CN109725128B - 一种tbm掘进过程模拟测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TBM掘进过程模拟测试系统及测试方法，测试系统主要由数据采集处理装置、模拟掘进装置、动力装置和数字传感器四部分组成。数据采集处理装置包括可编程逻辑控制器、电源模块、无线数据传输模块，可编程逻辑控制器输入端有位移监测模块、液压监测模块、转速监测模块、电流监测模块以及扭矩监测模块，输出端有显示器、数据储存器、USB闪存盘；模拟掘进装置包括固定底座、支架、磨盘、掘进推杆、微型刀盘。本发明通过模拟和监测微型刀盘在各种类别、质量级别、性质的岩体中的掘进状态，可以用于快速预测深长隧道工程TBM掘进过程中的推进压力、推进扭矩、推进功率以及掘进速度，以指导隧道施工方法选择、施工进度安排和成本估算。
Description
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程技术领域，具体是不同岩体质量条件下TBM掘进过程模拟测试系统。
背景技术
TBM具有“施工速度快、成洞质量高、围岩扰动小、安全环保、经济社会效益高”等显著优势，欧洲、日本和美国等发达地区TBM隧道占比超过80％，我国TBM隧道总长也达6000公里，预计2020年TBM用量将达到全球60％，因此，TBM安全快速掘进逐渐成为隧道工程领域的前沿热点问题。TBM前期投资大且对地质条件敏感，准确评价特定地质条件下TBM掘进状态和掘进速度对工程施工方案选择、施工进度安排和成本估计至关重要。基于理论推导和现场测量参数反演分析，国内外建立了大量TBM掘进速度预测模型，模型从简单到复杂，试图从解决单一问题到解决综合问题，尽管如此，由于岩-机相互作用复杂，要全面预测不同地质条件下的TBM施工性能和掘进速度非常困难，而且采用理论研究方法经常与工程实际偏差很大，所以TBM施工预测是隧道工程面临的重大难题。
建立适用于描述TBM施工特性的关键在于模拟TBM与岩体相互作用，即“机-岩感知关系”。如果通过相似试验模拟TBM掘进过程，就可以借助相似数据类比分析方法预测TBM推进压力、推进扭矩、推进功率以及掘进速度。一些研究者通过室内试验的研究方案，构建了用于室内试验岩石钻进过程或硬度测试方面的系统或平台。但岩体是复杂的地质体，由岩石和结构面共同组成，只是室内试验模拟测试单一岩石简单体的掘进过程，并不能真是反应实际工程TBM掘进效果。因此，亟待研发一种能够应用到工程现场的预测TBM掘进性能和掘进参数的试验设备，即一种TBM掘进过程模拟测试系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TBM掘进过程模拟测试系统，通过模拟和监测TBMST在各种类别、质量级别、性质的岩体中的掘进状态，用于快速预测深长隧道工程TBM掘进过程中的推进压力、推进扭矩、推进功率以及掘进速度，为隧道施工方法选择、施工进度安排和成本估算提供科学依据，提高隧道施工经济效益。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种TBM掘进过程模拟测试系统，主要由数据采集处理装置、模拟掘进装置、动力装置和数字传感器四部分组成。数据采集处理装置包括可编程逻辑控制器、电源模块、无线数据传输模块，其中，可编程逻辑控制器的输入端有位移监测模块、液压监测模块、转速监测模块、电流监测模块以及扭矩监测模块，微控制器的输入端有显示器、数据储存器、USB闪存盘；模拟掘进装置包括固定底座、支架、磨盘、掘进推杆、微型刀盘。
一种TBM掘进过程模拟测试系统，包括数据采集处理装置、模拟掘进装置、动力装置和数字传感器，数据采集处理装置包括可编程逻辑控制器、电源模块、无线数据传输模块，模拟掘进装置包括固定底座、支架、压力磨盘、推进钻杆和微型刀盘，压力磨盘固定于支架上部并握紧推进钻杆，推进微型刀盘前进，支架靠近岩体部位由固定底座进行位移约束，数字传感器安装于模拟掘进装置传力部位，精确测量装置的压力、位移、转速、电流以及扭矩信息。
