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施工的隧道工程實驗方法領(lǐng)域，具體為一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤激振力的實驗方法。

背景技術(shù)：

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

隨著地下空間的大力開發(fā)，盾構(gòu)/tbm等各類隧道掘進(jìn)機在高速鐵路、公路、城市地鐵、穿山越江隧道等工程中得到越來越廣的應(yīng)用。同時，盾構(gòu)/tbm遭遇的各類地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，對盾構(gòu)掘進(jìn)控制的要求越來越高。如，盾構(gòu)掘進(jìn)軟硬不均地層或孤石地層等過程中，刀盤受偏載、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、地層擾動塌陷、主軸承受損嚴(yán)重等問題。

針對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)/tbm施工過程中的刀盤振動沖擊問題，國內(nèi)外學(xué)者開展的研究并不多見，其研究方法主要依賴于數(shù)值計算和工程實踐的總結(jié)，真正用實驗的方法研究刀盤振動問題還未開展。

為了有效的探索復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)刀盤的振動問題，研究刀盤的振動特性，降低刀盤振動帶來的盾構(gòu)施工控制風(fēng)險，指導(dǎo)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計以及現(xiàn)場施工參數(shù)的選取，設(shè)計了一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤激振力的實驗方法，是一個值得研究的問題。

技術(shù)實現(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)刀盤激振力，為刀盤地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計提供了依據(jù)和重要參考價值的實驗方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

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

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)計實驗的長度、應(yīng)力、力和時間相似比尺，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)配置出滿足密度、抗壓強度、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)綜合實驗臺巖盤尺寸采用上述各地層相似模型材料制作相似地層模型。

所述的刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是指，為了有效地全面監(jiān)測盾構(gòu)刀盤三向振動加速度時程變化，采用四種傳感器布設(shè)依據(jù)：1）針對刀盤應(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處；3）沿刀盤中部1條滾刀軌跡線分別布設(shè)加速度傳感器；4）在刀盤最外圈1/4半圓內(nèi)布設(shè)加速度傳感器，形成刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)刀盤特殊部位的振動監(jiān)測，同時可以獲得刀盤環(huán)形與徑向刀盤全面振動規(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，相似模型實驗過程中，主要實現(xiàn)對包括刀盤推力、推進(jìn)速度、扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行模擬控制，有效仿真現(xiàn)場盾構(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)模型實驗過程中，通過布設(shè)在刀盤和巖盤內(nèi)的傳感器實時采集刀盤振動加速度、應(yīng)變值、巖盤振動加速度值，對采集的時域曲線剔除異常值，并進(jìn)行fft變換。

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

積極有益效果：本發(fā)明通過采用此實驗方法獲取不同工況下盾構(gòu)刀盤激振力，為刀盤地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計提供了一種新的方法，其不同工況下的刀盤激振力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對以后的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的應(yīng)用價值，值得推廣和應(yīng)用。

附圖說明

圖1為一種獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤激振力的實驗方法原理圖；

圖2刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)加速度傳感器布設(shè)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施案例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

如圖1所示，開展室內(nèi)獲取不同地質(zhì)工況盾構(gòu)刀盤激振力的實驗方法，包括以下步驟：a）、相似材料配置；b）相似地層制作；c）刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計；d）模擬掘進(jìn)控制；e）各種數(shù)據(jù)采集與分析；f）指導(dǎo)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計。

所述的相似材料配置是指，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，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)計模型長度、應(yīng)力、力和時間相似比尺，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，采用正交實驗對每種地層設(shè)計不少于9組的配比方案，并制作50mm×100mm圓柱形巖樣，對每組配比的巖樣開展密度試驗、單軸抗壓強度試驗、三軸壓縮試驗以確定滿足要求的配比方案。

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)綜合實驗臺內(nèi)制作相似模型地層，并在巖盤表面以下10cm、30cm平面內(nèi)，刀盤中部滾刀軌跡線正下方每層平面均勻布設(shè)8個三向加速度傳感器。

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)綜合實驗臺巖盤尺寸采用上述各地層相似模型材料制作相似地層模型。

所述的刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計可參考圖2，采用4種刀盤加速度傳感器1布設(shè)依據(jù)，設(shè)計刀盤振動加速度監(jiān)測系統(tǒng)：1）針對刀盤應(yīng)力應(yīng)變較大的部位（y型、t型）布設(shè)不少于3個加速度傳感器；2）沿一條經(jīng)線布設(shè)加速度傳感器5個，位置布設(shè)于經(jīng)線與滾刀軌跡線交叉點處；3）沿刀盤中部1條滾刀軌跡線處分別布設(shè)6個加速度傳感器；4）在刀盤最外圈1/4半圓內(nèi)布設(shè)3個加速度傳感器，形成完善的刀盤加速度監(jiān)測系統(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，相似模型實驗過程中，主要實現(xiàn)對包括刀盤推力、推進(jìn)速度、扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行模擬控制，有效仿真現(xiàn)場盾構(gòu)掘進(jìn)控制。如，根據(jù)froude比例定律確定相似模型實驗的掘進(jìn)參數(shù)，實驗過程中以控制轉(zhuǎn)速為主，設(shè)計不少于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)計不少于5組推進(jìn)速度工況，并依次進(jìn)行掘進(jìn)實驗。

所述的數(shù)據(jù)采集與分析是指，在盾構(gòu)掘進(jìn)模型實驗過程中，通過布設(shè)在刀盤和巖盤內(nèi)的傳感器實時采集刀盤振動加速度、應(yīng)變值、巖盤振動加速度值，對每種掘進(jìn)工況實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，剔除異常值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得刀盤每個加速度監(jiān)測點的加速度時域曲線。進(jìn)行力與加速度的換算作為刀盤仿真計算的邊界條件，可以進(jìn)行刀盤刀具的靜力學(xué)分析與瞬態(tài)動力學(xué)分析。針對不同工況獲得的加速度時域曲線計算得到不同工況對應(yīng)的刀盤力學(xué)特性，為刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供支持。

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

本發(fā)明通過采用此實驗方法獲取不同工況下盾構(gòu)刀盤激振力，為刀盤地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計提供了一種新的方法，其不同工況下的刀盤激振力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對以后的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的應(yīng)用價值，值得推廣和應(yīng)用。

以上實施案例僅用于說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在所述領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(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)視為本申請的保護(hù)范圍。