CN108414128B - 监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法，属于隧道工程模型盾构机试验技术领域。该装置包括刀盘和土压力监测系统。土微型土压力计呈上大下小的形状，微型土压力计的尾部连接有导线。微型土压力计按试验设计位置测量开挖面前方土体的土压力。无线发射器固定在模型盾构机的空心传动轴的尾部，随着空心传动轴一起旋转。无线接收器放置在模型盾构机一定距离处，能够接收到无线发射器测得的数据。刀盘中心处的空心传动轴旋转，带动刀盘旋转削土，它们的旋转角速度相同。本发明使用一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，在刀盘上安装土压力计，能实时监测到模型盾构机开挖面上土压力的大小和变化。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程模型盾构机试验技术领域，具体地指监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法。
背景技术
近些年来，城市地铁隧道的建设飞速发展，因盾构法机械化程度高、对环境影响小等优点，已经广泛应用于如北京、上海、广州、南京、深圳等客运量需求大、地表交通拥堵的大中城市。相比于国外盾构技术的发展，我国盾构施工经验仍显不足，加之盾构掘进时面临的土体力学特性迥异、水文地质多变等因素，由于开挖面支护力过小而发生的盾构开挖面失稳事故在北京、上海、广州等城市时有发生。因此，研究盾构开挖面支护力的大小对于盾构开挖面的稳定十分重要。
盾构隧道开挖面支护力的研究，主要有：理论分析、模型试验和数值模拟等方法。模型试验由于有直观、易于观察等优点，被国内外很多学者应用。如何能够有效地监测开挖面上的的支护力是一个首要解决的问题。
国内外现有的位移控制的隧道开挖面主动破坏试验，将监测元件安装在挡板上，这是由于装置简单，没有考虑刀盘的旋转，仅仅利用面板倒退的方式模拟开挖面主动破坏。因此，在刀盘上安装传感器较为简单。为了更加真实的模拟盾构开挖的过程和主动破坏的过程，许多科研机构研制了模型盾构机。需要在模型试验中考虑刀盘旋转、盾构机顶进等过程，此时在刀盘上安装监测元件，面临着一个很大的问题，即随着刀盘的旋转，监测元件的导线会被绞断。
如何在旋转的刀盘上安装监测元件，并使监测元件的导线顺利导出，同时能够使采集仪得到传感器的读数是开挖面支护力模型试验需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的就是在模型盾构机的刀盘上安装监测元件，监测模型盾构机开挖面上的土压力，即提供一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法。
本发明的技术解决方案是：
一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，该装置包括刀盘1和土压力监测系统8。刀盘1装在模型盾构机2的最前端，刀盘1的辐条3上装有刀具4，刀具4通过旋转切削前方土体。刀盘1的面板5上有一定的开口6，切削下来的土体经过刀盘1上的开口6进入刀盘后面的土压舱7内。
土压力监测系统8包括微型土压力计9、导线10和无线采集仪11。
所述的微型土压力计9呈上大下小的形状，微型土压力计9的尾部连接有导线10。微型土压力计9按试验设计位置测量开挖面前方土体的土压力。
面板5上挖有通透的凹槽12，凹槽12呈上大下小的形状，凹槽12与微型土压力计9的形状和大小相一致。将微型土压力计9放入刀盘1的凹槽12内后，微型土压力计9的表面陷入凹槽12内，由于凹槽12上大下小，微型土压力计9不会掉出。微型土压力计9的上表面与刀盘1表面之间的孔隙13涂抹上耐磨油脂。
刀盘1背面挖出通向刀盘1圆心的导线槽14，微型土压力计9的导线10通过导线槽14汇集到刀盘背面的中心区域，然后从空心传动轴15内导出。导线槽14用以连接凹槽12与空心传动轴15。
空心传动轴15是一空心的圆柱体，空心传动轴15内部打有通长的圆孔，用于将刀盘1上的微型土压力计9的导线10导出至空心传动轴15的尾部。
无线采集仪11由无线发射器16和无线接收器17组成。无线发射器16固定在模型盾构机的空心传动轴15的尾部，随着空心传动轴15一起旋转。无线接收器17放置在模型盾构机2一定距离处，能够接收到无线发射器16测得的数据。
利用上述的监测模型盾构机开挖面上水土压力的装置，刀盘上安装微型土压力计的方法的原理如下：
