[发明专利]一种顶管机机头及管道关键位置受力监测装置及方法

说明书

本发明公开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，在顶管机机头及管道出厂前预先在相应位置埋入应变计、采集器和通讯线缆，并在工厂中模拟顶管机机头和管道在施工中可能遇到的各种受力状态，对顶管机头及管道关键位置进行标定，得到各测点精确的受力‑应变换算关系，从而精确地反应顶管机机头及管道外部的受力状态，并可以通过实时应变与材料弹性模量相乘的方式得到机头和管道的实时应力状态，达到对顶管机机头及管道外部环境受力和表面应力进行实时监测，在外部环境受力过大或者表面应力过大时及时发现并停机调整的目的。

技术领域

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。

发明内容

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。