本發(fā)明涉及城市地鐵、山嶺隧道、引水隧洞等采用盾構(gòu)/tbm施工的隧道工程實(shí)驗(yàn)方法領(lǐng)域，具體為一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤(pán)激振力的實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們的生活得到了很大的改善與提高，同時(shí)對(duì)于交通建設(shè)提出了更高的要求。為了滿(mǎn)足日益飛速發(fā)展的社會(huì)需求，地鐵隧道、山嶺隧道、引水隧道等進(jìn)入了快速建設(shè)時(shí)期。

隨著地下空間的大力開(kāi)發(fā)，盾構(gòu)/tbm等各類(lèi)隧道掘進(jìn)機(jī)在高速鐵路、公路、城市地鐵、穿山越江隧道等工程中得到越來(lái)越廣的應(yīng)用。同時(shí)，盾構(gòu)/tbm遭遇的各類(lèi)地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)控制的要求越來(lái)越高。如，盾構(gòu)掘進(jìn)軟硬不均地層或孤石地層等過(guò)程中，刀盤(pán)受偏載、沖擊載荷影響較大，導(dǎo)致滾刀疲勞損耗嚴(yán)重、不正常損壞多、地層擾動(dòng)塌陷、主軸承受損嚴(yán)重等問(wèn)題。

針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)/tbm施工過(guò)程中的刀盤(pán)振動(dòng)沖擊問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展的研究并不多見(jiàn)，其研究方法主要依賴(lài)于數(shù)值計(jì)算和工程實(shí)踐的總結(jié)，真正用實(shí)驗(yàn)的方法研究刀盤(pán)振動(dòng)問(wèn)題還未開(kāi)展。

為了有效的探索復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)刀盤(pán)的振動(dòng)問(wèn)題，研究刀盤(pán)的振動(dòng)特性，降低刀盤(pán)振動(dòng)帶來(lái)的盾構(gòu)施工控制風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的選取，設(shè)計(jì)了一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤(pán)激振力的實(shí)驗(yàn)方法，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種可以獲取不同工況下盾構(gòu)刀盤(pán)激振力，為刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和重要參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤(pán)激振力的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：a）、相似材料配置；b）相似地層制作；c）刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；d）模擬掘進(jìn)控制；5）各種數(shù)據(jù)采集與分析；6）指導(dǎo)刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

所述的相似材料配置是指，根據(jù)工程地質(zhì)條件，概化地質(zhì)力學(xué)模型，確定各地層的巖土體物理力學(xué)特性；根據(jù)froude比例定律的要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)度、應(yīng)力、力和時(shí)間相似比尺，并根據(jù)相似比尺確定各地層的物理力學(xué)特性；通過(guò)包括水、水泥、砂、重晶石粉和礦渣在內(nèi)的各種材質(zhì)配置出滿(mǎn)足密度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)要求的各地層相似模型材料。

所述的相似地層模型制作是指，根據(jù)長(zhǎng)度相似比尺，確定盾構(gòu)掘進(jìn)斷面的各地層面尺寸，根據(jù)tbm掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)巖盤(pán)尺寸采用上述各地層相似模型材料制作相似地層模型。

所述的刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指，為了有效地全面監(jiān)測(cè)盾構(gòu)刀盤(pán)三向振動(dòng)加速度時(shí)程變化，采用四種傳感器布設(shè)依據(jù)：1）針對(duì)刀盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變較大的部位，如y型、t型、x型構(gòu)架處按不同滾壓半徑分別布設(shè)加速度傳感器；2）沿1條經(jīng)線布設(shè)加速度傳感器，布設(shè)位置相交于經(jīng)線與滾刀軌跡線交叉點(diǎn)處；3）沿刀盤(pán)中部1條滾刀軌跡線分別布設(shè)加速度傳感器；4）在刀盤(pán)最外圈1/4半圓內(nèi)布設(shè)加速度傳感器，形成刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)特殊部位的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以獲得刀盤(pán)環(huán)形與徑向刀盤(pán)全面振動(dòng)規(guī)律。

所述的模擬掘進(jìn)控制是指，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)控制原理，相似模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)包括刀盤(pán)推力、推進(jìn)速度、扭矩和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行模擬控制，有效仿真現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)控制。

所述的數(shù)據(jù)采集與分析是指，在盾構(gòu)掘進(jìn)模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)布設(shè)在刀盤(pán)和巖盤(pán)內(nèi)的傳感器實(shí)時(shí)采集刀盤(pán)振動(dòng)加速度、應(yīng)變值、巖盤(pán)振動(dòng)加速度值，對(duì)采集的時(shí)域曲線剔除異常值，并進(jìn)行fft變換。

所述的指導(dǎo)刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)是指，根據(jù)獲取的不同工況下的盾構(gòu)刀盤(pán)振動(dòng)加速度，通過(guò)力-加速度轉(zhuǎn)換，作為刀盤(pán)結(jié)構(gòu)分析的邊界條件，分析不同地質(zhì)條件下不同刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布特征，指導(dǎo)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

