一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘与测试方法与流程

本发明属于掘进机械技术领域，涉及一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘与测试方法。

背景技术：

盾构法施工由于掘进速度快、安全性能高、沉降利于控制、对周边环境影响小的特点，广泛应用于城市隧道施工。盾构机在富含黏土的地层中施工，被切削下来的破碎土体容易黏结在刀具表面，随着推进距离的增加，刀具表面黏结的土体不断迁移和加厚，在高温高压作用下，最终形成硬结的泥饼，导致刀具被裹住，甚至刀盘困死，造成掘进速度急剧下降。这个过程中，包裹着泥饼的刀具在掌子面的挤压、摩擦作用下产生巨大的热量，造成滚刀偏磨、刀具温度过高，引起刀盘轴承密封圈失效，危及开挖面稳定和施工安全；因此，必须在盾构掘进过程中跟踪确定刀具表面泥饼的形成和硬结程度，才能及时采取有效措施对泥饼进行针对性的去除。

目前，国内已有盾构掘进模型试验和刀盘表面结泥饼等相关研究，例如，徐前卫在其论文《砂土地层盾构法施工的地层适应性模型试验研究》中，开展了室内盾构模型试验研究，谭青在其论文《泥饼工况下盾构刀盘热-力耦合分析》中，研究了温度对刀盘的影响数值分析研究，这些研究没有涉及到室内盾构掘进模型试验刀具独立测温的问题。但是，室内盾构掘进模型试验刀盘一般尺寸较小，刀盘金属结构间传热较快，各个刀具和刀盘结构温度迅速趋同，制约了根据刀具的温度分布判定不同位置和不同朝向的刀具对切削土体的贡献，也无法根据温度分布判定刀盘是否结泥饼、泥饼的分布位置及泥饼的硬结程度，从而影响对盾构刀盘结泥饼内在机理的研究，无法追踪不同刀具的温度分布及差异性规律。

为克服上述不足，本发明提出一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘，分析刀盘不同区域的温度变化规律，追踪盾构掘进过程中的各个刀具的温度变化，探明各个刀具在切土过程中的贡献比例，从而为刀盘泥饼的形成机制提供有效分析依据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘与测试方法，解决模型试验刀盘因尺寸限制导致温度快速趋同而无法独立测温的问题，确定各刀具在切削土体过程中的贡献比例，其具有对刀具温度实时测定温度分布及增长规律的优点，可以应用在揭示刀盘泥饼形成机理和构建泥饼增长模型研究的科研领域。

一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘，其特征在于，由单刃滚刀单元、双刃滚刀单元、刮刀、边缘刮刀、测温单元、辐条i、辐条ii、刀盘面板共同构成；

滚刀单元沿辐条i的中线布置，刮刀单元沿辐条i(ii)的边线布置，每个滚刀单元和刮刀单元通过隔热橡胶隔绝其与周围结构的温度传递，保持各单元温度的独立变化，各单元内置温度传感器，实现刀刀具独立测温功能，有效解决模型试验刀盘因尺寸限制导致温度快速趋同而无法独立测温的问题，确定各刀具在切削土体过程中的贡献比例。

所述的刀具独立测温的盾构模型试验刀盘，其特征在于，刀盘直径为60-70cm，辐条i、辐条ii的宽度为10-12cm，刀盘面板中心角为50°(±5°)，单刃滚刀单元的尺寸为长5-6cm、宽4-5cm，双刃滚刀单元尺寸为长6-7cm、宽5-6cm，刮刀单元的尺寸为长1.5-2cm、宽1-1.5cm，边缘刮刀单元的尺寸为长3-4cm、宽1-1.5cm。

