專利名稱：一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置。
背景技術(shù)：
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特別是基礎(chǔ)設(shè)施(高速鐵路、高速公路)建設(shè)得到 了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，隧道施工的要求更加快速高效，其工作量和工作難度都大大增加?？焖?鉆機(jī)在目前的隧道施工中的使用越來越普及，但是現(xiàn)有的快速鉆機(jī)并不能在快速鉆進(jìn)的過 程中同時(shí)完成對(duì)前方地質(zhì)情況的準(zhǔn)確分析和判斷，不具有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析的功能。在隧道施工中常常遇到長度達(dá)數(shù)公里或數(shù)十公里的大隧道，雖然在前期的勘探設(shè) 計(jì)過程中都進(jìn)行過相應(yīng)的地質(zhì)勘探工作，對(duì)施工有一定的指導(dǎo)意義，但由于巖體的復(fù)雜性， 使得勘察所獲得的數(shù)據(jù)資料與隧道開完后所揭示出來的真實(shí)情況往往有較大的偏差。這樣 在隧道的施工過程中就會(huì)有很大的盲目性，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)難以預(yù)料的塌方、冒頂、涌 水等事故。而發(fā)生事故時(shí)，往往造成巨大的設(shè)備和財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡，而且處理事故 的難度往往較大，因此做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道工程建設(shè)過程中一項(xiàng)十分重要而有益的工 作。目前雖然已有很多的物探法存在，但是仍然不能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道掌子面深部異常地 質(zhì)情況以及其具體深度位置的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供操作簡便、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的一種應(yīng)用于隧道快 速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案本實(shí)用新型包括安裝在隧道快速鉆機(jī)上的傳感器、可編程控制器PLC、人機(jī)交互界 面HMI、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM、安裝于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、以及讀卡器和計(jì)算機(jī)；所述傳感器的輸出端接可編程控制器PLC的相應(yīng)輸入端，所述可編程控制器PLC 通過通訊總線CANbus分別與人機(jī)交互界面HM I和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM相連接；所述讀卡器 插入所述計(jì)算機(jī)的USB接口。所述傳感器包括鉆桿鉆進(jìn)編碼器EC1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓變送器PT1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)流量 變送器FT1、沖擊壓力變送器PT2、推進(jìn)壓力傳感器-前PT3、推進(jìn)壓力傳感器-后PT4、送水 壓力變送器PT5、送水流量變送器FT2、排水壓力變送器PT6和排水流量變送器FT3。本實(shí)用新型的有益效果是使隧道快速鉆機(jī)在完成其施工任務(wù)的同時(shí)具備了超前 地質(zhì)預(yù)報(bào)的功能；使用本裝置完成的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與國內(nèi)其他物探法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法 相比較，能夠較準(zhǔn)確地給出異常地質(zhì)情況的具體位置，具有很高的精度。為下一步采取合理 的施工方案提供了第一手的可靠的數(shù)據(jù)資料，能夠極大地減少災(zāi)害性事故的發(fā)生幾率，為 隧道快速、安全、高效地施工提供了可靠的技術(shù)保證，極具市場應(yīng)用價(jià)值。
圖1是本實(shí)用新型的原理框圖；圖2是各傳感器與可編程控制器PLC的線路連接圖；圖3是本實(shí)用新型的工作流程圖；圖4是人機(jī)交互界面HMI參數(shù)監(jiān)控的屏幕截圖；圖5是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)配置界面的屏幕截圖；圖6是鉆桿旋轉(zhuǎn)扭矩與鉆孔累計(jì)深度之間的關(guān)系曲線圖；圖7是各傳感器在快速鉆機(jī)油路控制上的分布示意圖；圖8是各傳感器在快速鉆機(jī)水路系統(tǒng)上的分布示意圖。
具體實(shí)施方式