通过将模型盾构机2的传动轴15打通透孔的方式，将微型土压力计9的导线10穿过空心传动轴15的通透孔引到空心传动轴15的尾部；同时，在空心传动轴15的尾部设置一个无线发射器16，导线10的尾部接上无线发射器16，无线发射装器16和导线10一起跟随模型盾构机2的空心传动轴15旋转；在模型盾构机2外放置一个无线接收器17接收无线发射器16发送的数据。
这样，微型土压力计9、导线10、无线发射器16都随着刀盘1旋转，避免了导线10被绞断；同时，位于模型盾构机2外部的无线接收器17也能采集到无线发射器16发送的数据。
利用上述的刀盘上安装微型土压力计监测模型盾构机开挖面前方土压力的装置的方法，包括下列步骤：
S1将模型盾构机2的刀盘1对准要开挖土体，启动模型盾构机，开始向前掘进。
S2掘进过程中，刀盘1上的微型土压力计9、空心传动轴15和无线发射器16会随刀盘1一起旋转。
S3通过模型盾构机外的无线接收器17读取微型土压力计的读数，即为刀盘前方开挖面上的土压力值。
本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使用一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，在刀盘上安装微型土压力计，能实时监测到模型盾构机开挖面上土压力的大小和变化。
2、本发明将传动轴上打一个通透的孔，使刀盘上的微型土压力计的导线通过中轴穿出至模型盾构机尾部，而不至于导线随着刀盘的旋转被扭断。
3、本发明在传动轴的尾部装上一个无线发射器，微型土压力计的导线接上无线发射器，在模型盾构机的外部放置无线接收器。通过将导线连接的无线采集仪拆分为由无线连接的无线发射器和无线接收器的方法，避免了导线被绞断。
4、本发明适用于土压平衡模型盾构机或泥水平衡模型盾构机。
附图说明
图1刀盘正面平面图
图2刀盘背面平面图
图3微型土压力计示意图
图4刀盘上安装微型土压力计剖面图
图5无线采集仪位置示意图
图6实例中的模型盾构机示意图
图中：1、刀盘；2、模型盾构机；3、辐条；4、刀具；5、面板；6、开口；7、土压舱；8、土压力监测系统；9、微型土压力计；10、导线；11、无线采集仪；12、凹槽；13、孔隙；14、导线槽；15、空心传动轴；16、无线发射器；17、无线接收器；18、螺旋出土器。
具体实施方式
为了清楚地了解本发明，下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图6所示，模型盾构机2具有真实盾构机具有的基本组成部分，刀盘1、土压舱7和螺旋出土器18。模型盾构机2能完成盾构的掘进和刀盘旋转、螺旋出土器出土等真实盾构机具有的基本功能。
图1-5为模型盾构机2刀盘上打孔安装微型土压力计9监测模型盾构机2开挖面上土压力的装置和方法。
本发明一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，其构成包括：
(1)刀盘部分
刀盘1，装在模型盾构机2的最前端，刀盘1的辐条3上装有刀具4，通过旋转切削前方土体。刀盘1的面板5上有一定的开口6，切削下来的土体经过刀盘1上的开口6进入刀盘后面的土压舱7内。
微型土压力计9，尺寸较小，呈上大下小的形状，尾部有导线10穿出，用于监测刀盘开挖面上的土压力。
刀盘1前面面板5上挖有通透的凹槽12，呈上大下小的形状，用于嵌入微型土压力计9和引出导线10。将微型土压力计9放入刀盘1的凹槽12内后，微型土压力计9的表面陷入凹槽12内，由于孔内的凹槽12上大下小，微型土压力计9不会掉出。微型土压力计9的上表面与刀盘1表面之间的孔隙13涂抹上耐磨油脂。
刀盘1背面挖有通向圆心区域的导线槽14，刚好使微型土压力计9的导线10从导线槽14中通过刀盘的后面，然后汇集到空心传动轴15内导出。
(2)传动轴部分
模型盾构机2的空心传动轴15，是一空心的圆柱体，内部打有通长的圆孔，用于将刀盘1上的微型土压力计9的导线10导出至空心传动轴15的尾部。
(3)盾尾部分
无线采集仪11，由无线发射器16和无线接收器17组成。无线发射器16固定在模型盾构机的空心传动轴15的尾部，随着空心传动轴15一起旋转。无线接收器17放置在模型盾构机一定距离处，能够接收到无线发射器16测得的数据。
利用上述的监测模型盾构机开挖面上水土压力的装置，刀盘上安装微型土压力计的方法的原理如下：
刀盘中心处的传动轴15旋转，带动刀盘1旋转削土，它们的旋转角速度相同。整个模型盾构机系统，旋转的部件为刀盘1和传动轴15，而盾构机其他部件保持静止。