进一步地，动力装置包括油泵，通过油泵持续供给压力液体，通过推进油压管道、后退油压管道以及扭转油压管道使压力磨盘产生向下推进力、向上拉拔力和扭转力，并传输到推进钻杆，促进微型刀盘向岩体内部挤压破岩。动力装置还包括转动马达、扭转传动器和调节压力控制器，转动马达和扭转传动器使推进钻杆稳定速率转动，调节压力控制器可选择不同挡位来选择推进力，并由油压显示器确定所给压力。
进一步地，数字传感器包括位移传感器、转速传感器、推进和后退压力传感器、电流传感器和扭矩液压传感器，通过位移传感器测定压力磨盘的上下位置移动量，通过转速传感器测定推进钻杆的转动速度，通过推进和后退压力传感器测定微型刀盘向下的推力，通过电流传感器测定油泵和转动马达的总供给电流，通过扭矩液压传感器和扭矩仪测定推进钻杆的扭矩。
进一步地，可编程逻辑控制器包括位移模块、转速模块、液压模块A、电流模块、液压模块B以及扭矩模块。
进一步地，数字传感器通过数据传输端口与可编程逻辑控制器位移模块连接，通过电源接入口和电源开关控制工作状态，配有24v电源和5v电源，且数据接口细分为位移器数据接口、转速器数据接口、前进液压器数据接口、电流器数据接口、扭矩液压器数据接口、扭矩仪数据接口。
本发明还提供了一种TBM掘进过程模拟测试系统的测试方法，包括以下操作步骤：
步骤1：将模拟掘进装置固定于待测岩体表面，通过调节固定底盘和支架使设备不能发生上下、左右和前后位移以及扭转，保持微型刀盘与岩面垂直；
步骤2：把传感器由数据传输端口与可编程逻辑控制器位移模块连接，通过电源接入口和电源开关控制工作状体，配置传感器接口；
步骤3：调节压力控制器转动马达，通过推进钻杆设置固定的向下推进压力以及转动速度；
步骤4：通过压力磨盘和扭转传动器带动微型刀盘向下掘进岩体；
步骤5：布设位移传感器监测微型刀盘上下移动量，布设转速传感器监测微型刀盘转速，布设压力传感器监测微型刀盘推进压力，布设电流传感器监测消耗功率，布设扭矩仪监测微型刀盘转速扭矩，安装并开启数据采集处理装置；
步骤6：掘进时间固定后，测量掘进深度，记录掘进过程中可编程逻辑控制器位移模块、转速模块、液压模块A、电流模块、液压模块B以及扭矩模块的相应数据，并通过显示器实时显示。
为保证模拟掘进装置稳定，模拟掘进装置采用固定底盘和支架限制装置水平和竖直方向位移。数字传感器能实时监测掘进过程，所述数据采集处理装置输入端的位移模块、转速模块、液压模块A、电流模块、液压模块B以及扭矩模块接收数据传感器传输的信号，当指示灯显示终端工作正常时，在显示器面板上实时显示，并保存到数据储存器中，可以通过USB闪存插口拷贝到电脑，在有网络环境中，可以通过无线传输模块迅速传输到云盘或其他服务器，方便对TBM掘进过程模拟系统实时监测和反馈。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的TBM掘进过程模拟测试系统，操作简单，能通过动力装置和模拟掘进装置再现微型刀盘在各种类别、质量级别、性质的岩体中的掘进状态，并通过数字传感器和数据采集处理装置的位移模块、转速模块、液压模块、电流模块以及扭矩模块分析钻进参数，可用于快速预测深长隧道工程TBM掘进过程中的推进压力、推进扭矩、推进功率以及掘进速度。隧道工程为隐蔽性工程，实际工程的TBM掘进时，前方地质条件难以确定，无法准确预判TBM掘进状态。本发明的TBM掘进过程模拟测试系统可以安装于隧洞工程掌子面后方，预先模拟和分析TBM掘进过程，为TBM实际掘进参数选取、施工进度安排和成本估算提供依据，保证TBM高效施工。
附图说明
图1是本发明的TBM掘进过程模拟测试系统整体示意图。
图2是本发明的可编程逻辑控制器内部及输出端口图。
图3是本发明的数字传感器安装示意图。
图4是本发明的应用实施例测试设计图。