由圖1、2所示的實(shí)施例可知，它包括安裝在隧道快速鉆機(jī)上的傳感器、可編程控 制器PLC、人機(jī)交互界面HMI、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM、安裝于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、以 及讀卡器和計(jì)算機(jī)；所述傳感器的輸出端接可編程控制器PLC的相應(yīng)輸入端，所述可編程控制器PLC 通過通訊總線CANbus分別與人機(jī)交互界面HMI和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM相連接；所述讀卡器 插入所述計(jì)算機(jī)的USB接口。所述傳感器包括鉆桿鉆進(jìn)編碼器EC1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓變送器PT1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)流量 變送器FT1、沖擊壓力變送器PT2、推進(jìn)壓力傳感器-前PT3、推進(jìn)壓力傳感器-后PT4、送水 壓力變送器PT5、送水流量變送器FT2、排水壓力變送器PT6和排水流量變送器FT3。所述鉆桿鉆進(jìn)編碼器ECl的“+UB”端和“0V”端分別接+24V和-24V，其輸出端A和 B分別接所述可編程控制器PLC的輸入端IN00-IN01 ；所述旋轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓變送器PT1、旋轉(zhuǎn) 馬達(dá)流量變送器FT1、沖擊壓力變送器PT2、推進(jìn)壓力傳感器-前PT3、推進(jìn)壓力傳感器-后 PT4、送水壓力變送器PT5的“ + ”端分別接+24V，它們的“-”端依次分別接所述可編程控制 器PLC的輸入端IN02-IN07 ；所述送水流量變送器FT2的1端接+24V，其2端和27端分別 接-24V，其輸出端沈端接所述可編程控制器PLC的輸入端I N08 ；所述排水壓力變送器PT6 的“ + ”端接+24V，其“-”端接所述可編程控制器PLC的輸入端IN09 ；所述排水流量變送器 FT3的1端接+24V，其2端和27端分別接-24V，其輸出端沈端接所述可編程控制器PLC的 輸入端I NlO ；所述可編程控制器PLC的“VBS(+) ”端和“GND(-) ”端分另接+24V和-24V。在圖2中，各傳感器的型號(hào)如下鉆桿鉆進(jìn)編碼器ECl為Waycon拉線位移式增量 編碼器，型號(hào)為SX120-5000-3. 1-G-SR-0，拉繩每前進(jìn)Imm編碼器輸出3. 1個(gè)脈沖；旋轉(zhuǎn)馬 達(dá)油壓變送器PT1、沖擊壓力變送器PT2、推進(jìn)壓力傳感器-前PT3、推進(jìn)壓力傳感器-后 PT4這4個(gè)傳感器選用的是HYDAC的壓力變送器，型號(hào)為HDA4744-A-250-Y00 ；旋轉(zhuǎn)馬達(dá) 流量變送器FTl選用的是HYDAC的渦輪式流量變送器，型號(hào)為EVS3104-A-0300-000 ；送水 壓力變送器PT5、排水壓力變送器PT6選用的是Danfoss的壓力變送器，型號(hào)為060G3527 MBS 3000 ；送水流量變送器FT2、排水流量變送器FT3選用的是E+H的電磁流量計(jì)，型號(hào)為 50W-25UA0A1AA0ABAA。在圖2中，可編程控制器PLC選用的是IFM的車載式移動(dòng)控制器，型號(hào)為CR0032， 它的輸入通道(IN00-IN10)根據(jù)輸入信號(hào)的不同可以分別配置成數(shù)字量輸入、模擬量4-20mA輸入，模擬量0-10V輸入，以及高速脈沖輸入等不同模式。在本實(shí)用新型中，可編程 控制器PLC的輸入通道配置如下IN00、IN01兩個(gè)通道配置成脈沖輸入模式，IN02 -IN10九 個(gè)通道配置成模擬量4-20mA輸入模式。在圖1中，人機(jī)交互界面HM I選用的是IFM的對(duì)話模塊，型號(hào)為CR9211，是一種 用于移動(dòng)車輛和工程機(jī)械的5. 7"彩色顯示器；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM選用的是IFM的用于 CANopen系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和記錄儀，型號(hào)為CR3101，該裝置可選配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡；數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 卡選用的是IFM存儲(chǔ)容量為IG的SD卡EC1021。各傳感器的在快速鉆機(jī)上的分布安裝位置見圖7、圖8，鉆桿鉆進(jìn)編碼器ECl是拉 繩式編碼器，拉繩的一端固定，另一端連接至由動(dòng)力頭推進(jìn)油缸驅(qū)動(dòng)的鉆桿上，當(dāng)快速鉆機(jī) 鉆進(jìn)過程中，鉆桿會(huì)拉動(dòng)編碼器ECl的拉繩前進(jìn)，這樣就可以通過ECl獲取鉆孔累計(jì)深度 Depth以及鉆桿推進(jìn)速度Vs ；推進(jìn)壓力傳感器-前PT3和推進(jìn)壓力傳感器-后PT4均裝設(shè) 在推進(jìn)油缸控制油路上，通過它們的測量值可以分別計(jì)算鉆桿的推進(jìn)力Fl和起撥力F2 ；旋 轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓變送器PTl和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)流量變送器FTl均裝設(shè)在動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的控制油路 上，通過它們的測量值可以分別計(jì)算鉆桿旋轉(zhuǎn)扭矩T和鉆桿轉(zhuǎn)速n，沖擊壓力變送器PT2裝 設(shè)在動(dòng)力頭沖擊錘的控制油路上，通過其測量值可以計(jì)算鉆孔沖擊錘的打擊能E、打擊次數(shù) Beats、破壞能EV ；送水壓力變送器PT5和送水流量變送器FT2均裝設(shè)在快速鉆機(jī)鉆進(jìn)過程 中給鉆桿送水的回路上；排水壓力變送器PT6和排水流量變送器FT3均裝設(shè)在快速鉆機(jī)鉆 進(jìn)過程中鉆桿的排水回路上，這樣通過對(duì)PT5、FT2和PT6、FT3測量數(shù)值的比較，可以判斷前 方是否有空洞或地下暗河等地質(zhì)情況?？傊?，通過設(shè)置上述傳感器可以即時(shí)地測量快速鉆機(jī)工作過程中鉆桿的推進(jìn)、旋 轉(zhuǎn)、沖擊參數(shù)，鉆桿鉆進(jìn)的深度、速度參數(shù)，以及送水回路與排水回路的比較參數(shù)。通過這些 參數(shù)就可以間接地反應(yīng)前方的巖質(zhì)構(gòu)成情況，得出準(zhǔn)確可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果。本實(shí)施例的工作原理如下1、啟動(dòng)可編程控制器PLC，在快速鉆機(jī)的工作過程中各傳感器的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生 動(dòng)態(tài)的變化，此變化是跟前方地質(zhì)情況的變化密切相關(guān)的。這些信號(hào)通過可編程控制器PLC 的輸入通道IN00-IN10被實(shí)時(shí)地采集上來，同時(shí)在PLC內(nèi)完成相關(guān)運(yùn)算，并最終得出需要保 存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)(即附表1)。具體的計(jì)算方法如下(1)鉆孔累計(jì)深度
