CN109406389B - 盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置与测试方法 - Google Patents

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Abstract

盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置与测试方法，由微型伺服电机、微型扭矩传感器、金属转盘、组合式圆柱形金属槽、螺栓、导线和数据传输线共同构成，泥饼黏结强度测试装置按特定排列布置在辐条I(II)的中线位置以及刀盘面板表面，各个黏结强度测试装置内设置微型扭矩传感器，实现刀盘分区测定全断面泥饼黏结强度功能，有效解决模型试验刀盘难以在非开舱条件下直接测定刀盘不同位置黏结程度的问题，刀盘黏结强度分区测定是判定在富黏地层中施工盾构刀盘是否结泥饼、泥饼位置分布及硬结程度的一种有效手段。

Description

盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置与测试方法
技术领域
本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置与测试方法。
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。由于地下地质情况复杂，盾构机在富含黏土的地层中施工，发生迁移并逐渐增厚容易在刀盘表面形成泥饼，随着推进距离的加长，刀盘上的泥饼就会越来越多，泥饼在掌子面的挤压、摩擦作用下产生巨大的热量，使泥饼与刀盘连成整体，造成刀盘的掘进速度急剧下降，同时还会造成刀盘油温过高使盾构无法掘进，大大降低了开挖效率。因此，研究泥饼黏结强度对泥饼形成机理、泥饼在刀盘上的位置分布以及刀盘上泥饼的硬结程度研究，具有重要的指导意义。
目前关于泥饼黏结强度的测定局限于土体与固体间法向黏结力的测定，试验仪器与土体接触的时间较为短暂，而且土体相对较为稳定，这与实际盾构工程中的状况有很大的差别。如：陈秉聪在其专著《土壤-车辆系统力学》中指出，我国在上世纪七八十年代在上世纪七八十年代，相继研制了SF-1型土壤外附力测定装置、内聚力测定仪和液压电测式土壤黏附仪，任露泉在其论文《土壤黏附仪组合测盘测力原理的试验研究》中提出一种组合测盘，测盘由内盘和外盘两部分组成，内盘以一定的配合锥度与外盘组合，能够有效的测量各种土壤条件下的黏结力；Feinendegen在其论文《A new laboratory test to evaluatethe problem of clogging in mechanical tunnel driving with EPB-shields》首先开展球体和叶片形式的黏结性测试试验，试验结果并不理想。以上这些组合测盘所测试样分布较为均匀，而且采用法向测定的方式，虽然仪器有不同程度的改进，但基本都是小型的黏结测定装置，与盾构工程中，盾构刀盘上泥饼的随机分布以及厚度不均的实际情况有很大差别，同时不能实现盾构掘进过程中，刀盘分区测定泥饼黏结强度的功能。
为克服上述不足，本发明提出盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置，分析刀盘结泥饼的位置，不同区域的泥饼黏结强度变化规律，揭示泥饼黏结强度增长机理，判别盾构掘进过程中刀盘泥饼的形成位置，从而为刀盘结泥饼的形成机制以及刀盘泥饼的去除提供有效的分析依据。
发明内容
本发明的目的是提供盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置与测试方法，解决无法考虑盾构掘进对泥饼黏结强度测定影响的问题，确定盾构掘进过程中刀盘泥饼的形成位置，其具有分区测定泥饼黏结强度变化规律，揭示泥饼黏结强度增长机理的优点，可以应用在揭示刀盘结泥饼的形成机理、构建泥饼增长模型研究和刀盘泥饼去除的科研领域。
盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置与测试方法，由微型伺服电机、微型扭矩传感器、金属转盘、组合式圆柱形金属槽、螺栓、导线和数据传输线共同构成，黏结强度测试装置按特定排列布置在辐条I(II)的中线位置以及刀盘面板表面，各个泥饼黏结强度测试装置内设置微型扭矩传感器，实现刀盘分区测定全断面泥饼黏结强度功能，有效解决模型试验刀盘难以在非开舱条件下直接测定刀盘不同位置黏结程度的问题，确定盾构掘进过程中刀盘泥饼的形成位置、泥饼黏结强度的增长机理和刀盘泥饼去除的分析依据。
