CN111636876B - 一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种盾构机盾体关键位置受力检测方法，在盾构机出厂前预先在盾体相关位置埋入应变计，并在工厂中模拟盾构机盾体在施工中可能遇到的各种受力状况，对盾构机进行标定，得到各测点精确的受力‑应变换算关系，从而准确的反应盾构机盾体外部的受力状态，达到对盾构机盾体外部环境、受力状况进行实时检测，达到在外部受力异常时及时发现并停机调整的目的，确保盾构机安全可靠的工作。

Description

一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法

技术领域

本发明涉及大直径盾构机隧道开挖地下施工检测技术领域，具体涉及一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法。

背景技术

盾构机是一种利用盾构法进行隧道开挖的隧道掘进机，是集机、电、液一体的大型地下施工设备，它集合了地下隧道施工过程中的开挖、出渣、支护、注浆、导向等全部功能，广泛应用于软土地层下的交通、水利等地下工程的开挖建设。盾构机的结构由盾体、盾体、后配套设施等组成。大直径盾构机在施工过程中，由于盾构机盾体外部施工环境较为复杂，且地质条件随时会产生突变，例如在较好地层掘进中突然遭遇破碎带、较硬孤石或者围压突然升高等情况，这就可能会导致盾体产生大变形甚至卡死，这些情况都会影响工程的施工进度，造成巨大的经济损失。因此对盾构机盾体的受力检测是极其重要的，通过对盾体的应变检测及前期的标定得到盾体的受力情况从而真实可靠的反应盾构机盾体外部受力状况是亟需解决的问题。

目前，国内外对盾构机盾体关键位置应变检测方法及受力-应变关系的研究相对较少，并且由于盾体的结构和工作环境较为复杂，施工现场选点测试也较为麻烦。虽然有学者做过一定的研究，但都是在较易贴片的位置来进行测量或者是采用三维激光扫描等方法，这些方法或是不能对难以贴片的位置进行测量或是测量的精度不够，因此具有一定的局限性和片面性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机盾体关键位置受力检测方法，在盾构机出厂前预先在盾体相关位置埋入应变计，并在工厂中模拟盾构机盾体在施工中可能遇到的各种受力状况，对盾构机进行标定，得到各测点精确的受力-应变换算关系，从而准确的反应盾构机盾体外部的受力状态，达到对盾构机盾体外部环境、受力状况进行实时检测，达到在外部受力异常时及时发现并停机调整的目的，确保盾构机安全可靠的工作。

本发明提供的解决技术方案如下：

一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在盾构机出厂前，将应变计按照盾体测点关键位置布置模型上的测点位置与盾构机上对应的位置埋入盾构机盾体中；

步骤二：利用屏蔽线将位于盾构机上的应变计、信号测试分析系统和安装在盾构机控制室的上位机电连接；

步骤三：上位机实时记录盾构机盾体上的各测试点的应变值，并匹配标定时的各种工况，按照特定工况下各测试点的标定曲线进行数据处理，将测得的应变值转换为各处的受力，按照盾构机盾体各部位的许用受力给各处测试点的受力设定阈值，当检测到的受力大于设定的阈值时，上位机即刻发出异常掘进环境的警报。

盾构机在地下掘进施工的过程中，当遇到地质异常突变时，盾构机与外部环境之间会有相互作用，使得盾体的某些部分承受超出其许用应力的外力，从而使盾体产生大变形，影响施工进程甚至导致停机。为了减少这种情况，可以在出厂前将应变计按照盾体测点关键位置布置模型埋入盾构机中，并通过模拟可能遇到的不同工况来进行应变标定，得到盾体的受力-应变关系，在施工过程中通过布置在盾体中的应变计来检测相应位置的应变，再通过标定得到的受力-应变关系得到盾体的外部受力状态，实现对盾构机异常掘进环境发出及时的警报。

测点布置方法：在盾构机各部件达到出厂的标准后即可在盾体的外面板内侧和内外面板之间的筋板上布置多组应变计，并将应变计通过屏蔽线与信号测试分析系统连接，再将信号测试分析系统与上位机连接。

标定方法：在工厂中，在盾构机盾体上与出厂的盾构机的盾体中设置应变计的位置相应的测点布置应变计并将应变计通过屏蔽线与信号测试分析系统连接，再将信号测试分析系统与上位机连接，可进行盾体的标定：

