一种围岩与全断面隧道掘进机护盾相互作用过程监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种围岩与护盾相互作用过程测试方法，其步骤：A、焊接安装在护盾外表面用于直接测试围岩对护盾的挤压力，将压力盒电缆线套入柔性护线套管引入护盾内并连接读数仪；B、在护盾内表面各监测点环向和纵向各安装一个表面应变传感器，通过测试到的护盾内表面环向和纵向应变，根据弹性力学原理反算出围岩对护盾挤压力；C、根据测试到的围岩对护盾挤压力分布规律，设相邻两测点间的挤压力线性分布，计算护盾所受到的摩阻力；D、根据卡机状态判别准则和卡机风险系数计算方法，计算判断护盾是否被卡，预警卡机风险级别。解决了护盾式TBM掘进过程围岩与护盾相互作用监测难题，为卡机事故预测分析提供基础，对TBM掘进安全具有重要意义。
【专利说明】
一种围岩与全断面隧道掘进机护盾相互作用过程监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及围岩与支护结构相互作用监测方法领域，更具体涉及一种TBM掘进条 件下围岩与TBM护盾相互作用过程监测方法，也可用于测试围岩对其他支护结构的荷载。
【背景技术】
[0002] 护盾式全断面隧道掘进机(TBM)可以使得掘进和安装管片同步进行，掘进效率高， 施工安全，广泛应用于隧道掘进。然而，TBM在深埋长大隧道和深井巷道建设中，往往需要穿 越一些高地应力软弱、破碎岩层，围岩易发生大变形。当护盾区域围岩的变形量超过开挖预 留的围岩与护盾间的变形间隙时，围岩开始与护盾接触并挤压护盾，进而在TBM推进时围岩 对护盾产生摩阻力，当TBM推进系统提供的推力不足以克服护盾所受摩阻力时便导致TBM护 盾被卡，甚至造成护盾损毁。TBM卡机事故从力学本质上来说就是围岩与护盾间的接触-挤 压-摩擦相互作用。因此，为了预测判断TBM卡机事故，非常有必要测试围岩与TBM护盾的相 互作用。其中围岩对护盾挤压力测试是围岩与护盾相互作用过程监测的关键，但由于以下 原因，目前国内外尚还没有监测围岩与护盾相互作用过程的成熟方法：
[0003] (l)TBM厂家由于没有测试需求，故在设计生产出厂时并没有装配测试围岩挤压力 的传感器。
[0004] (2)施工单位往往也是在出现卡机事故时才被动米取解困措施，而很少在事前进 行围岩变形和围岩对护盾挤压力的实时监测。
[0005] (3)由于围岩与护盾间的预留变形间隙很小，通常为5~10cm，观测空间狭小，而且 随着TBM不断向前掘进，护盾与围岩将产生相对滑移，许多传感和监测设备难于安装在这个 狭小的观测空间内，即便使用一些扁平薄状的传感器安装后将在护盾随着TBM掘进前移时 被接触到的表面凹凸不平的围岩给剐蹭掉落，或者挤毁，因此目前还没有专门测试围岩与 护盾相互作用过程的测试方法。
[0006] 鉴于TBM开挖时为围岩与护盾间预留的扩挖变形间隙小，测试空间狭小的特点，本 发明专利提出了一种围岩与TBM护盾相互作用监测方法。
【发明内容】
[0007] 为了解决围岩与全断面隧道掘进机(TBM)护盾相互作用过程实时测试的难题，本 发明的目的是在于提供了一种围岩与全断面隧道掘进机(TBM)护盾相互作用过程监测方 法，方法易行，操作简便，该测试方法不仅能测试某一点处围岩对护盾的挤压力，还能测试 围岩与护盾从何处开始接触、接触范围和挤压力的分布规律，还能计算围岩与护盾之间的 摩阻力，从而预测判断护盾是否被卡。
[0008] 为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] 一种围岩与全断面隧道掘进机(TBM)护盾相互作用过程监测方法，其步骤是：