所述的泥饼黏结强度测定测试装置，其特征在于，微型扭矩传感器通过螺栓与组合式圆柱形金属槽左槽连接，金属转盘通过螺栓与微型扭矩传感器上部连接，微型伺服电机通过螺栓微型扭矩传感器下部连接，微型伺服电机通过螺栓组合式圆柱形金属槽左槽连接，最后微型伺服电机通过螺栓与组合式圆柱形金属槽右槽连接，完成所述的泥饼黏结强度测试装置组装；
微型伺服电机通过导线与电源和伺服驱动器连接，用于伺服电机供电以及试验过程中设定不同级别的转矩；
微型扭矩传感器通过数据传输线与扭矩采集仪连接，用于测定金属转盘在试验过程中扭矩变化，实现刀盘分区独立测定泥饼黏结强度的功能。
所述的泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，将泥饼黏结强度测试装置用螺栓等间距固定在辐条I的双刃滚刀两侧以及辐条II上的滚刀之间；
在辐条I上双刃滚刀两侧等间距各设置4个泥饼黏结强度测试装置，泥饼黏结强度测试装置到双刃滚刀的距离为5-6cm，泥饼黏结强度测试装置之间的距离为7-8cm，进而可以准确测定模型试验刀盘辐条I上关键点的泥饼黏结强度变化，分析泥饼的分布位置以及泥饼的去除，提供了充足的空间；
在辐条II双刃滚刀两侧各设置1个泥饼黏结强度测试装置，泥饼黏结强度测试装置到双刃滚刀与刀盘边缘的距离为5-6cm，在双刃滚刀两侧的相邻单刃滚刀中间位置同样各设置1个泥饼黏结强度测试装置，进而可以准确测定模型试验刀盘辐条II上关键点的泥饼黏结强度变化，分析泥饼的分布位置以及泥饼的去除，提供了充足的空间；
泥饼黏结强度测试装置与辐条I、辐条II接触面之间设置密封橡胶垫圈，防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部；
在每个刀盘面板上按照“1+2”的方式，呈辐射状均匀布置3个泥饼黏结强度测试装置，泥饼黏结强度测试装置与刀盘面板的接触面之间设置密封橡胶垫圈，防止试验过程中泥浆或者泥饼进入泥饼黏结强度测试装置内部。
所述泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，金属转盘与辐条I、辐条II和刀盘面板表面平齐，金属转盘与辐条I、辐条II和刀盘面板上圆孔的孔壁之间用凡士林，用于润滑以及防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部。
所述金属转盘的直径为2～3cm，厚度为0.2-0.4cm辐条I、辐条II和刀盘面板厚度为1.2-1.5cm。
所述泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，组合式圆柱形金属槽左槽与组合式圆柱形金属槽右槽对接的接触面上用强力胶黏贴橡胶垫，对数据传输线孔实行密封，防止掘进过程中泥浆进入泥浆黏度测试装置内部。
盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，将设置有采用所述的泥饼黏结强度装置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，将设置有所述的泥饼黏结强度测试装置所在模型试验刀盘压入到地层中，设定刀盘推进力、转矩和转向，让刀具切削土体，当刀盘扭矩出现异常时，认为刀盘可能结泥饼，此时停止刀盘转动，开展后续泥饼黏结强度测试试验；
步骤2：每个泥饼黏结强度测试装置逐一打开进行如下测试：
①根据全断面泥饼初始黏结强度推算的扭矩M0的1/10确定伺服电机的初始转矩M0′；
②若微型扭矩传感器测定的扭矩M″低于微型伺服电机的初始转矩M0′，说明该处未结泥饼；
③若微型扭矩传感器测定的M″大于或等于M0′，逐级增加微型伺服电机的扭矩，每次增加M0′，若实测M″介于i M0′和(i+1)M0′之间，则近似认为M″＝i M0′，若i＞1，说明该处已结泥饼；
④重复上面的工作，测量所有点的泥饼黏结强度；
步骤3：基于上面测定的所有点的泥饼黏结强度，分析刀盘上不同位置的结泥饼情况，从而确定刀盘上泥饼的位置分布以及不同位置处泥饼的硬结程度。
有益效果
本发明解决了目前室内模型试验无法获得刀盘不同区域泥饼的分布位置及全断面泥饼的扭矩变化的问题，具有如下有益的效果：
(1)盾构模型试验刀盘的刀盘面板和滚刀之间布置泥饼黏结强度测试装置，实现分区独立测试不同区域泥饼黏结强度的功能。
(2)能够综合考虑盾构施工参数、刀盘几何参数和土性等因素对刀盘全断面泥饼的影响，实现对盾构掘进过程中形成的各种形态的泥饼进行针对性研究。
(3)泥饼黏结强度的分区测定，为研究刀盘泥饼的形成位置、不同位置刀盘泥饼黏结强度的变化规律以及刀盘泥饼的去除提供有效的分析依据。
附图说明
图1是泥饼黏结强度测试装置结构视图，其中(a)为泥饼黏度测试装置正截面结构视图，(b)为泥饼结构测试装置俯视图，(c)为泥饼黏度测试装置横截面结构俯视图；
图2是泥饼黏结强度测试装置分解图，其中(a)为泥饼黏结强度测试装置构件分解图，(b)为组合式圆柱形金属槽分解图；
