一种获取不同地质工况盾构刀盘激振力的实验方法与流程

本发明涉及城市地铁、山岭隧道、引水隧洞等采用盾构/tbm施工的隧道工程实验方法领域，具体为一种获取不同地质工况盾构刀盘激振力的实验方法。

背景技术：

随着社会的不断发展与进步，人们的生活得到了很大的改善与提高，同时对于交通建设提出了更高的要求。为了满足日益飞速发展的社会需求，地铁隧道、山岭隧道、引水隧道等进入了快速建设时期。

随着地下空间的大力开发，盾构/tbm等各类隧道掘进机在高速铁路、公路、城市地铁、穿山越江隧道等工程中得到越来越广的应用。同时，盾构/tbm遭遇的各类地质条件越来越复杂，对盾构掘进控制的要求越来越高。如，盾构掘进软硬不均地层或孤石地层等过程中，刀盘受偏载、冲击载荷影响较大，导致滚刀疲劳损耗严重、不正常损坏多、地层扰动塌陷、主轴承受损严重等问题。

针对复杂地质环境下盾构/tbm施工过程中的刀盘振动冲击问题，国内外学者开展的研究并不多见，其研究方法主要依赖于数值计算和工程实践的总结，真正用实验的方法研究刀盘振动问题还未开展。

为了有效的探索复杂地质环境下盾构刀盘的振动问题，研究刀盘的振动特性，降低刀盘振动带来的盾构施工控制风险，指导刀盘地质适应性设计以及现场施工参数的选取，设计了一种获取不同地质工况盾构刀盘激振力的实验方法，是一个值得研究的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种可以获取不同工况下盾构刀盘激振力，为刀盘地质适应性设计提供了依据和重要参考价值的实验方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种获取不同地质工况盾构刀盘激振力的实验方法，包括以下步骤：a）、相似材料配置；b）相似地层制作；c）刀盘振动监测系统设计；d）模拟掘进控制；5）各种数据采集与分析；6）指导刀盘地质适应性设计。

所述的相似材料配置是指，根据工程地质条件，概化地质力学模型，确定各地层的岩土体物理力学特性；根据froude比例定律的要求设计实验的长度、应力、力和时间相似比尺，并根据相似比尺确定各地层的物理力学特性；通过包括水、水泥、砂、重晶石粉和矿渣在内的各种材质配置出满足密度、抗压强度、内聚力、内摩擦角指标要求的各地层相似模型材料。

所述的相似地层模型制作是指，根据长度相似比尺，确定盾构掘进断面的各地层面尺寸，根据tbm掘进模态综合实验台岩盘尺寸采用上述各地层相似模型材料制作相似地层模型。

所述的刀盘振动监测系统设计是指，为了有效地全面监测盾构刀盘三向振动加速度时程变化，采用四种传感器布设依据：1）针对刀盘应力应变较大的部位，如y型、t型、x型构架处按不同滚压半径分别布设加速度传感器；2）沿1条经线布设加速度传感器，布设位置相交于经线与滚刀轨迹线交叉点处；3）沿刀盘中部1条滚刀轨迹线分别布设加速度传感器；4）在刀盘最外圈1/4半圆内布设加速度传感器，形成刀盘振动监测系统，不仅实现刀盘特殊部位的振动监测，同时可以获得刀盘环形与径向刀盘全面振动规律。

所述的模拟掘进控制是指，根据盾构掘进控制原理，相似模型实验过程中，主要实现对包括刀盘推力、推进速度、扭矩和刀盘转速在内的参数进行模拟控制，有效仿真现场盾构掘进控制。

所述的数据采集与分析是指，在盾构掘进模型实验过程中，通过布设在刀盘和岩盘内的传感器实时采集刀盘振动加速度、应变值、岩盘振动加速度值，对采集的时域曲线剔除异常值，并进行fft变换。

所述的指导刀盘地质适应性设计是指，根据获取的不同工况下的盾构刀盘振动加速度，通过力-加速度转换，作为刀盘结构分析的边界条件，分析不同地质条件下不同刀盘结构的应力、应变分布特征，指导刀盘结构优化。