[0010] (1)围岩对护盾挤压力监测：采用护盾外表面安装压力盒直接测量和护盾内表面 安装表面应变传感器间接测量相结合的方法。具体如下：
[0011]①护盾外表面安装压力盒直接测试围岩对护盾挤压力：
[0012]设计了一种用于测试围岩对护盾挤压力的压力盒，充分利用该种微型压力盒体积 小、凸起的压力触头能够直接测量该测点处围岩对护盾的挤压力，将压力盒安装固定在护 盾外表面测量围岩对护盾挤压力。它包括杯形底座、环形盒盖、压力传感器和护线套管，其 连接关系是：将杯形底座的底部焊接在护盾外表面，在杯形底座上端8mm范围内刻有螺距 1mm的外侧螺纹，且在杯形底座上端开一方形凹槽;将压力传感器放入杯形底座中，将压力 传感器自带的压力传感器电缆线从杯形底座上端凹槽中穿出，在压力传感器电缆线周围套 上护线套管;制作一顶部环形盒盖，在环形盒盖的最外端有盒盖外边缘，在环形盒盖外边缘 内刻有螺距1mm的内侧螺纹，在环形盒盖中心开一半径为10mm的圆孔，再将环形盒盖盖上， 将杯形底座和环形盒盖通过螺纹连接;压力传感器的压力触头从环形盒盖中心圆孔露出。 其结构关系及安装方法为:加工制作一上端留有凹槽和刻有螺纹的杯形底座，现场测试时 将杯形底座底部焊接在全断面隧道掘进机(TBM)护盾外表面上，用于放置压力传感器和将 传感器固定到被测物体全断面隧道掘进机(TBM)护盾外表面上，并在监测测试时起到抵抗 全断面隧道掘进机(TBM)前移时围岩与传感器接触后的剪切力的作用;现场安装时待该底 座焊接冷却后将压力传感器放入这一杯形底座中，将传感器电缆线从杯形底座上端凹槽中 引出，并在电缆线周围敷设柔性钢环护线套管用于保护电缆线以免在护盾前移时被接触上 的岩石挤压、磨损；制作开有中心圆孔、外边缘内侧刻有螺纹的环形盒盖，盖住内部放置的 压力传感器，且使得传感器的压力触头露出，能够与周围的围岩接触;待压力传感器放入杯 形底座后盖上该环形盒盖，将环形盒盖与杯形底座通过螺纹紧固连接，此时压力传感器顶 部的压力触头从环形盒盖中心圆孔露出，便构成了测试围岩对全断面隧道掘进机(TBM)护 盾挤压力的压力盒。将压力盒布置成阵列式测试围岩对护盾挤压力分布:在护盾外表面拱 顶、左右两肩和左右两帮共五排、每排十个安装压力盒，见图1和图2。将护盾外表面所有压 力盒电缆线集中合并成股引入护盾内，并且电缆线保护套管采用AB胶与护盾外表面钢壳粘 结牢固，便于测量，由此在护盾外表面组成一个实时测试围岩对护盾挤压力的阵列式测试 网络。将引入护盾内空间的电缆线接入数据采集仪，读取数据，记第i个压力盒测量出的挤 压力为Pi。
[0013] ②护盾内表面应变测试，反算围岩对护盾挤压力
[0014] 在护盾内表面安装表面应变传感器(振弦式或光纤光栅式表面应变传感器）。在护 盾内表面拱顶、左右两肩和左右两帮共五排、每排十个测点。每一测点环向和纵向均安装一 个应变传感器(见图1和图2)，纵向传感器用于测试护盾纵向应变心，环向应变传感器用于 测试护盾环向应变ε θ，据此测量了第i测点处纵向和环向两个方向的应变 和4。每一测点
处微元受力状态如图6所示，根据弹性力学原理即可计算得到这一测点处围岩对护盾的挤 压力Pi' ·
[0015]
[0016]
[0017]其中4为第i测点微元纵向应变，4为第i测点微元环向应变;σ;为第i测点微元 纵向应力;4为第i测点微元环向应力，Pi'为第i测点微元所受的等效围岩对护盾挤压力;E 为护盾弹模，μ为护盾泊松比。