图3是刀盘上泥饼黏结强度测试装置截面图与其在刀盘上的分布图，其中(a)为泥饼黏结强度测试装置安装在刀盘上的正截面结构视图，(b)为泥饼黏结强度测试装置在刀盘上的平面分布图；
在附图1～附图3中，1为微型伺服电机；2为微型扭矩传感器；3为金属转盘；4为组合式圆柱形金属槽左槽；5为组合式金属槽右槽；6为螺栓I；7为螺栓II；8为螺栓III；12为螺栓IV；9为导线；10数据传输线；11为数据传输线孔；13为辐条I；14为辐条II；15为边缘刮刀；16为刮刀；17为刀盘面板；18为双刃滚刀；19为单刃滚刀；20、21为不同形状的密封橡胶垫圈。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
如图1-如图3所示，盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置，由微型伺服电机1、微型扭矩传感器2、金属转盘3、组合式圆柱形金属槽左槽4、组合式圆柱形金属槽右槽5、螺栓I6、螺栓II7、螺栓III8、导线9和数据传输线10共同构成；
所述泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，所述的组合式圆柱形金属槽左槽4与组合式圆柱形金属槽右槽5对接的接触面上用强力胶黏贴橡胶垫21，防止掘进过程中泥浆进入泥浆黏度测试装置内部(如图1(b))。
所述泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，金属转盘3与辐条I13、辐条II14和刀盘面板17表面平齐，金属转盘3与辐条I13、辐条II14和刀盘面板17上圆孔的孔壁之间用凡士林，用于润滑以及防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部(如图3(a)所示)。
所述泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，用螺栓IV12将泥饼黏结强度测试装置等间距布置在刀盘辐条I13上双刃滚刀两侧以及辐条II14上的滚刀之间，在泥饼黏结强度测试装置与辐条I13、辐条II14接触面之间设置密封橡胶垫圈20，防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部(如图3(b)所示)。
所述泥饼黏结强度测试装置，其特征在于，用螺栓IV12将泥饼黏结强度测试装置按照“1+2”的方式呈辐射状均匀布置在四个刀盘面板17上，在泥饼黏结强度测试装置与刀盘面板17的接触面之间设置密封橡胶垫圈20，防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部(如图3(b)所示)。
盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，采将设置有采用所述的泥饼黏结强度测试装置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，将设置有所述的泥饼黏结强度测试装置的模型试验刀盘压入到地层中，设定刀盘推进力、转矩和转向，让刀具切削土体，当刀盘扭矩出现异常时，认为刀盘可能结泥饼，此时停止刀盘转动，开展后续泥饼黏结强度测试试验；
步骤2：每个泥饼黏结强度测试装置逐一打开进行如下测试：
①根据全断面泥饼初始黏结强度推算的扭矩M0的1/10确定伺服电机的初始转矩M0′；
②若微型扭矩传感器2测定的扭矩M″低于微型伺服电机1的初始转矩M0′，说明该处未结泥饼；
③若微型扭矩传感器2测定的M″大于或等于M0′，逐级增加微型伺服电机1的扭矩，每次增加M0′，若实测M″介于i M0′和(i+1)M0′之间，则近似认为M″＝i M0′，若i＞1，说明该处已结泥饼；
④重复上面的工作，测量所有点的泥饼黏结强度；
步骤3：基于上面测定的所有点的泥饼黏结强度，分析刀盘上不同位置的结泥饼情况，从而确定刀盘上泥饼的位置分布以及不同位置处泥饼的硬结程度。
盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，利用上述的盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，进行全断面刀盘泥饼黏结强度测定，可以得出泥饼的分布位置，确定刀盘不同位置泥饼黏结强度的变化规律，通过泥饼黏结强度的变化曲线，确定刀盘泥饼的硬结程度。
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。

Claims (6)

1.盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，采用盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置在富黏地层中开展盾构施工模型试验，具体步骤如下：
