；
28.图2为本发明砂浆罐液位传感器处放大示意图；
29.图3为本发明中上下坡时砂浆罐内液位示意图；
30.图4为本发明中带有砂浆量测量功能的砂浆罐的结构框图；
31.图5为本发明中砂浆体积与液位高度对应关系示意图；
32.图6为本发明砂浆罐主视图；
33.图7为本发明砂浆罐左视图。
34.图中包括，1、罐体；11、管壁；2、液位传感器；3、空腔；31、套管；4、注油管；41、注油嘴；5、导浆流量计；6、导浆管；7、导浆控制阀门。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
36.带有注浆数据测量功能的砂浆罐实施例：
37.如图1所示的本发明的砂浆罐，包括砂浆罐罐体1和控制器，罐体1上设置有液位传感器2，液位传感器通过压力传感器实现，控制器和液位传感器2连接，以获取液位传感器2采集的压力数据，进而计算出液位高度。
38.液位传感器2设置在罐体1靠近底部的位置，以避免出现砂浆液位高度低于液位传感器2时无法测量的问题。液位传感器2通过压力感应面采集砂浆压力，并将砂浆压力传递至控制器。
39.如图2所示的液位传感器2部分的放大图所示，液位传感器2通过一段连接在罐体1管壁11上的套管31设置在罐体1上。通过在罐体1管壁11上开设通孔，罐体外在通孔上焊接套管31，套管31朝向罐体1的一端通过通孔与罐体1的内腔联通，另一端通过作为液位传感器2的压力传感器的压力感应面封堵。液位传感器2的压力感应面与砂浆罐的内腔之间，通过套管31形成一段与砂浆罐内腔联通的空腔3。
40.考虑到砂浆粘稠，且容易固结，若砂浆接触到压力传感器，并在压力感应面上结块，将导致液位传感器2失效。这也是砂浆罐砂浆量测量时，现有技术多采用称重的方式，而不借鉴其他流体罐定量其中液体采用压力传感器作为液位传感器的原因。本发明在使用压力传感器定量砂浆量的时候，采用了如下技术手段来解决这个问题。
41.如图1所示，在套管31上，还设置有连通空腔3的注油管4。如图2所示，注油管4通过贯通套管31管壁的注油嘴41与空腔3连通。
42.在罐体盛装砂浆或水泥浆之前，本发明通过注油管4和注油嘴41在空腔3内注入油脂，使液位传感器2与罐体1的内腔之间的空腔3内充满油脂，空腔3内注满油脂后再加入砂浆，油脂形成隔离区间，隔绝压力传感器压力感应面和浆液，防止浆液渗透到压力传感器，防止浆液在压力传感器压力感应面上结垢，影响压力检测的精度。
43.对油脂的要求是防水且黏性高，能够避免浆液在砂浆罐中晃动流动时的冲刷作用将油脂冲掉、冲走；此外不易压缩，有一定的压力传导特性，能够将浆液的压力传导至压力传感器压力感应面上，使液位传感器2通过检测浆液压力，得到浆液液位。油脂可采用黄油，优选二硫化钼锂基脂。
44.本发明的砂浆罐在首次加入砂浆时，应当首先在空腔3内注入油脂，注满后再加入砂浆浆液，若先加入砂浆，则浆液充满空腔3，此时注油是无法将空腔内的浆液排挤干净的，空腔3内的浆液难以流动，更加容易凝结导致液位传感器2失效。
45.此外，在砂浆罐的使用过程中，为了防止空腔3朝向罐体1内腔开口处的浆液凝固，将开口堵住，阻值压力通过空腔3传导至压力感应面。因此，在浆液长时间不动时，还要定期补充油脂，首先可以弥补空腔3内油脂的损失，同时还要多于补足的量，使油脂多出空腔3进入罐体1内腔的浆液之中，外溢的油脂能够在开口处的浆液凝固前将其破坏掉，或者从开口处将凝固浆液挤开，只要凝固浆液没有像盖子一样覆盖在开口处并与管壁11接触，都不会影响压力传导。
46.油脂进入浆液并不会影响砂浆凝固性能，不会影响管片注浆质量。为了防止浆液从管片流入盾体，损坏设备，盾尾处设置有盾尾刷，同样采用油脂密封，会进行注油注脂，也会有少量油脂进入浆液。
47.为了避免浆液在空腔3开口处凝结堵塞开口，以及补充空腔3内油脂不足，采取定期加注新油的控制策略。例如一天加注两次，或者两天加注一次，加注频率可以根据浆液的稠稀调整，浆液粘稠可以提高加注频率，浆液较稀不易凝结可以降低加注频率。可以通过实验测定浆液的凝固时间，在达到凝固时间前进行加注。控制器根据内部存储的注油预设条件，控制连接注油管4的油脂泵，从而定期加注油脂。