[0018] 全断面隧道掘进机(ΤΒΜ)护盾在纵向上两端没有约束，为自由边界，因此设每一测 点处纵向应力<=〇。于是上式（1)、（2)可写成：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] ^ ^ \ j 产
[0024] 在拱顶处同时在外表面安装压力盒和在内表面安装轴向、环向表面应变传感器， 则把拱顶同一测点处压力盒测得的挤压力Pi与护盾内表面应变反算得出的等效挤压力 进行比较验证，两者之间的系数记为k:
[0025]
[0026] 数据显示护盾内其他应变测点处也基本符合同样的比例关系，则护盾内表面应变 第i测点处对应的护盾外表面所受挤压力?:为：
[0027] Pi = kPi， (8)
[0028] (2)通过测量得到的挤压力分布规律计算护盾所受摩阻力。
[0029] 由于测点间距离较近，因此假设相邻测点间的挤压力服从线性分布，如图2所示。 而且将护盾上下两半形状、受力状态视为是对称的。因此，得到每一环监测测点所对应的因 围岩挤压力产Φ的护盾所矽塵阳力Mi:
[0030]
[0031] 式中：为第j环监测测点区域对应的护盾所受摩阻力（j = l，2,3~10)，f为围岩 与护盾间的摩擦系数，PiS环向第i测点围岩对护盾挤压力（1 = 1，2,3 - 8)，？1+1为第（1+1) 测点围岩对护盾挤压力，L为第i测点与第(i+Ι)测点间的弦长，R S为护盾内径，为第i测点 与第（i+Ι)测点间对应的圆心角，A 1为纵向上相邻测点之间的间距。
[0032]将每环监测测点计算得到的摩阻力相加再加上因全断面隧道掘进机(TBM)自重产 生的摩阻力，便得到护盾所受的总摩阻力Rf:
[0033]
[0034] 式中：Rf为护盾所受总摩阻力，W为全断面隧道掘进机(TBM)自重，j为纵向上监测 测点的序号(」= 1，2,3···10)。
[0035] (3)基于卡机状态判别准则，依据测试计算出的护盾所受摩阻力和全断面隧道掘 进机(ΤΒΜ)推进系统提供的推力大小关系，计算卡机风险系数和预测判断是否发生卡机。其 中，卡机状态判别准则为：
[0036]
[0037] 式中：Fb为全断面隧道掘进机(ΤΒΜ)机器正常连续掘进开挖所需推力，全断面 隧道掘进机(TBM)推进系统所能提供的额定推力;Fr为克服护盾所受摩阻力所需要的推力， 等于护盾所受摩阻力：
[0038] Fr = Rf (12)
[0039] 据此判别全断面隧道掘进机(TBM)护盾是否被卡。
[0040] 全断面隧道掘进机(TBM)卡机的风险系数1定义为：
[0041] 4 1
[0042]式中:Ff为全断面隧道掘进机(TBM)掘进前移所需要的总推力。
[0043]据此计算卡机的风险系数，进行卡机风险分析。根据计算的风险系数大小将全断 面隧道掘进机(TBM)卡机风险划分为四级:不卡机、轻微卡机、严重卡机和非常严重卡机，如 表1所示。
[0044] 表1TBM卡机状态风险分级
[0045]
Luw&」 不及明与现令扠不ffiK，共令以卜1兀点和欢朱：
[0047] (1)同时米用护盾外表面安装压力盒直接测量围岩对护盾挤压力和护盾内表面安 装表面应变传感器间接测量挤压力，使得测量仪器安装更加简单、稳固，测量结果更加可 与巨〇
[0048] (2)自行设计制作的测试围岩对护盾挤压力的压力盒在测试安装时，焊接高温不 会传递到压力传感器上，不会损坏传感器内部结构，而且能够保证内部压力传感器不会随 护盾和TBM前移而被剐蹭掉落和损坏。
[0049] (3)根据测试结果能够计算护盾所受摩阻力和判断护盾是否被卡。
[0050] 已采用该方法在某工程护盾式TBM进行了围岩与护盾相互作用过程监测现场试 验，在该TBM护盾外表面安装了测试围岩对护盾挤压力的压力盒、在护盾内表面环向和轴向 安装了振弦式和光纤光栅式表面应变传感器，安装方式如图2所示，其中一次在护盾中部监 测断面的测试结果如表2所示：