積極有益效果：本發(fā)明通過(guò)采用此實(shí)驗(yàn)方法獲取不同工況下盾構(gòu)刀盤(pán)激振力，為刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了一種新的方法，其不同工況下的刀盤(pán)激振力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)以后的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣和應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤(pán)激振力的實(shí)驗(yàn)方法原理圖；

圖2刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加速度傳感器布設(shè)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施案例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖1所示，開(kāi)展室內(nèi)獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤(pán)激振力的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：a）、相似材料配置；b）相似地層制作；c）刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；d）模擬掘進(jìn)控制；e）各種數(shù)據(jù)采集與分析；f）指導(dǎo)刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

所述的相似材料配置是指，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，獲取隧道下穿地層的不良地質(zhì)條件及其各地層的物理力學(xué)指標(biāo)，包括巖土體密度、單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等等，并概化地質(zhì)力學(xué)模型。

根據(jù)froude比例定律的要求設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)度、應(yīng)力、力和時(shí)間相似比尺，并確定各地層的物理力學(xué)特性。為了獲得具有此物理力學(xué)特性的相似模型材料，在確定了初步配置方案和基本材料的基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)每種地層設(shè)計(jì)不少于9組的配比方案，并制作50mm×100mm圓柱形巖樣，對(duì)每組配比的巖樣開(kāi)展密度試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以確定滿(mǎn)足要求的配比方案。

根據(jù)概化的地質(zhì)力學(xué)模型，應(yīng)用上述配置的相似模型材料在tbm掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)制作相似模型地層，并在巖盤(pán)表面以下10cm、30cm平面內(nèi)，刀盤(pán)中部滾刀軌跡線正下方每層平面均勻布設(shè)8個(gè)三向加速度傳感器。

所述的相似地層模型制作是指，根據(jù)長(zhǎng)度相似比尺，確定盾構(gòu)掘進(jìn)斷面的各地層面尺寸，根據(jù)tbm掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)巖盤(pán)尺寸采用上述各地層相似模型材料制作相似地層模型。

所述的刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可參考圖2，采用4種刀盤(pán)加速度傳感器1布設(shè)依據(jù)，設(shè)計(jì)刀盤(pán)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：1）針對(duì)刀盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變較大的部位（y型、t型）布設(shè)不少于3個(gè)加速度傳感器；2）沿一條經(jīng)線布設(shè)加速度傳感器5個(gè)，位置布設(shè)于經(jīng)線與滾刀軌跡線交叉點(diǎn)處；3）沿刀盤(pán)中部1條滾刀軌跡線處分別布設(shè)6個(gè)加速度傳感器；4）在刀盤(pán)最外圈1/4半圓內(nèi)布設(shè)3個(gè)加速度傳感器，形成完善的刀盤(pán)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

所述的模擬掘進(jìn)控制是指，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)控制原理，相似模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)包括刀盤(pán)推力、推進(jìn)速度、扭矩和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行模擬控制，有效仿真現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)控制。如，根據(jù)froude比例定律確定相似模型實(shí)驗(yàn)的掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以控制轉(zhuǎn)速為主，設(shè)計(jì)不少于5組轉(zhuǎn)速工況，以控制推進(jìn)速度為輔，每組轉(zhuǎn)速工況下設(shè)計(jì)不少于5組推進(jìn)速度工況，并依次進(jìn)行掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

所述的數(shù)據(jù)采集與分析是指，在盾構(gòu)掘進(jìn)模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)布設(shè)在刀盤(pán)和巖盤(pán)內(nèi)的傳感器實(shí)時(shí)采集刀盤(pán)振動(dòng)加速度、應(yīng)變值、巖盤(pán)振動(dòng)加速度值，對(duì)每種掘進(jìn)工況實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，剔除異常值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得刀盤(pán)每個(gè)加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域曲線。進(jìn)行力與加速度的換算作為刀盤(pán)仿真計(jì)算的邊界條件，可以進(jìn)行刀盤(pán)刀具的靜力學(xué)分析與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。針對(duì)不同工況獲得的加速度時(shí)域曲線計(jì)算得到不同工況對(duì)應(yīng)的刀盤(pán)力學(xué)特性，為刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。

所述的指導(dǎo)刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)是指，根據(jù)獲取的不同工況下的盾構(gòu)刀盤(pán)振動(dòng)加速度，通過(guò)力-加速度轉(zhuǎn)換，作為刀盤(pán)結(jié)構(gòu)分析的邊界條件，分析不同地質(zhì)條件下不同刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布特征，指導(dǎo)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本發(fā)明通過(guò)采用此實(shí)驗(yàn)方法獲取不同工況下盾構(gòu)刀盤(pán)激振力，為刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了一種新的方法，其不同工況下的刀盤(pán)激振力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)以后的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣和應(yīng)用。

以上實(shí)施案例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在所述領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替代及改進(jìn)等，均應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。