(1)在试验土箱中按照一定的配比制备试验用富黏地层，将设置有所述的泥饼黏结强度测试装置的模型试验刀盘压入到地层中，设定刀盘推进力、转矩和转向，让刀具切削土体，当刀盘扭矩出现异常时，认为刀盘可能结泥饼，此时停止刀盘转动，开展后续泥饼黏结强度测试试验；
(2)每个泥饼黏结强度测试装置逐一打开进行如下测试：
①根据全断面泥饼初始黏结强度推算的扭矩M0的1/10确定伺服电机的初始转矩M0′；
②若微型扭矩传感器(2)测定的扭矩M″低于微型伺服电机(1)的初始转矩M0′，说明该处未结泥饼；
③若微型扭矩传感器(2)测定的M″大于或等于M0′，逐级增加微型伺服电机(1)的扭矩，每次增加M0′，若实测M″介于iM0′和(i+1)M0′之间，则近似认为M″＝iM0′，若i＞1，说明该处已结泥饼；
④重复上面的工作，测量所有点的泥饼黏结强度；
(3)基于上面测定的所有点的泥饼黏结强度，分析刀盘上不同位置的结泥饼情况，从而确定刀盘上泥饼的位置分布以及不同位置处泥饼的硬结程度；
其中，泥饼黏结强度测试装置，由微型伺服电机(1)、微型扭矩传感器(2)、金属转盘(3)、组合式圆柱形金属槽左槽(4)、组合式圆柱形金属槽右槽(5)、螺栓I(6)、螺栓II(7)、螺栓III(8)、导线(9)和数据传输线(10)共同构成；
微型扭矩传感器(2)与组合式圆柱形金属槽左槽(4)连接，金属转盘(3)与微型扭矩传感器(2)上部连接，微型伺服电机(1)与微型扭矩传感器(2)下部连接，组合式圆柱形金属槽右槽(5)通过螺栓III(8)与组合式圆柱形金属槽左槽(4)及微型伺服电机(1)连接；
微型伺服电机(1)通过导线(9)与电源和伺服驱动器连接，用于伺服电机供电以及试验过程中设定不同级别的转矩；
微型扭矩传感器(2)通过数据传输线(10)与扭矩采集仪连接，用于测定金属转盘(3)在试验过程中扭矩变化，实现刀盘分区独立测定泥饼黏结强度的功能；
泥饼黏结强度测试装置等间距固定在刀盘辐条I(13)上双刃滚刀(18)两侧以及辐条II(14)上的滚刀之间，且泥饼黏结强度测试装置按照“1+2”的方式呈辐射状均匀固定在刀盘面板(17)上。
2.根据权利要求1所述的盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，微型扭矩传感器(2)通过螺栓II(7)与组合式圆柱形金属槽左槽(4)连接，金属转盘(3)通过螺栓I(6)与微型扭矩传感器(2)上部连接，微型伺服电机(1)通过螺栓I(6)微型扭矩传感器(2)下部连接，微型伺服电机(1)通过螺栓III(8)与组合式圆柱形金属槽左槽(4)连接，最后微型伺服电机(1)通过螺栓III(8)与组合式圆柱形金属槽右槽(5)连接，完成所述的泥饼黏结强度测试装置的组装。
3.根据权利要求1所述的盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，泥饼黏结强度测试装置是用螺栓IV(12)固定在刀盘辐条I(13)上双刃滚刀(18)两侧以及辐条II(14)上的滚刀之间，在泥饼黏结强度测试装置与辐条I(13)、辐条II接触面之间设置密封橡胶垫圈(20)，防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部。
4.根据权利要求1所述的盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，泥饼黏结强度测试装置是用螺栓IV(12)均匀固定在四个刀盘面板(17)上，在泥饼黏结强度测试装置与刀盘面板(17)的接触面之间设置密封橡胶垫圈(20)，防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部。
5.根据权利要求1所述的盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，金属转盘(3)与辐条I(13)、辐条II(14)和刀盘面板(17)表面平齐，金属转盘(3)与辐条I(13)、辐条II(14)和刀盘面板(17)上圆孔的孔壁之间用凡士林，用于润滑以及防止试验过程中泥浆或者泥饼进入黏结强度测试装置内部。
6.根据权利要求1所述的盾构模型试验刀盘上泥饼黏结强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述的组合式圆柱形金属槽左槽(4)与组合式圆柱形金属槽右槽(5)对接的接触面上用强力胶黏贴橡胶垫(21)，对数据传输线孔(11)实行密封，防止掘进过程中泥浆进入泥浆黏度测试装置内部。
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