[005? ]表2护盾式TBM围岩与护盾相互作用监测结果(符号以压为正，拉为负）
[0052]
[0053] 注：式（5)、（6)和（9)中参数取值4 = 2126卩&# = 0.2彳=0.35，1^ = 4111丄=1111，￥ = 20MN。
[0054]计算得到这一环监测测点的K = 0.81227,且根据式(9)计算得到这一环护盾所受 的摩阻力Mf=90.286MN，根据式（1〇)把其他各环监测断面所计算的摩阻力相加再加上 TBM自重引起的摩阻力即可计算得到护盾所受总摩阻力，从而根据式（11)和式（13)计算卡 机风险系数和预测判断是否卡机，因此采用该方法能够实现围岩与TBM护盾相互作用过程 的监测，能够预测判断TBM护盾是否被卡塞。
【附图说明】
[0055]图1为一种围岩与护盾相互作用测试传感器整体布置图。
[0056]图2为一种测点布置横断面图。
[0057]图3为一种测试围岩对TBM护盾挤压力的压力盒整体主视图。
[0058] 图4为一种杯形底座俯视图。
[0059] 图5为一种环形盒盖俯视图。
[0060] 图6为一种护盾内表面应变测点微元的应力状态图。
[0061]图中：1·护盾外表面、2.全断面隧道掘进机(TBM)刀盘、3.压力盒、4.压力盒电缆 线、5 .护盾内表面、6 .环向表面应变传感器、7.纵向表面应变传感器、8.表面应变传感器电 缆线、9.围岩、10.全断面隧道掘进机(TBM)开挖轮廓、11.护盾、12.围岩与护盾间的扩挖预 留变形间隙、13 ·杯形底座、14 ·环形盒盖、15 ·压力传感器(型号:YY-C125-10KN)主体、16 ·护 线套管、17.杯形底座上端外侧螺纹、18.杯形底座上端凹槽、19.压力传感器电缆线、20.盒 盖中心圆孔、21.环形盒盖外边缘内侧螺纹、22.压力传感器（型号:YY-C125-10KN)压力触 头。
【具体实施方式】
[0062] 实施例1:
[0063]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0064]本发明依次进行围岩对护盾挤压力测试、护盾所受摩阻力计算和卡机状态判别的 围岩与护盾相互作用过程监测，一种围岩与全断面隧道掘进机护盾相互作用过程监测方 法，其步骤是：
[0065]第一，围岩对护盾挤压力的测试:护盾内表面应变测试反算围岩对护盾挤压力： [0066] (1)在护盾外表面直接测试挤压力：
[0067] 设计制作一种围岩对护盾挤压力的压力盒，压力盒由杯形底座、环形盒盖、压力传 感器和护线套管组成，根据围岩与护盾式TBM护盾之间的扩挖预留变形间隙12的大小选择 压力传感器15尺寸（高记为h，内径记为r，本实施例选择压力传感器型号为YY-C125-10KN， 其尺寸为h= 11.5mm，r = 13mm)，根据压力传感器15的直径和高度设计杯形底座13的尺寸 (杯形底座高H = h+20mm，内径Ri = r，外径R〇 = r+5mm)，从不锈钢铸铁中车出杯形底座13,在 杯形底座13上端8mm范围内加工螺距1mm的外侧螺纹17,在杯形底座上端开一方形凹槽18 (高=宽=2倍压力传感器电缆线直径），杯形底座13用于放置压力传感器15和将压力传感 器15固定到被测物体护盾外表面1上;并根据压力传感器15的直径、压力触头22的高度和直 径设计顶部环形盒盖14(环形盒盖内径Ri' =杯形底座外径R〇 = r+5mm，外径R'〇=内径+5mm， 中心圆孔半径R' =l〇mm，外边缘高度H' =8mm，底厚压力传感器压力触头高度）， i 在顶部环形盒盖14中心开一半径为10mm的圆孔20,在顶部环形盒盖14外边缘内侧的内表面 制作螺距1_的内侧螺纹21，用于固定压力传感器，结构详见图1。