所述的刀具独立测温的盾构模型试验刀盘，其特征在于，所述单刃滚刀单元由矩形隔热橡胶槽、矩形金属槽、单刃滚刀和温度传感器共同构成；

所述双刃滚刀单元由矩形隔热橡胶槽、矩形金属槽、双刃滚刀和温度传感器共同构成；

单刃滚刀和双刃滚刀通过转轴固定于矩形金属槽中，矩形金属槽通过强力胶固定于隔热橡胶槽中，矩形隔热橡胶槽通过螺栓固定在辐条i的矩形孔中；

在矩形金属槽的底面中心处设置温度传感器，温度传感器通过导线与数据采集仪连接，用于测定单刃滚刀和双刃滚刀在试验过程中的温度变化；

所述单刃滚刀单元和双刃滚刀单元通过矩形隔热橡胶槽隔绝了其与周围刀盘技术结构间的相互传递，保持各个单元温度的独立变化。

所述的刀具独立测温的盾构模型试验刀盘，其特征在于，所述刮刀单元由金属刀头、隔热橡胶底座和温度传感器共同构成；

所述边缘刮刀单元由金属刀头、隔热橡胶底座和温度传感器共同构成；

刮刀单元和边缘刮刀单元的金属刀头内部设置温度传感器，温度传感器通过导线与数据采集仪连接，用于测定金属刀头在试验过程中的温度变化；

所述刮刀单元和边缘刮刀单元通过隔热橡胶底座隔绝了其与周围刀盘金属结构间的温度传递，保持各个单元温度的独立变化。

一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘的测试方法，其特征在于，采用所述的刀具独立测温的盾构模型试验刀盘在富黏地层中开展盾构施工模型试验，具体步骤如下：

步骤1：在试验土箱中按照一定的配比制备试验用富黏地层，将所述的刀具独立测温的盾构模型试验刀盘压入到地层中，设定刀盘推进力、转速和转向，让刀具切削土体，在试验过程中实时测定各个刀具和刀盘表面关键位置的温度分布。

步骤2：在盾构刀盘掘进模型试验中，单刃滚刀单元和双刃滚刀单元可能处于正常滚动阶段、开始结泥饼至卡死阶段和卡死后摩擦稳定阶段等3个不同阶段；根据单刃滚刀单元和双刃滚刀单元的温度随时间的变化曲线，可以确定滚刀所处的阶段，用于判定盾构在富黏地层中施工，滚刀是否会结泥饼以及滚刀结泥饼的程度。

步骤3：刮刀单元和边缘刮刀单元沿辐条i、辐条ii的边线布置，两侧的刀头朝向不同，一侧与刀盘转动方向相同(正向)，一侧与刀盘转动方向相反(背向)，各个刮刀在切削土体过程的贡献不同，因摩擦造成的升温快慢不同；根据刮刀单元和边缘刮刀单元的温度随时间的变化曲线，可以确定不同位置和不同朝向的刮刀在切削土体过程的贡献比例。

有益效果

本发明解决了目前室内模型试验无法实时获得刀盘不同区域温度变化以及盾构掘进过程中温度变化曲线的问题，具有如下有益的效果：

(1)盾构模型试验刀盘上不同刀具周围设有隔热橡胶，保证其温度变化的独立性。

(2)对刀盘上刀具温度进行单独实时跟踪测定，可以追踪刀具温度的分布及增长规律，分析不同刀具在掘进工程的切削土体的贡献比例。

附图说明

图1是刀具独立测温的盾构模型试验刀盘的结构视图，其中(a)为刀盘主体结构安装刀具和测温单元之后的整体结构图，(b)为刀盘主体结构图，未安装单刃(双刃)滚刀单元、刮刀(边缘刮刀)单元；

图2是单刃(双刃)滚刀单元结构视图，其中(a)为单刃滚刀单元俯视图，(b)为双刃滚刀单元俯视图，(c)为单刃(双刃)滚刀单元正横截面视图；

图3是刮刀(边缘刮刀)单元结构视图，其中(a)为刮刀(边缘刮刀)单元正截面视图，(b)为刮刀单元俯视图，(c)是边缘刮刀单元俯视图；

图4是滚刀单元温度随时间变化的预测曲线；

图5是刮刀单元温度随时间变化的预测曲线；

在附图1～附图3中，1为单刃滚刀单元；2为双刃滚刀单元；3为刮刀；4为边缘刮刀；5为辐条i；6为辐条ii；7为刀盘面板；8为螺栓；9为单刃滚刀单元矩形孔；10为双刃滚刀单元矩形孔；11为温度传感器；12为刮刀刀头；13为边缘刮刀刀头；14为隔热橡胶底座；15为矩形隔热橡胶槽；16为矩形金属槽；17为单刃滚刀；18为双刃滚刀。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图1-图5所示，本发明提出一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘，其特征在于，由单刃滚刀单元1、双刃滚刀单元2、刮刀3、边缘刮刀4、辐条i5、辐条ii6、刀盘面板7共同构成；

