CN104832167B - 盾构地层适应性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构地层适应性测试方法，该测试方法包括如下步骤：在一土箱的两端面封装隔板，并在土箱内部的两端分别设置可沿轴向进退的刀盘和反力顶板，两者之间共同构成土层切削测试空间；经土箱上的进土口将配好的重塑土加入土层切削测试空间中；启动反力油缸驱动反力顶板顶推土体以将土箱中土压力设定至所需值；启动变频电动机和顶进油缸后，经传动轴驱动刀盘旋转前进并切削土体，切削过程中向土箱中加入添加剂以改良土体；切削完成后，打开土箱的出土口，测定改良后土体的流动性。本发明的优点是，实时监测所获取的参数全面且准确度高，可用于评价盾构的地层适应性，从而为盾构选型、盾构掘进以及土体改良方法提供良好的借鉴。

Description

盾构地层适应性测试方法

技术领域

本发明属于盾构地层测试技术领域，具体涉及一种盾构地层适应性测试方法。

背景技术

盾构法作为一种较为成熟的地铁施工手段已经广泛应用于我国的城市地铁或过江隧道的修建中。随着开挖地层土体的日益复杂，土体性质对于盾构掘进的影响也越来越大，例如在硬塑性粘土地层中掘进时，由于土体塑流性差，土体在土舱内无法及时排出，时常会出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大，推进速度缓慢等现象；在石英含量较高的砂土地层或者粒径较大的砂卵石地层中掘进时，刀具和刀盘磨损严重，推进速度减慢甚至需要停机更换刀具。因此需要提前对待开挖土层进行适应性测试，检测盾构切削过程中刀盘和刀具的各项运行参数并作相应调整，以使盾构能够在地层中正常掘进。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种盾构地层适应性测试方法，该测试方法通过在土箱两端设置刀盘和反力顶板以构成土层切削测试空间，并通过设置于测试仪上的各传感器实时监测测试仪切削过程中的各项运行参数，此外通过设置于土箱外的流动性测试装置测定改良后土体的流动性，最终评价盾构的地层适应性，从而为盾构选型、盾构掘进以及土体改良方法提供良好的借鉴。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述测试方法包括如下步骤：在一筒形土箱的两端面封装隔板，并在土箱内部的两端分别设置可沿轴向进退的刀盘和反力顶板，所述刀盘与所述反力顶板之间的空间共同构成土层切削测试空间，所述刀盘由贯穿该端所述隔板的传动轴驱动旋转，所述反力顶板由贯穿该端所述隔板的反力油缸顶推；经所述土箱上的进土口将配好的重塑土加入所述土层切削测试空间中；启动所述反力油缸驱动所述反力顶板顶推土体以将所述土箱中土压力设定至所需值；启动变频电动机和顶进油缸并经所述传动轴驱动所述刀盘旋转前进并切削土体，切削过程中向所述土箱中加入添加剂以改良土体；切削完成后，打开所述土箱的出土口，记录固定时间内改良土体流出的重量，以测定改良后土体的流动性。

所述刀盘以及所述反力顶板上分别设置有土压力传感器和孔隙水压力传感器，所述土压力传感器和孔隙水压力传感器实时检测所述土箱中的土压力和孔隙水压力并上传数据。

所述变频电动机上设置有扭矩转速传感器以实时检测所述变频电动机的扭矩及转速并上传数据，所述顶进油缸上设置有顶力行程传感器以实时检测所述顶进油缸的顶力、行程及速度并上传数据。

所述刀盘为辐条式刀盘，其上设置有应变花以实时检测刀盘应变并上传数据。

所述测定改良后土体流动性方法的步骤为：在所述土箱的出土口设置一流动性测试装置，所述流动性测试装置包括称重传感器以及位于所述称重传感器上的量杯，切削完成后，打开所述土箱的出土口，所述称重传感器记录固定时间内流入所述量杯中的改良土重量。

所述传动轴内设置有添加剂注入管，所述添加剂注入管的一端与所述刀盘的中心孔相连通，另一端与外部的土体改良剂泵送装置相连通。

所述刀盘上刀具的磨损程度通过测量所述刀具的质量变化来进行确定。

本发明的优点是，目前现有的测试装置多为模型试验，而本测试方法中用到的装置则为测试仪器，其可以测试的土层条件和埋深范围广泛，实时监测所获取的参数全面且准确度高，可用于评价盾构的地层适应性，从而为盾构选型、盾构掘进以及土体改良方法提供良好的借鉴，适用于测试土压盾构或泥水盾构。