48.基于上述砂浆罐，控制器通过执行储存在存储器中的程序指令，实现测量砂浆罐内砂浆量的方法，该方法包括如下步骤：
49.1、控制器通过液位传感器2采集砂浆实时压力，并通过预先标定好的砂浆压力与砂浆液位高度之间的对应关系，得到与砂浆实时压力对应的液位高度。
50.通过在罐体内设置若干标定点，通过多次重复试验，采集砂浆液面达到各个标定点时的液位传感器2采集的砂浆压力，得到多组砂浆压力与对应液位高度的数据，通过数学统计分析或机器学习训练模型的方式，标定出砂浆压力与液位高度之间的对应关系，可通过图表或公式函数的方式进行表示。
51.2、控制器通过预先标定的液位高度与砂浆体积之间的关系，得到与液位高度对应的砂浆体积，即砂浆量。
52.本领域的技术人员应当能够在得到液位高度后，根据砂浆罐的形状和结构，通过计算机或人工计算的方式，计算出砂浆罐内砂浆量的体积。砂浆罐的正面和侧面一般如图6、7所示，由于罐体下半部为圆柱形底槽，液位高度与砂浆量体积为非线性变化关系，若直接根据液位高度计算砂浆量体积，由于罐体内壁存在砂浆粘结的情况，直接计算出的砂浆体积可能不是真实的砂浆体积。为此，本实施例中，通过在不同液位高度下测量多组砂浆体积数据，然后通过matlab工具拟合出例如图5所示的砂浆液位高度与砂浆体积之间的关系，从而使检测出的砂浆体积更符合实际情况。
53.本实施例中，砂浆体积与液位高度之间的对应关系通过如下公式表示：
[0054][0055]
式中，v表示砂浆体积，l表示砂浆罐内壁长度，r表示砂浆罐底部圆柱截面半径，π为圆周率常数，h为液位高度。
[0056]
如图3所示，由于盾构掘进过程中有时会有一定坡度或者震动，使得罐体前后液位高度不同。因此，沿盾构掘进方向，在罐体前后两侧的内壁各设置一个液位传感器2，并配置
相应的套管31。如图4所示，控制器与两个液位传感器连接，以采集砂浆罐内前后两侧的砂浆压力。控制器根据两个砂浆压力，得到前液位高度h1和后液位高度h2(前液位高度h1为根据前侧壁液位传感器示数得到的砂浆液位高度，不一定与前侧壁处砂浆液位真实高度相同；后液位高度h2同理)，然后根据前液位高度h1和后液位高度h2分别计算砂浆体积v1和v2，进而求砂浆体积平均值，得到较为准确的砂浆体积v。
[0057]
作为其他实施方式，也可以将前液位高度h1和后液位高度h2求砂浆液位高度平均值h，根据砂浆液位高度平均值h得出较为准确的砂浆体积。
[0058]
如图1和图4所示，控制器采用plc控制器，控制器还与设置在导浆管6上的导浆流量计5连接，以获取导浆管6向砂浆罐导入砂浆时的导浆量，同时还控制连接导浆控制阀门7，以实现导浆控制。控制器还与上位机连接，以显示液位高度、砂浆体积、砂浆量、导浆量、注浆量和注浆速度等注浆参数。
[0059]
以注浆速度为例，当不存在外部导浆时，导浆量为0，从t0时刻到t1时刻的注浆速度v
t
就可表示为：
[0060][0061]
式中，v
t0
为t0时刻的砂浆体积，v
t1
为t1时刻的砂浆体积。
[0062]
当存在外部导浆时，导浆量为v
导
，从t0时刻到t1时刻的注浆速度v
t
就可表示为：
[0063][0064]
在此基础上，还可计算环注浆量和累计注浆量等注浆参数，并通过上位机实时显示，从而为盾构施工过程快速、安全、高效进行提供保障。此外，相比于称重传感器测量和流量计测量的方式，本发明安装维护更加方便，还可节约60％以上的成本。
[0065]
带有注浆数据测量功能的盾构机实施例：
[0066]
考虑到现有技术中，采用注浆活塞泵计次、流量计测量等注浆出口端测量注浆量的方案，以及通过多次称重做差测量注浆量的方案存在的种种问题。本发明的方法采用压力传感器测量砂浆罐底部的砂浆压力，通过预先获得的关系进而得到砂浆罐中的砂浆液位，再通过预先获得的关系进而得到砂浆罐中砂浆体积作为砂浆量，通过做差能够得到对应的注浆量。
[0067]
为了解决砂浆易凝结的特点而导致的压力传感器难以准确测量砂浆液的压力，本发明的构思是在传感器的感应面与砂浆之间形成一个充满油脂的空腔，油脂粘稠难以被砂浆液冲刷走，不溶于水，且能够很好的传递压力，防止了砂浆凝结于传感器感应面上导致压力传感器失效。
[0068]