在TBM组装阶段或TBM通过 隧道中途检修、拆解等较开阔的洞室时，在护盾外表面1安装压力盒3监测围岩对护盾挤压 力，安装步骤为:①将制作好的压力盒杯形底座13焊接在设计好的护盾外表面1监测点，待 冷却后将压力传感器15放入杯形底座13中，并将传感器自带的电缆线19从杯形底座上端凹 槽18中引出，穿入柔性护线套管16中，将杯形底座13和环形盒盖14间螺纹拧紧，将压力传感 器压力触头23从环形盒盖中心圆孔20露出，这样便在护盾外表面安装了一个测量围岩对 TBM护盾挤压力的压力盒;②将护盾视为上下对称，且考虑安装便利性，因此仅在护盾上半 段安装监测点，在护盾外表面其他监测点采用同样方法安装测试围岩对护盾挤压力的压力 盒，共五排，每排十个，每排纵向等间距布置，将护盾外表面所有压力盒电缆线4集中合并成 股引入护盾内，并且电缆线保护套管采用AB胶(型号:Deli7148)与护盾外表面钢壳粘结牢 固，便于测量;③将引入护盾内空间的电缆线接入数据采集仪，读取数据，第i测点测量出的 围岩对护盾挤压力记为Pi。
[0068] 一种测试围岩对全断面隧道掘进机(TBM)护盾挤压力的压力盒，它包括:杯形底座 13、环形盒盖14、压力传感器15和护线套管16。其连接关系是:将杯形底座13的底部焊接在 护盾外表面，在杯形底座13上端8mm范围内刻有螺距1mm的外侧螺纹17,且在杯形底座13上 端开一方形凹槽18;顶部环形盒盖14的最外端边缘刻有1_的内侧螺纹21，在顶部环形盒盖 14的中心开一半径10mm的中心圆孔20;将压力传感器15放入杯形底座13中，将压力传感器 15自带的压力传感器电缆线19从杯形底座13上端杯形底座上端凹槽18中穿出，在压力传感 器电缆线19周围套上护线套管16,再将环形盒盖14盖上，将杯形底座13和环形盒盖14间螺 纹连接(拧紧），同时压力传感器15自带的压力传感器压力触头22从环形盒盖14中心圆孔20 露出，便构成了测量围岩对TBM护盾挤压力的压力盒。该压力盒各个组成部件间的连接关 系:根据围岩与护盾式TBM护盾之间扩挖预留变形间隙的大小选择压力传感器15(尺寸高记 为h，内径记为r，本实施例选择的压力传感器型号为YY-C125-10KN，其尺寸为h = 11.5mm，r =13mm)，根据压力传感器3的直径和高度设计杯形底座1的尺寸(杯形底座高H = h+20mm，内 径Ri = r，外径R〇 = r+5mm)，从不锈钢铸铁中车出杯形底座13,在杯形底座13上端8mm范围内 刻有螺距1mm的外侧螺纹17,在杯形底座13上端开一方形凹槽18(高=宽=2倍传感器电缆 线直径），杯形底座13内用于放置压力传感器15和将传感器15固定到被测物体护盾外表面1 上;并根据压力传感器15的直径、压力触头22的高度和直径设计顶部环形盒盖14的尺寸(环 形盒盖14内径Ri' =杯形底座外径R〇 = r+5mm，外径R'〇=内径+5mm，中心圆孔半径R' =10mm， 外边缘高度H' =8mm，底厚δ = 1/3压力触头高度），在顶部盒盖2中心开一半径为10mm的中心 圆孔20,在顶部环形盒盖14最外端边缘21的内表面制作螺距1mm的内侧螺纹22,用于固定压 力传感器15;现场测试时，将杯形底座13的底部焊接在护盾外表面1，待冷却后，将压力传感 器15放入杯形底座13中，将压力传感器15自带的压力传感器电缆线19从杯形底座13上端凹 槽6中穿出，在压力传感器电缆线19周围套上护线套管16,再将环形盒盖14盖上，将杯形底 座13和环形盒盖14间螺纹拧紧，同时压力传感器15自带的压力触头22从盒盖中心圆孔20露 出，便构成了测量围岩对TBM护盾挤压力的压力盒3,结构详见图3、图4和图5。