其中，1-油泵；2-推进油压管道；3-后退油压管道；4-扭转油压管道；5-压力磨盘；6-推进钻杆；7-微型刀盘；8-转动马达；9-扭转传动器；10-压力控制器；11-油压显示器；12-固定底座；13-支架；14-位移器；15-转速器；16-前进后退液压器；17-电流器；18-扭矩液压器；19-扭矩仪；20-位移模块；21-转速模块；22-液压模块A；23-电流模块；24-液压模块B；25-扭矩模块；26-指示灯；27-显示器；28-数据储存器；29-USB闪存；30-无线传输模块；31-数据传输端口；32-电源接入口；33-电源开关；34-传感器电源接口；35-24v电源；36-5v电源；37-位移器数据接口；38-转速器数据接口；39-前进液压器数据接口；40-电流器数据接口；41-扭矩液压器数据接口；42-扭矩仪数据接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的TBM掘进过程模拟测试系统如图1-图4所示。TBM掘进过程模拟时，由油泵1持续供给压力液体，通过推进油压管道2、后退油压管道3以及扭转油压管道4使压力磨盘5产生向下推进力、向上拉拔力和扭转力，并传输到推进钻杆6，促进微型刀盘7向岩体内部挤压破岩。同时，由转动马达8和扭转传动器9使推进钻杆6稳定速率转动。油泵1可通过调节压力控制器10的不同挡位来选择推进力，并由油压显示器11确定所给压力。为保证模拟掘进装置稳定，采用固定底盘12和支架13限制装置水平和竖直方向位移。采用数字传感器实时监测掘进过程，通过位移传感器14测定压力磨盘5的上下位置移动量，通过转速传感器15测定推进钻杆6的转动速度，通过推进和后退压力传感器16测定微型刀盘7向下推力，通过电流传感器17测定油泵和转动马达8总供给电流(功率)，通过扭矩液压传感器18和扭矩仪19测定推进钻杆6的扭矩。通过数据采集处理装置输入端的位移模块20、转速模块21、液压模块A22、电流模块23、液压模块B24以及扭矩模块25接收数据传感器传输的信号，当指示灯26显示终端工作正常时，在显示器27面板上实时显示，并保存到数据储存器28中，可以通过USB闪存29插口拷贝到电脑，在有网络环境中，可以通过无线传输模块30迅速传输到云盘或其他服务器，方便对TBM掘进过程模拟系统实时监测和反馈。传感器由数据传输端口31与可编程逻辑控制器位移模块20连接，通过电源接入口32和电源开关34控制工作状体，配有24v电源35和5v电源36，且数据接口细分为位移器数据接口37、转速器数据接口38、前进液压器数据接口39、电流器数据接口40、扭矩液压器数据接口41、扭矩仪数据接口42。可以通过调节油压值和电流值，设置不同挡位，用来模拟TBM不同条件下的掘进状态，以便于优化工作参数获得更高的推进效率。
本发明还提供了一种利用上述测试系统预测岩体TBM施工掘进过程中的推进压力、推进扭矩、推进功率以及掘进速度的方法，用以合理评价不同类别、质量级别及性质的岩体中TBM施工适宜性。在进行TBM掘进过程模拟测试时，将测试系统安装隧道掌子面后方，设置一定推进压力(Fn，单位为kN)以及一定的推进转速(D，转/秒)，用一定的时间内的掘进深度(H，单位为m)来评价该岩体的TBM施工的适应性，并对TBM施工推进压力、推进扭矩、推进功率选择提供参考资料。具体来说，该方法包括以下步骤：
步骤1：将模拟掘进装置固定于待测岩体表面，通过调节固定底盘12和支架13使设备不能发生上下、左右和前后位移以及扭转，保持微型刀盘7与岩面垂直；
步骤2：把传感器由数据传输端口31与可编程逻辑控制器位移模块20连接，通过电源接入口32和电源开关34控制工作状体，配置传感器接口；
步骤3：调节压力控制器10转动马达8，通过推进钻杆6设置固定的向下推进压力以及转动速度；
步骤4：通过压力磨盘5和扭转传动器9带动微型刀盘7向下掘进岩体；
步骤5：布设位移传感器14监测微型刀盘7上下移动量，布设转速传感器15监测微型刀盘7转速，布设压力传感器16监测微型刀盘7推进压力，布设电流传感器17监测消耗功率，布设扭矩仪19监测微型刀盘7转速扭矩，安装并开启数据采集处理装置；
步骤6：掘进时间固定后，测量掘进深度，采集可编程逻辑控制器位移模块20、转速模块21、液压模块A22、电流模块23、液压模块B24以及扭矩模块25的相应数据，并由数据储存器28记录推进压力和扭矩以及拖进过程中消耗功率，利用无线传输模块30将信号发送。