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，其特征在于它包括安裝在隧道快速 鉆機(jī)上的傳感器、可編程控制器PLC、人機(jī)交互界面HMI、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM、安裝于數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)裝置上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、以及讀卡器和計(jì)算機(jī)；所述傳感器的輸出端接可編程控制器PLC的相應(yīng)輸入端，所述可編程控制器PLC通過 通訊總線CANbus分別與人機(jī)交互界面HMI和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM相連接；所述讀卡器插入所 述計(jì)算機(jī)的USB接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，其特征在 于所述傳感器包括鉆桿鉆進(jìn)編碼器EC1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓變送器PT1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)流量變送器 FT1、沖擊壓力變送器PT2、推進(jìn)壓力傳感器-前PT3、推進(jìn)壓力傳感器-后PT4、送水壓力變 送器PT5、送水流量變送器FT2、排水壓力變送器PT6和排水流量變送器FT3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，其特征在于 可編程控制器PLC的型號(hào)為CR0032 ；所述人機(jī)交互界面HMI的型號(hào)為CR9211 ；所述數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)裝置MEM的型號(hào)為CR3101 ；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡的型號(hào)為EC1021。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，其特征在于 所述鉆桿鉆進(jìn)編碼器ECl的“+UB”端和“0V”端分別接+24V和-24V，其輸出端A和B分別 接所述可編程控制器PLC的輸入端IN00-IN01 ；所述旋轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓變送器PT1、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)流 量變送器FT1、沖擊壓力變送器PT2、推進(jìn)壓力傳感器-前PT3、推進(jìn)壓力傳感器-后PT4、送 水壓力變送器PT5的“ + ”端分別接+24V，它們的“-”端依次分別接所述可編程控制器PLC 的輸入端IN02-IN07 ；所述送水流量變送器FT2的1端接+24V，其2端和27端分別接-24V， 其輸出端26端接所述可編程控制器PLC的輸入端IN08 ；所述排水壓力變送器PT6的“ + ”端 接+24V，其“-”端接所述可編程控制器PLC的輸入端IN09 ；所述排水流量變送器FT3的1 端接+24V，其2端和27端分別接-24V，其輸出端沈端接所述可編程控制器PLC的輸入端 INlO ；所述可編程控制器PLC的“VBS⑴”端和“GND㈠”端分別接+24V和-24V。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用于隧道快速鉆機(jī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，它包括安裝在隧道快速鉆機(jī)上的傳感器、可編程控制器PLC、人機(jī)交互界面HMI、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM、安裝于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、以及讀卡器和計(jì)算機(jī)；所述傳感器的輸出端接可編程控制器PLC的相應(yīng)輸入端，所述可編程控制器PLC通過通訊總線CANbus分別與人機(jī)交互界面HMI和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置MEM相連接；所述讀卡器插入所述計(jì)算機(jī)的USB接口。本實(shí)用新型的有益效果是使隧道快速鉆機(jī)在完成其施工任務(wù)的同時(shí)具備了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的功能，能夠較準(zhǔn)確地給出異常地質(zhì)情況的具體位置，具有很高的精度，并且操作簡便。
文檔編號(hào)E21F17/18GK201884070SQ20102059471
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者劉俊平, 吳平, 白曉軍, 程良, 趙保久, 陳雁斌, 韓志剛 申請(qǐng)人:秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工股份有限公司