[0069] (2)护盾内表面安装表面应变传感器通过应变测试反算围岩对护盾挤压力：
[0070] 在护盾内表面拱顶、左右两肩和左右两帮共五排、每排设置十个监测测点，，分别 在设计的监测点环向和纵向方向使用AB胶将表面应变传感器(振弦式或光纤光栅式或者两 种类型均采用)粘贴在护盾内表面(环向应变传感器6、纵向应变传感器7)，将传感器电缆线 8集中合并成股与读数仪或通用数据采集仪DataTaker连接，实时连续的读取数据，将第i测 点纵向应变传感器应变读数记为<、第i测点环向应变传感器应变读数记为4。认为护盾在 屈服破坏前服从弹性变形规律，根据下列公式反算围岩对护盾挤压力：
[0071]
(14)
[0072] 式中4为第i测点测量出的纵向应变，4为环向应变;Pi'为第i测点处微元所受 的等效围岩对护盾挤压力;E为护盾弹模，μ为护盾泊松比。
[0073]则把拱顶同一测点处压力盒测得的挤压力Pi与应变反算得出的等效挤压力？:'进 行比较验证，两者之间的系数记为k:
[0074]
(15)
[0075] 则护盾内表面应变其他测点(第i测点)处对应的护盾外表面所受挤压力PA:
[0076] Pi = kPi， (16)
[0077] 第二，根据测试出的围岩对护盾挤压力分布规律，根据卡机触发条件可以得出围 岩与护盾接触起点，计算围岩对护盾总摩阻力Rf:
[0078]
(17)
[0079] 式中：Rf为护盾所受总摩阻力，j为纵向上监测测点的序号（」=1，2,3 - 10)4为围 岩与护盾间的摩擦系数，PA环向第i测点围岩对护盾挤压力（1 = 1，2,3~8)，？1+1为第（1+ 1)测点围岩对护盾挤压力，W为TBM自重，Rs为护盾内径，cti为第i测点与第（i+Ι)测点间对应 的圆心角。
[0080] 本实施例中，将第i测点与第(i+Ι)测点即相邻的护盾内表面应变测点和护盾外表 面测点等间距布置，则对应的圆心角为：
[0081] ai = 22.5° (18)
[0082] 将式(18)代入式(17)，得：
[0083]
[0084]第三，根据卡机状态判别准则判断TBM护盾是否被卡，以及识别卡机风险级别，对 卡机事故进行预警。
[0085] Fr = Rf (20)
[0086]
[0087]式中:Fb为TBM机器正常连续掘进开挖所需推力、FATBM推进系统所能提供的额定 推力。
[0088]此外，还可计算出TBM卡机的安全系数1，见式（13)。根据计算得出的卡机安全系 数1进行卡机风险分析，详见表1。
【主权项】
1. 一种围岩与全断面隧道掘进机护盾相互作用过程监测方法，其步骤是： (1)围岩对护盾挤压力监测：采用护盾外表面安装压力盒直接测量和护盾内表面安装 表面应变传感器间接测量相结合： ① 护盾外表面安装压力盒直接测试围岩对护盾挤压力： 利用压力盒的压力触头直接测量该测点处围岩对护盾的挤压力，将压力盒安装固定在 护盾外表面测量围岩对护盾挤压力，制作一上端留有凹槽和刻有螺纹的杯形底座，现场测 试时将杯形底座底部焊接在全断面隧道掘进机护盾外表面上，用于放置压力传感器和将传 感器固定到被测物体全断面隧道掘进机护盾外表面上，并在监测测试时起到抵抗全断面隧 道掘进机前移时围岩与传感器接触后的剪切力，安装时待该底座焊接冷却后将压力传感器 放入这一杯形底座中，将传感器电缆线从杯形底座上端凹槽中引出，在电缆线周围敷设柔 性钢环护线套管用于保护电缆线以免在护盾前移时被接触上的岩石挤压、磨损，将压力盒 布置成阵列式测试围岩对护盾挤压力分布:在护盾外表面拱顶、左右两肩和左右两帮共五 排、每排十个安装压力盒，将护盾外表面所有压力盒电缆线集中合并成股引入护盾内，电缆 线保护套管采用AB胶与护盾外表面钢壳粘结牢固，在护盾外表面组成一个实时测试围岩对 护盾挤压力的阵列式测试网络，将引入护盾内空间的电缆线接入数据采集仪，读取数据，记 第i个压力盒测量出的挤压力为Pi。