本发明的盾构机包括一个带有注浆数据测量功能的砂浆罐，该砂浆罐在带有注浆数据测量功能的砂浆罐实施例中介绍的已经足够清楚，本实施例不再赘述。
[0069]
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本结构和功能在于上述基本方案，对本领域技术人员而言，根据本发明的教导，采用其他模块、装置、结构、安装方式不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐，包括罐体，其特征在于，罐体侧壁距罐底设定距离范围内设置有液位传感器安装位，液位传感器安装位内设置有压力传感器，所述压力传感器包括用于检测砂浆罐内砂浆压力的感应面；液位传感器安装位形成连接所述感应面和罐体内腔的空腔；所述空腔用于充入油脂以将感应面和罐体内腔中装入的砂浆液相隔离，所述油脂用于传递砂浆液的压力。2.根据权利要求1所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，所述液位传感器包括一段套管，所述套管的一端与罐体侧壁密封连接，并与罐体内腔连通；所述套管的另一端用于密封连接压力传感器，所述感应面朝向套管内腔设置；套管内腔形成了所述空腔。3.根据权利要求2所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，所述套管侧壁上穿设有注油嘴，注油嘴与注油管路连接，用于向所述空腔内加注油脂。4.根据权利要求3所述的带有注浆数据测量功能的砂浆罐，其特征在于，在间隔设定时间后，通过注油嘴向空腔内加注油脂，使油脂溢出空腔。5.一种带有注浆数据测量功能的盾构机，其特征在于，通过如下方法实现注浆数据测量功能：在砂浆罐罐体侧壁距罐底设定距离范围内设置压力传感器，采用油脂将压力传感器的感应面与砂浆罐内砂浆液相隔离，并通过油脂向感应面传递砂浆液的压力；根据砂浆液压力，得到砂浆罐内砂浆量，根据前后时刻之间的砂浆量的变化得到对应施工环节的注浆数据。6.根据权利要求5所述的带有注浆数据测量功能的盾构机，其特征在于，所述感应面和砂浆罐中砂浆液之间形成用于盛装油脂的空腔；定期向所述空腔内加注油脂，使油脂溢出空腔。7.根据权利要求5所述的带有注浆数据测量功能的盾构机，其特征在于，根据砂浆液压力得到砂浆量的方法为：通过预先标定的砂浆液压力与砂浆液位高度之间的对应关系，根据不同时刻压力传感器得到的砂浆液压力得到对应时刻的砂浆液液位高度；再通过预先标定的砂浆液液位高度与砂浆液体积之间的对应关系，根据不同时刻砂浆液液位高度得到对应时刻砂浆液体积作为对应时刻的砂浆量，再将不同时刻的砂浆量做差得到前后时刻之间的砂浆量变化。8.根据权利要求7所述的带有注浆数据测量功能的盾构机，其特征在于，在罐体至少一组相对的侧壁上均设置所述压力传感器，所述砂浆量根据各个压力传感器得到的砂浆液压力共同确定。9.根据权利要求8所述的带有注浆数据测量功能的盾构机，其特征在于，根据各个压力传感器得到的砂浆液压力确定砂浆量的方法为：根据每个压力传感器得到的砂浆液压力得出对应时刻的多个砂浆液液位高度，根据多个砂浆液液位高度得到多个对应的砂浆液体积，多个砂浆液体积求平均后作为对应时刻的砂浆量。10.根据权利要求8所述的带有注浆数据测量功能的盾构机，其特征在于，根据各个压力传感器得到的砂浆液压力确定砂浆量的方法为：根据每个压力传感器得到的砂浆液压力得出对应时刻的多个砂浆液液位高度，将多个砂浆液液位高度求平均后得到唯一砂浆液液位高度，根据唯一砂浆液液位高度得到砂浆体积作为对应时刻的砂浆量。
技术总结
本发明涉及一种带有注浆数据测量功能的砂浆罐及盾构机，本发明在将压力传感器用于砂浆量的测量时，通过在压力传感器的压力感应面与砂浆罐内的砂浆之间形成一个空腔，并在空腔内填充油脂，利用油脂不溶于水且传导压力的特性，防止砂浆在压力感应面上凝结，干扰压力的检测。且空腔天然构成了油脂的存储空间，相比油脂涂抹在感应面上厚厚一层，空腔中的油脂更难以被流动的砂浆冲刷走。在解决了砂浆凝固影响压力感应的问题后，压力传感器能够更加准确地检测到砂浆压力，从而使后续确定出的砂浆量更准确，进一步能够根据砂浆量的变化计算出更加准确的注浆速度、每环注浆量、累计注浆量等注浆数据。注浆数据。注浆数据。