附图说明

图1为本发明中测试仪的立体示意图；

图2为本发明中测试仪的剖面图；

图3为本发明中测试仪前端面上的传感器分布示意图；

图4为本发明中测试仪后端面上的传感器分布示意图；

图5为本发明中刀盘的前视图；

图6为本发明中刀盘的后视图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-6，图中标记1-35分别为：反力油缸1、隔板2、反力顶板3、土箱4、刀盘5、刀具6、传动轴7、顶进导向支架8、变频电动机9、顶进支架10、添加剂注入管11、液压站12、底座支架13、扭矩转速传感器14、推力轴承15、添加剂注入口16、预留孔17、单向阀18、土压传感器19、孔隙水压力传感器20、进土口21、出土口22、量杯23、称重传感器24、万向轮25、顶进油缸26、电控柜27、钢化玻璃观察窗28、面板29、刀具30、内支架31、外支架32、辐条33、搅拌棒34、应变花35。

实施例：本实施例具体涉及一种盾构地层适应性测试方法，该测试方法通过实时监测测试仪的各项运行参数，从而为盾构选型、盾构掘进以及地层改良方法提供良好的借鉴。

如图1-6所示，本实施例中的测试方法具体包括如下步骤：

（1）如图1、2所示，首先搭建盾构地层适应性测试仪：

该测试仪的主体为土箱4，其前端面和后端面上分别封装固定有隔板2以构成封闭筒状；在土箱4内的前端设置有可沿轴向进退的刀盘5，刀盘5具体是由贯穿前端面隔板2中心的传动轴7驱动旋转的，且在土箱4内的后端设置有可沿轴向进退的反力顶板3，反力顶板3具体是由贯穿后端面隔板2中心的反力油缸1驱动的；前述的刀盘5与反力顶板3之间共同在土箱4中构成土层切削测试空间；

如图1、2所示，土箱4的上部设置有进土口21，下部设置有出土口22，侧壁面上则开设有钢化玻璃观察窗28以供观察；如图3所示，在刀盘5上设置有土压传感器19及孔隙水压力传感器20，同时在隔板2上设置有添加剂注入口16以及预留孔17，其中添加剂注入口16以及预留孔17均为上、下两个孔，预留孔17可接泥浆系统用于评价泥水盾构的地层适应性问题；如图4所示，在反力顶板3上同样设置有土压传感器19以及孔隙水压力传感器20；

如图1、2所示，传动轴7顶端贯穿前端面隔板2的中心并与刀盘5同轴固定，传动轴7的末端与动力部分相连接以将动力部分的进退和旋转动力传递到与之连接的刀盘5上以驱动刀盘5，在传动轴7内设置有沿其轴向布置的添加剂注入管11，添加剂注入管11的顶端与刀盘5的中心孔相连通，末端与外部的土体改良剂泵送装置相连通，用以向密封舱内的土体注入添加剂；动力部分主要包括变频电动机9、扭矩转速传感器14、推力轴承15以及顶进油缸26，变频电动机9经传动轴7向刀盘5提供旋转动力，并通过调节不同的频率来调节变频电动机9的转速，同时通过扭矩转速传感器14测量电动机的扭矩和转速，顶进油缸26提供刀盘5掘进和后退的动力，并通过推力轴承15向前传递，顶进油缸26上设置有顶力行程传感器以实时检测所述顶进油缸的顶力、行程及速度，其中，传动轴7经顶进导向支架8支撑，变频电动机9经顶进支架10支撑，液压站12与顶进油缸26相连接并提供液压动力，电控柜27与变频电动机9相连接并对其进行控制；

如图1、2、5、6所示，刀盘5主要由辐条33、刀具30、面板29、搅拌棒34、内支架31、外支架32以及应变花35组成，工作时可以通过改变六块面板29的大小来调整刀盘5的开口率，通过在辐条33的背部贴应变花35来测量刀盘5的应变，同时通过测量刀具30质量的变化以测量其磨损情况；

如图1、2所示，在土箱4的出土口22下方设置有流动性测试装置，该流动性测试装置包括量杯23和称重传感器24，量杯23设置于称重传感器24上，当刀盘5切削一段距离后，打开出土口22，记录固定时间内改良土体流出的重量，以此再测定改良后土体的流动性；

如图1、2所示，上述所有部件均安装固定于底座支架13上，且底座支架13底部具有万向轮25，测试仪可通过万向轮25进行自由走行；

（2）经土箱4上的进土口21将配好的重塑土加入前述的土层切削测试空间中；

（3）启动反力油缸1以驱动反力顶板3顶推土体，使土箱4中土压力被顶推调节至所需值，顶推的同时，通过反力顶板3上的土压传感器19和孔隙水压力传感器20实时检测土箱4中的土压力和孔隙水压力并将这两种数据上传；