积极有益效果：本发明通过采用此实验方法获取不同工况下盾构刀盘激振力，为刀盘地质适应性设计提供了一种新的方法，其不同工况下的刀盘激振力的基础数据对以后的刀盘结构设计具有重要的应用价值，值得推广和应用。

附图说明

图1为一种获取不同地质工况盾构刀盘激振力的实验方法原理图；

图2刀盘振动监测系统加速度传感器布设图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施案例，对本发明做进一步的说明：

如图1所示，开展室内获取不同地质工况盾构刀盘激振力的实验方法，包括以下步骤：a）、相似材料配置；b）相似地层制作；c）刀盘振动监测系统设计；d）模拟掘进控制；e）各种数据采集与分析；f）指导刀盘地质适应性设计。

所述的相似材料配置是指，根据地质勘察报告，获取隧道下穿地层的不良地质条件及其各地层的物理力学指标，包括岩土体密度、单轴抗压强度、内聚力、内摩擦角等等，并概化地质力学模型。

根据froude比例定律的要求设计模型长度、应力、力和时间相似比尺，并确定各地层的物理力学特性。为了获得具有此物理力学特性的相似模型材料，在确定了初步配置方案和基本材料的基础上，采用正交实验对每种地层设计不少于9组的配比方案，并制作50mm×100mm圆柱形岩样，对每组配比的岩样开展密度试验、单轴抗压强度试验、三轴压缩试验以确定满足要求的配比方案。

根据概化的地质力学模型，应用上述配置的相似模型材料在tbm掘进模态综合实验台内制作相似模型地层，并在岩盘表面以下10cm、30cm平面内，刀盘中部滚刀轨迹线正下方每层平面均匀布设8个三向加速度传感器。

所述的相似地层模型制作是指，根据长度相似比尺，确定盾构掘进断面的各地层面尺寸，根据tbm掘进模态综合实验台岩盘尺寸采用上述各地层相似模型材料制作相似地层模型。

所述的刀盘振动监测系统设计可参考图2，采用4种刀盘加速度传感器1布设依据，设计刀盘振动加速度监测系统：1）针对刀盘应力应变较大的部位（y型、t型）布设不少于3个加速度传感器；2）沿一条经线布设加速度传感器5个，位置布设于经线与滚刀轨迹线交叉点处；3）沿刀盘中部1条滚刀轨迹线处分别布设6个加速度传感器；4）在刀盘最外圈1/4半圆内布设3个加速度传感器，形成完善的刀盘加速度监测系统。

所述的模拟掘进控制是指，根据盾构掘进控制原理，相似模型实验过程中，主要实现对包括刀盘推力、推进速度、扭矩和刀盘转速在内的参数进行模拟控制，有效仿真现场盾构掘进控制。如，根据froude比例定律确定相似模型实验的掘进参数，实验过程中以控制转速为主，设计不少于5组转速工况，以控制推进速度为辅，每组转速工况下设计不少于5组推进速度工况，并依次进行掘进实验。

所述的数据采集与分析是指，在盾构掘进模型实验过程中，通过布设在刀盘和岩盘内的传感器实时采集刀盘振动加速度、应变值、岩盘振动加速度值，对每种掘进工况实时采集监测数据，剔除异常值，并进行数据处理，获得刀盘每个加速度监测点的加速度时域曲线。进行力与加速度的换算作为刀盘仿真计算的边界条件，可以进行刀盘刀具的静力学分析与瞬态动力学分析。针对不同工况获得的加速度时域曲线计算得到不同工况对应的刀盘力学特性，为刀盘结构的优化设计提供支持。

所述的指导刀盘地质适应性设计是指，根据获取的不同工况下的盾构刀盘振动加速度，通过力-加速度转换，作为刀盘结构分析的边界条件，分析不同地质条件下不同刀盘结构的应力、应变分布特征，指导刀盘结构优化。

本发明通过采用此实验方法获取不同工况下盾构刀盘激振力，为刀盘地质适应性设计提供了一种新的方法，其不同工况下的刀盘激振力的基础数据对以后的刀盘结构设计具有重要的应用价值，值得推广和应用。

以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。