； ② 护盾内表面应变测试，反算围岩对护盾挤压力： 在护盾内表面拱顶、左右两肩和左右两帮共五排、每排十个测点安装表面应变传感器， 每一测点环向和纵向均安装一个应变传感器，纵向传感器用于测试护盾纵向应变~'环向 应变传感器用于测试护盾环向应变εθ，测量第i测点处纵向和环向两个方向的应变 <和4， 计算得到这一测点处围岩对护盾的挤压力:其中： <为第i测点微元纵向应变，4为第i测点微元环向应变; <为第i测点微元纵向应 力;4为第i测点微元环向应力，Pl'为第i测点微元所受的等效围岩对护盾挤压力;E为护盾 弹模，μ为护盾泊松比； 全断面隧道掘进机护盾在纵向上两端没有约束，设每一测点处纵向应力<=(>，上式 (1)、（2)写成： 解得：在拱顶处同时在外表面安装压力盒和在内表面安装轴向、环向表面应变传感器，把拱 顶同一测点处压力盒测得的挤压力Pi与护盾内表面应变反算得出的等效挤压力Pi'进行比 较验证，两者之间的系数记为k:护盾内其他应变测点处符合同样的比例，护盾内表面应变第i测点处对应的护盾外表 面所受挤压力PiS: Pi = kPi' (8) (2) 通过测量得到的挤压力分布规律计算护盾所受摩阻力： 测点间距离近，相邻测点间的挤压力服从线性分布，将护盾上下两半形状、受力状态视 为对称，得到每一环监测测点所对应的因围岩挤压力产生的护盾所受摩阻力式中：Δ/?,'为第j环监测测点对应的护盾所受摩阻力（」=1，2,3-10)4为围岩与护盾间 的摩擦系数，ΡΛ环向第i测点围岩对护盾挤压力，P1+1为环向第(i+Ι)测点围岩对护盾挤压 力，L为第i测点与第(i+Ι)测点间的弦长，RS为护盾内径，αι为第i测点与第(i+Ι)测点间对应 的圆心角，Δ 1为纵向上相邻两测点之间的间距； 将所每环监测测点计算得到的摩阻力相加再加上因全断面隧道掘进机自重产生的摩 阻力，得到护盾所受的总摩阻力Rf: J A. J-J. l_」. 式中:Rf为护盾所受总摩阻力，W为全断面隧道掘进机自重，j为纵向上监测测点的序号； (3) 通过卡机状态判别准则，依据测试计算出的护盾所受摩阻力和全断面隧道掘进机 推进系统提供的推力大小，计算卡机风险系数和预测判断卡机，卡机状态判别为：式中:Fb为全断面隧道掘进机机器正常连续掘进开挖推力，内为全断面隧道掘进机推进 系统所提供的额定推力;Fr为克服护盾所受摩阻力所需要的推力，等于护盾所受摩阻力： Fr = Rf (12) 据此判别全断面隧道掘进机护盾被卡； 全断面隧道掘进机卡机的风险系数Ks定义为：式中:Ff为全断面隧道掘进机掘进前移所需要的总推力； 计算卡机的风险系数，进行卡机风险分析，根据计算的风险系数大小将全断面隧道掘 进机卡机风险划分为四级:不卡机(Ks〈l)、轻微卡机（1<KS〈1.2)、严重卡机（1.2<K S〈1.5) 和非常严重卡机(Ks> 1.5)。
【文档编号】G01L1/24GK105952465SQ201610361371
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】黄兴, 刘泉声, 彭星新, 张晓平, 张建明, 张晓波, 赵怡凡
【申请人】中国科学院武汉岩土力学研究所