（4）启动变频电动机9和顶进油缸26，以将旋转和顶进动力通过传动轴7传递至刀盘5上并驱动其旋转前进以切削土体，切削的过程中，通过变频电动机9上设置的扭矩转速传感器14以实时检测变频电动机9的扭矩及转速并上传数据；同时通过顶进油缸26上所设置的顶力行程传感器以实时检测顶进油缸26的顶力、行程及速度并上传数据；此外通过刀盘5上所设置的应变花35以实时检测刀盘5的应变并上传数据；

（5）切削过程中，启动添加剂注入系统向土箱4中的土体内注入添加剂以改良土体，即添加剂注入管11和添加剂注入口16实现；

（6）切削完成后打开土箱4的出土口22，称重传感器24记录固定时间内流入量杯23中的改良土重量，以测定改良后土体的流动性；

（7）清理土箱4内土体，并将刀盘5退至初始位置；

（8）将所获得的各项数据进行综合分析评定，从而为盾构选型、盾构掘进以及土体改良方法提供良好的借鉴。

本实施例的优点在于，本测试方法可以针对不同的地层、不同的埋深进行地层适应性试验；可以测试较多的施工参数；与此同时该测试方法既可以在工程未开工前，先进行预试验，辅助盾构选型，又可以在工程施工过程中，直接将测试装置放置在盾构车架上，实时检验盾构出土改良状况，以此反馈盾构司机对目前施工参数进行调整；同时，测试装置前端板上预留两个孔，可接上泥浆系统用于评价泥水盾构的地层适应性问题；

此外，目前现有的测试装置多为模型试验，而本测试方法中所用到的测试装置为测试仪器，其标准化程度和应用推广程度更高；可以测试的土层条件和埋深范围更加广泛；可以测量的参数更全面更精细；既可以测试土压盾构又可以测试泥水盾构；既可以用于前期盾构选型，又可以用于后期施工实时检测反馈；既可以用于室内试验，又可以用于现场试验。

本测试方法可以辅助我们前期盾构选型更为恰当、盾构施工参数更为合适、土体改良方法更为有效，提前辅助我们规避风险，对改善盾构施工有突出的效果。

Claims (7)

1.一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述测试方法包括如下步骤：在一筒形土箱的两端面封装隔板，并在土箱内部的两端分别设置可沿轴向进退的刀盘和反力顶板，所述刀盘与所述反力顶板之间的空间共同构成土层切削测试空间，所述刀盘由贯穿该端所述隔板的传动轴驱动旋转，所述反力顶板由贯穿该端所述隔板的反力油缸顶推；经所述土箱上的进土口将配好的重塑土加入所述土层切削测试空间中；启动所述反力油缸驱动所述反力顶板顶推土体以将所述土箱中土压力设定至所需值；启动变频电动机和顶进油缸并经所述传动轴驱动所述刀盘旋转前进并切削土体，切削过程中向所述土箱中加入添加剂以改良土体；切削完成后，打开所述土箱的出土口，记录固定时间内改良土体流出的重量，以测定改良后土体的流动性。

2.根据权利要求1所述的一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述刀盘以及所述反力顶板上分别设置有土压力传感器和孔隙水压力传感器，所述土压力传感器和孔隙水压力传感器实时检测所述土箱中的土压力和孔隙水压力并上传数据。

3.根据权利要求1所述的一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述变频电动机上设置有扭矩转速传感器以实时检测所述变频电动机的扭矩及转速并上传数据，所述顶进油缸上设置有顶力行程传感器以实时检测所述顶进油缸的顶力、行程及速度并上传数据。

4.根据权利要求1所述的一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述刀盘为辐条式刀盘，其上设置有应变花以实时检测刀盘应变并上传数据。

5.根据权利要求1所述的一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述测定改良后土体流动性方法的步骤为：在所述土箱的出土口设置一流动性测试装置，所述流动性测试装置包括称重传感器以及位于所述称重传感器上的量杯，切削完成后，打开所述土箱的出土口，所述称重传感器记录固定时间内流入所述量杯中的改良土重量。

6.根据权利要求1所述的一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述传动轴内设置有添加剂注入管，所述添加剂注入管的一端与所述刀盘的中心孔相连通，另一端与外部的土体改良剂泵送装置相连通。

7.根据权利要求1所述的一种盾构地层适应性测试方法，其特征在于所述刀盘上刀具的磨损程度通过测量所述刀具的质量变化来进行确定。