此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种TBM掘进过程模拟测试系统，包括数据采集处理装置、模拟掘进装置、动力装置和数字传感器，其特征在于：
所述数据采集处理装置包括可编程逻辑控制器、电源模块、无线数据传输模块，所述模拟掘进装置包括固定底座(12)、支架(13)、压力磨盘(5)、推进钻杆(6)和微型刀盘(7)，压力磨盘(5)固定于支架(13)上部并握紧推进钻杆(6)，推进微型刀盘(7)前进，支架(13)靠近岩体部位由固定底座(12)进行位移约束，所述数字传感器安装于所述模拟掘进装置的传力部位，精确测量装置的压力、位移、转速、电流以及扭矩信息；
所述动力装置包括油泵(1)，通过油泵(1)持续供给压力液体，通过推进油压管道(2)、后退油压管道(3)以及扭转油压管道(4)使压力磨盘(5)产生向下推进力、向上拉拔力和扭转力，并传输到推进钻杆(6)，促进微型刀盘(7)向岩体内部挤压破岩；
所述动力装置还包括转动马达(8)、扭转传动器(9)和调节压力控制器(10)，所述转动马达(8)和扭转传动器(9使推进钻杆(6)稳定速率转动，所述调节压力控制器(10)可选择不同挡位来选择推进力，并由油压显示器(11)确定所给压力；
所述数字传感器包括位移传感器(14)、转速传感器(15)、推进和后退压力传感器(16)、电流传感器(17)、扭矩液压传感器(18)和扭矩仪(19)，通过位移传感器(14)测定压力磨盘(5)的上下位置移动量，通过转速传感器(15)测定推进钻杆(6)的转动速度，通过推进和后退压力传感器(16)测定微型刀盘(7)向下的推力，通过电流传感器(17)测定油泵(1)和转动马达(8)的总供给电流，通过扭矩液压传感器(18)和扭矩仪(19)测定推进钻杆(6)的扭矩。
2.根据权利要求1所述的一种TBM掘进过程模拟测试系统，其特征在于所述可编程逻辑控制器包括位移模块(20)、转速模块(21)、液压模块A(22)、电流模块(23)、液压模块B(24)以及扭矩模块(25)。
3.根据权利要求1所述的TBM掘进过程模拟测试系统，其特征在于，所述数字传感器通过数据传输端口(31)与可编程逻辑控制器位移模块(20)连接，通过电源接入口(32)和电源开关(34)控制工作状态，配有24v电源(35)和5v电源(36)，且数据接口细分为位移器数据接口(37)、转速器数据接口(38)、前进液压器数据接口(39)、电流器数据接口(40)、扭矩液压器数据接口(41)、扭矩仪数据接口(42)。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的一种TBM掘进过程模拟测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
步骤1：将模拟掘进装置固定于待测岩体表面，通过调节固定底盘(12)和支架(13)使设备不能发生上下、左右和前后位移以及扭转，保持微型刀盘(7)与岩面垂直；
步骤2：把传感器由数据传输端口(31)与可编程逻辑控制器位移模块(20)连接，通过电源接入口(32)和电源开关(34)控制工作状态，配置传感器接口；
步骤3：调节压力控制器(10)转动马达(8)，通过推进钻杆(6)设置固定的向下推进压力以及转动速度；
步骤4：通过压力磨盘(5)和扭转传动器(9)带动微型刀盘(7)向下掘进岩体；
步骤5：布设位移传感器(14)监测微型刀盘(7)上下移动量，布设转速传感器(15)监测微型刀盘(7)转速，布设压力传感器(16)监测微型刀盘(7)推进压力，布设电流传感器(17)监测消耗功率，布设扭矩仪(19)监测微型刀盘(7)转速扭矩，安装并开启数据采集处理装置；
步骤6：掘进时间固定后，测量掘进深度，记录掘进过程中可编程逻辑控制器位移模块(20)、转速模块(21)、液压模块A(22)、电流模块(23)、液压模块B(24)以及扭矩模块(25)的相应数据，并通过显示器(27)实时显示。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20201110 |