单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2沿辐条i5的中线布置，单刃滚刀单元1用螺栓8固定在辐条i5的矩形孔9中，双刃滚刀单元2用螺栓8固定在辐条i5的矩形孔10中；

刮刀单元3和边缘刮刀单元4沿辐条i5、辐条ii6的边线布置，用螺栓8固定在辐条i5、辐条ii6两侧(如图1(a))；

每个单刃滚刀单元1、双刃滚刀单元2、刮刀单元3和边缘刮刀单元4与其周围刀盘金属结构通过隔热橡胶来隔绝温度的相互传递，保持各个单元温度的独立变化，每个单元内部均设置温度传感器11，实现刀具独立测温功能。

单刃滚刀单元1由矩形隔热橡胶槽15、矩形金属槽16、单刃滚刀17和温度传感器11共同构成(如图2(a))；

双刃滚刀单元2由矩形隔热橡胶槽15、矩形金属槽16、双刃滚刀18和温度传感器11共同构成(如图2(b))；

单刃滚刀17和双刃滚刀18通过转轴固定于矩形金属槽16中，矩形金属槽18通过强力胶固定于矩形隔热橡胶槽15中，矩形隔热橡胶槽16通过螺栓8固定在辐条i5的矩形孔中；

单刃滚刀单元1固定在辐条i5的矩形孔9中，整个刀盘共布置6个单刃滚刀单元1，间距为3.5-4cm，双刃滚刀单元2固定在辐条i5的矩形孔10中，在矩形金属槽16的底面中心处设置温度传感器11，温度传感器11通过导线与温度采集仪连接，用于测定单刃滚刀17和双刃滚刀18在试验过程中的温度变化，单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2通过矩形隔热橡胶槽16隔绝了盾构掘进过程中其与周围刀盘金属结构间温度的相互传递，保持各个单元温度的独立变化。

刮刀单元3由金属刀头12、隔热橡胶底座14和温度传感器11共同构成(如图3(a))；

边缘刮刀单元4由金属刀头13、隔热橡胶底座14和温度传感器11共同构成(如图3(a))；

金属刀头12和13内置温度传感器11，温度传感器11通过导线与数据采集仪连接，用于测定金属刀头12和13在试验过程中的温度变化；

刮刀单元3和边缘刮刀单元4通过隔热橡胶底座14隔绝了其与周围刀盘金属结构间温度的相互传递，保持各个单元温度的独立变化。

一种刀具独立测温的盾构模型试验刀盘的测试方法，采用刀具独立测温的盾构模型试验刀盘在富黏地层中开展盾构施工模型试验，具体步骤如下：

步骤1：在试验土箱中按照一定的配比制备试验用富黏地层，将所述的刀具独立测温的盾构模型试验刀盘压入到地层中，设定刀盘推进力、转速和转向，让刀具切削土体，在试验过程中实时测定各个刀具和刀盘表面关键位置的温度分布。

步骤2：在盾构刀盘掘进模型试验中，单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2可能处于正常滚动阶段、开始结泥饼至卡死阶段和卡死后摩擦稳定阶段等3个不同阶段；根据单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2的温度随时间的变化曲线，可以确定滚刀所处的阶段，用于判定盾构在富黏地层中施工，滚刀是否会结泥饼以及滚刀结泥饼的程度。

步骤3：刮刀单元3和边缘刮刀单元4沿辐条i、辐条ii的边线布置，两侧的刀头朝向不同，一侧与刀盘转动方向相同(正向)，一侧与刀盘转动方向相反(背向)，各个刮刀在切削土体过程的贡献不同，因摩擦造成的升温快慢不同；根据刮刀单元3和边缘刮刀单元4的温度随时间的变化曲线，可以确定不同位置和不同朝向的刮刀在切削土体过程的贡献比例。