若将微型土压力计9直接安装在刀盘1的面板5上、导线10从土压舱7面板上打孔引出，由于土压舱7不随刀盘1旋转，则导线10会因刀盘1的旋转而被绞断，而无法测量刀盘1上的土压力。为了使刀盘1上的微型土压力计9的导线10不因刀盘1旋转而绞断，则导线10必须随着刀盘1一起旋转。
同时，微型土压力计9与导线10相连，导线10与无线采集仪11相连，而无线采集仪11一般是不能随着刀盘1旋转的。为使导线10不至于被绞断，则导线10与无线采集仪11的连接处必须通过某种手段断开，同时无线采集仪11还能监测到读数。
本发明通过将模型盾构机2的传动轴15打通透孔的方式，将导线10穿过传动轴15的通透孔引到传动轴15的尾部。同时，在空心传动轴15的尾部设置一个无线发射器16，导线10的尾部接上无线发射器16，无线发射装器16和导线10一起跟随模型盾构机2的空心传动轴15旋转。同时，在模型盾构机2外放置一个无线接收器17接收无线发射器16发送的数据。
利用上述的刀盘上安装微型土压力计监测模型盾构机开挖面前方土压力的装置的方法，包括下列步骤：
①将模型盾构机2的刀盘1对准要开挖土体，启动模型盾构机，开始向前掘进。
②掘进过程中，刀盘1上的微型土压力计9、空心传动轴15和无线发射器16会随刀盘1一起旋转。
③通过模型盾构机外的无线接收器17读取微型土压力计的读数，即为刀盘前方开挖面上的土压力值。
实施方式与效果：
本发明上述实例，通过刀盘上打孔嵌入微型土压力计、背面挖槽引导导线汇集到刀盘背面中心区域、传动轴打孔引出导线至盾尾、盾构安装无线发射器随传动轴旋转、外部放置无线接收器采集土压力数据，完成了模型盾构机刀盘上安装微型土压力计，其导线会因刀盘旋转被绞断的难题。本发明可以适用于土压平衡模型盾构机或泥水平衡模型盾构机等模型盾构机，可以实时监测模型盾构机刀盘上土压力的大小和变化情况。
以上对本发明的实例进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明要点的范围内进行适当变更。
Claims (2)
1.监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，其特征在于：该装置包括刀盘(1)和土压力监测系统(8)；刀盘(1)装在模型盾构机(2)的最前端，刀盘(1)的辐条(3)上装有刀具(4)，刀具(4)通过旋转切削前方土体；刀盘(1)的面板(5)上有一定的开口(6)，切削下来的土体经过刀盘(1)上的开口(6)进入刀盘后面的土压舱(7)内；
土压力监测系统(8)包括微型土压力计(9)、导线(10)和无线采集仪(11)；
所述的微型土压力计(9)呈上大下小的形状，微型土压力计(9)的尾部连接有导线(10)；微型土压力计(9)按试验设计位置测量开挖面前方土体的土压力；
面板(5)上挖有通透的凹槽(12)，凹槽(12)呈上大下小的楔形形状，凹槽(12)与微型土压力计(9)的形状和大小相一致；将微型土压力计(9)放入刀盘(1)的凹槽(12)内后，微型土压力计(9)的表面陷入凹槽(12)内，由于凹槽(12)上大下小，微型土压力计(9)不会掉出；微型土压力计(9)的上表面与刀盘(1)表面之间的孔隙(13)涂抹上耐磨油脂；
刀盘(1)背面挖出通向刀盘(1)圆心的导线槽(14)，微型土压力计(9)的导线(10)从导线槽(14)汇集到刀盘背面的中心区域，然后从空心传动轴(15)内导出；导线槽(14)用以连接凹槽(12)与空心传动轴(15)；
空心传动轴(15)是一空心的圆柱体，空心传动轴(15)内部打有通长的圆孔，用于将刀盘(1)上的微型土压力计(9)的导线(10)导出至空心传动轴(15)的尾部；
无线采集仪(11)由无线发射器(16)和无线接收器(17)组成；无线发射器(16)固定在模型盾构机的空心传动轴(15)的尾部，随着空心传动轴(15)一起旋转；无线接收器(17)放置在模型盾构机(2)一定距离处，能够接收到无线发射器(16)测得的数据。
2.利用权利要求1所述装置进行的监测模型盾构机开挖面上土压力的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1将模型盾构机(2)的刀盘(1)对准要开挖土体，启动模型盾构机，开始向前掘进；
S2掘进过程中，刀盘(1)上的微型土压力计(9)、空心传动轴(15)和无线发射器(16)会随刀盘(1)一起旋转；
S3通过模型盾构机外的无线接收器(17)读取微型土压力计的读数，即为刀盘前方开挖面上的土压力值。
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Granted publication date: 20201016 |