盾体的标定：为了模拟外部环境围压升高对盾体的异常作用的受力情况，可使用高压水带围绕盾体外侧一周，然后在水带中充水，不断提高水带的压力，以此来模拟盾体围压升高的受力状况，在记录高压水带水压大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，将高压水带水压作为横坐标，信号测试分析系统记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并进行拟合，得到围压一应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及其解析式；

为了模拟较硬孤石对盾体的异常作用的受力情况可使用千斤顶布置在盾体外侧的不同位置，然后不断提高千斤顶的顶力，以此来模拟盾体遇到较硬孤石局部受力较大的状况，在记录千斤顶的顶力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，将千斤顶的顶力作为横坐标，信号测试分析系统记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并进行拟合，得到顶力-应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及其解析式。

应用方法：在施工过程中使用信号测试分析系统连接各组应变计，并将信号测试分析系统连接到盾构机控制室中的上位机中，信号测试分析系统实时记录检测各测试点的应变值，并使用上位机按照各测试点标定曲线进行数据处理，将测得的应变值转换为各测点的受力情况，按照各部位的许用受力给各处测试点的受力设定阈值，当检测到的受力大于设定的阈值时即报警停机。

与现有技术相比，本发明提供的一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法具有以下优点：

本发明首先在盾构机出厂前预先在相关位置埋入应变计，并在工厂中模拟盾构机在施工中可能遇到的各种外部环境并对应变计进行标定，得到相关位置精确的应变和外部受力的换算关系，进而得到准确的盾构机盾体外部的受力状态，达到对盾构机盾体外部环境是否异常进行实时检测的目的，并反馈给盾构机操作人员，确保盾构机可以安全可靠的工作。本发明提供了一种简单有效的盾构机盾体应变检测方法，解决了难以检测盾构施工过程中盾体外部受力状态的难题，减少了盾构机发生故障的概率，提高了盾构机的掘进效率。

附图说明

图1为盾构机的总体结构示意图；

图2为每组应变计的粘贴形式示意图；

图3为盾体内部筋板及外面板内侧测点分布图；

图4为盾体高围压标定过程的结构示意图；

图5为盾体局部受力标定过程的结构示意图；

图6为检测信号传输路径示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在盾构机出厂前，将应变计2按照盾体测点关键位置布置模型上的测点位置与盾构机上对应的位置埋入盾构机盾体1中；

步骤二：利用屏蔽线6将位于盾构机上的应变计2、信号测试分析系统7和安装在盾构机控制室的上位机8电连接；

步骤三：上位机8实时记录盾构机盾体1上的各测试点的应变值，并匹配标定时的各种工况，按照特定工况下各测试点的标定曲线进行数据处理，将测得的应变值转换为各处的受力，按照盾构机盾体1各部位的许用受力给各处测试点的受力设定阈值，当检测到的受力大于设定的阈值时，上位机8即刻发出异常掘进环境的警报。

盾构机在地下掘进施工的过程中，当遇到地质异常突变时，围岩-超高围压-盾体，较硬孤石-盾体之间会有相互作用，从而使得盾体1的某些部分承受超出其设计许可的外力，使盾体1产生大变形，影响施工进程甚至导致停机。为了减少这种情况，可以在出厂前将应变计2按照盾体测点关键位置布置模型埋入盾构机中，并通过模拟上述的几种工况来标定得到盾体1的受力-应变关系，在施工过程中通过布置在盾体1中的应变计来检测相应位置的应变，通过标定得到的受力-应变关系得到盾体1的外部受力状态，实现对盾构机异常掘进环境的警报。

依据上述原理，本发明提出了一种精确的盾构机盾体应变检测方法，以下结合附图对本发明的具体实施进行详细说明，具体包括如下步骤：

盾体1的外面板12内侧和内面板与外面板12之间的筋板11上布置多组应变计2，每组应变计2包括三个方向不同的应变计2，如图2所示，应变计2用于检测所在位置的应变状态，外面板12内侧一周布置8组应变计2，相邻的两个测点间间隔45°，也可以改变测点间的间隔角度、添加或减少测点，相邻的两周测点间间隔1m，本实施例中，筋板11在两边和中心共布置3组应变计2，在布置好应变计2后，如图6所示，将应变计2通过屏蔽线6与信号测试分析系统7连接，再将信号测试分析系统7与上位机8连接。