具体实施中(如图1-图5)，为了更好的监测模型刀盘上各个刀具在掘进切削过程中贡献比例和刀盘上关键位置的温度变化，对刀盘上的每个单元进行编号(如图1(a))，其中6个单刃滚刀单元为da1、da2、...、da6，1个双刃滚刀单元为db1，32个刮刀单元为dc1、dc2、...、dc32，8个边缘刮刀单元为dd1、dd2、...、dd8。

试验过程中根据实际工程，按照一定的配比制备试验用富黏地层，然后将模型试验刀盘压入地层中，使刀具与地层充分接触，设定刀盘推进力、转速和转向，让刀具切削土样，这个过程中刀具与土样间因挤压切削作用，使各个刀具的温度升高，单刃滚刀17(如图2(a))、双刃滚刀18(如图2(b))与土样摩擦产生的热量经由矩形金属槽16传递给温度传感器11，由于矩形金属槽16外部设置矩形隔热橡胶槽15，所以单刃滚刀17和双刃滚刀18产生的温度并不会传递至辐条i，保证了其温度变化的独立性，在盾构刀盘掘进模型试验中，单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2可能处于正常滚动阶段、开始结泥饼至卡死阶段和卡死后摩擦稳定阶段等3个不同阶段，根据单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2的温度随时间的变化曲线(如图4)可以预测，从模型试验开始至t0阶段，滚刀单元处于正常滚动阶段，在此阶段滚刀与土层之前属于正常摩擦，温度增长较为平缓，即正常滚动阶段；t0～t1阶段，滚刀单元内开始结泥饼，随着时间增长，泥饼在滚刀单元内不断增大，最终导致刀具被裹住，造成刀盘推进力和扭矩等施工参数发生异常变化，在该阶段内滚刀的转动被逐步限制，滚刀与地层的摩擦进一步加剧，温度相应急剧升高，这一阶段称为开始结泥饼至卡死阶段，其中t0对应刀盘开始结泥饼时刻，t1对应刀盘被卡死时刻；随盾构继续掘进，滚刀温度增长进入卡死后摩擦稳定阶段，此阶段滚刀温度增长渐趋平稳；另外，对于各滚刀单元，由于所处的半径位置不同、结泥饼的程度存在差异，在盾构模型试验进程中产生的热量也会不同，温度变化曲线的也因此产生差异。因此根据单刃滚刀单元1和双刃滚刀单元2的温度随时间的变化曲线，可以确定滚刀所处的阶段，用于判定盾构在富含黏土的地层中施工，滚刀是否会结泥饼及滚刀结泥饼的程度。

刮刀单元3和边缘刮刀单元4位于刀盘中心之外不同位置，刀头朝向与刀盘转动方向分为正向和背向，各个刮刀在切削土体过程的贡献不同，因摩擦造成的升温快慢不同，根据边缘刮刀单元4和刮刀单元3的温度随时间的变化曲线(如图5)可以预测，从模型试验开始至t0阶段，边缘刮刀单元4和刮刀单元3持续切削土体，边缘刮刀单元4的金属刀头13和刮刀单元3的金属刀头12随模型刀盘的掘进与土层不断摩擦，温度不断升高。正向切削土体的刮刀单元3和边缘刮刀单元4，在掘进过程中切削土体做功大于背向刮刀单元3和边缘刮刀单元4，因此，正向切削土体的刮刀单元3和边缘刮刀单元4温度变化曲线高于背向切削土体的刮刀单元3和边缘刮刀单元4。由于各刮刀单元3和边缘刮刀单元4在刀盘上所处的半径位置不同，在切削土体的过程中贡献的比例也就不同，所以刮刀单元3和边缘刮刀单元4的温度变化曲线呈现高低差异。随着刀盘出现结泥饼现象，盾构施工参数也会发生变化，刮刀对土体切削的贡献可能出现下降趋势，从t0时刻开始，刮刀单元处的温度增长进入摩擦稳定阶段。所以根据缘刮刀单元4和刮刀单元3的温度随时间的变化曲线，可以确定不同位置和不同朝向的刮刀在切削土体过程的贡献比例。

本发明中应用了具体实施例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对发明的限制。