2)在工厂中，在盾构机盾体1上与出厂的盾构机的盾体1中设置应变计2的位置相应的测点布置应变计2并将应变计2通过屏蔽线6与信号测试分析系统7连接，再将信号测试分析系统7与上位机8连接，即可进行盾体1的标定：

盾体的标定：如图4所示，为了模拟围岩-超高围压-盾体的盾体1异常受力情况，可使用高压水带3围绕盾体1一周，然后在水带3中充水，不断提高水带3的围压，以此来模拟围岩-超高围压-盾体的受力状况。在标定时，将水带3的压力从0开始提升，并使用压力传感器记录高压水带3的压力，信号测试分析系统7记录应变计2的应变，直到信号测试分析系统7所记录应变出现较为危险的值，则停止实验，将高压水带3的压力作为横坐标，信号测试分析系统7记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并进行拟合，记录各测试点的标定曲线及其解析式。

如图5所示，为了模拟较硬孤石对盾体1的异常作用的受力情况，可使用千斤顶5布置在盾体1外侧的不同位置，然后不断提高千斤顶5的顶力，以此来模拟盾体1遇到较硬孤石局部，受力较大的状况，在记录千斤顶5的顶力大小的同时，用信号测试分析系统7记录应变计的应变，将千斤顶5的顶力作为横坐标，信号测试分析系统7记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并进行拟合，得到顶力应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及其解析式。

3)实际应用方法：在施工过程中可使用信号测试分析系统7连接各组应变计2，实时记录检测各测试点的应变值，并使用上位机8按照各测试点标定曲线进行数据处理，将测得的应变值转换为各处的受力，按照各部位的许用受力给各处测试点的受力设定阈值，当检测到的受力大于设定的阈值时，上位机即刻发出异常掘进环境的警报。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在盾构机出厂前，将应变计按照盾体测点关键位置布置模型上的测点位置与盾构机上对应的位置埋入盾构机盾体中；

步骤二：利用屏蔽线将位于盾构机上的应变计、信号测试分析系统和安装在盾构机控制室的上位机电连接；

步骤三：上位机实时记录盾构机盾体上的各测试点的应变值，并匹配标定时的各种工况，按照特定工况下各测试点的标定曲线进行数据处理，将测得的应变值转换为各处的受力，按照盾构机盾体各部位的许用受力给各处测试点的受力设定阈值，当检测到的受力大于设定的阈值时，上位机即刻发出异常掘进环境的警报；

步骤三中的特定工况下各测试点的标定曲线是：

为了模拟外部环境围压升高对盾体的异常作用的受力情况，使用高压水带围绕盾体外侧一周，然后在水带中充水，不断提高水带的压力，以此来模拟盾体围压升高的受力状况，在记录高压水带水压大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，将高压水带水压作为横坐标，信号测试分析系统记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并进行拟合，得到围压-应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及其解析式。

2.一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在盾构机出厂前，将应变计按照盾体测点关键位置布置模型上的测点位置与盾构机上对应的位置埋入盾构机盾体中；

步骤二：利用屏蔽线将位于盾构机上的应变计、信号测试分析系统和安装在盾构机控制室的上位机电连接；

步骤三：上位机实时记录盾构机盾体上的各测试点的应变值，并匹配标定时的各种工况，按照特定工况下各测试点的标定曲线进行数据处理，将测得的应变值转换为各处的受力，按照盾构机盾体各部位的许用受力给各处测试点的受力设定阈值，当检测到的受力大于设定的阈值时，上位机即刻发出异常掘进环境的警报；

步骤三中的特定工况下各测试点的标定曲线是：

为了模拟较硬孤石对盾体的异常作用的受力情况可使用千斤顶布置在盾体外侧的不同位置，然后不断提高千斤顶的顶力，以此来模拟盾体遇到较硬孤石局部受力较大的状况，在记录千斤顶的顶力大小的同时，用信号测试分析系统记录应变计的应变，将千斤顶的顶力作为横坐标，信号测试分析系统记录的应变值作为纵坐标，绘制标定曲线并进行拟合，得到顶力-应变的换算公式，记录各测试点的标定曲线及其解析式。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种大直径盾构机盾体关键位置受力检测方法，其特征在于，步骤一中的盾体测点关键位置布置模型上的测点位置是：在盾构机各部件达到出厂的标准后即可在盾体的外面板内侧和内外面板之间的筋板上布置多组应变计，每组应变计包括三个方向不同的应变计，应变计用于检测所在位置的应变。

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