CN112145191B - 一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法，包含刀座螺栓、光纤光栅传感器、角度传感器、数据采集系统及锂电池组件、便携式计算机，通过光纤光栅传感器测量滚刀工作载荷、角度传感器测量刀盘转角位置，实现对基岩突起地层岩石侵入高度和破岩实时载荷的获取。依据基岩侵入高度调整刀具配置的范围，进一步借助破岩载荷数据，采用刀盘转速、贯入度交叉实验进行掘进参数的优选，实现对基岩突起地层的辅助掘进。该方法作为基岩突起地层辅助掘进方法，改变了单纯依靠经验选取刀盘转速、贯入度的掘进方法，实现了对岩石侵入高度精确获取、掘进参数科学量化选取，达到提高施工效率、提升施工感知水平，可为盾构TBM智能化掘进提供参考作用。

Description

一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法

技术领域

本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法，尤其涉及使用常压刀盘的大直径泥水盾构。

背景技术

盾构TBM以施工速度快、安全性好的优势被广泛应用在公路、铁路、地铁的修建中。水下或者地表沉降控制要求严格的盾构隧道多选用泥水盾构施工，大直径的泥水盾构可采用常压刀盘设计达到大部分刀具可在常压环境下进行更换的目的，在长距离隧道掘进方面优势显著。在基岩突起地层泥水盾构施工，由于泥水盾构为闭胸式技术人员无法获取岩面侵入高度、岩石物理力学性质，泥水盾构掘进相比敞开式TBM而言，对掌子面的感知能力有限，尤其是土岩交互地层，因无法获得岩层侵入高度、岩层的物理力学性质，在刀具动态配置、掘进参数调整方面多依赖现场人员经验，无法达到科学动态的匹配与地层相适应的掘进参数。

为了解决土岩交互地层泥水盾构高效掘进的难题，尤其是带有常压刀盘的大直径泥水盾构，开挖断面大，土岩交互地层掘进概率大，选择低转速、小贯入度参数掘进施工效率低下，提高转速、贯入度可能造成滚刀长期处于超载状态，如何实现对基岩突起地层岩石侵入高度和破岩实时载荷的获取，实现基岩突起地层盾构高效掘进，对于提升施工效率意义重大，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法，解决基岩突起地层泥水盾构技术人员无法获取岩面侵入高度、岩石物理力学性质，掘进参数匹配难、掘进效率低的问题。

本发明公开了一种基岩突起地层泥水盾构的辅助掘进方法，包括以下具体步骤：

a、将刀座螺栓的头部制阶梯盲孔，所述阶梯盲孔的上部制螺纹，将刀座螺栓安装在常压换刀装置的刀座位置；将光纤光栅传感器的外部套设上薄壁钢管，将所述薄壁钢管的外壁上制与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，随后将光纤光栅传感器与刀座螺栓进行螺纹连接，螺纹上涂抹螺纹紧固胶，调整螺纹拧入深度让光纤光栅传感器的测量端与盲孔的孔底接触使测量端产生形变，螺纹紧固胶固化12小时后可将常压换刀装置安装在刀盘上；

b、光纤光栅传感器的尾纤穿过常压换刀装置的端盖后与设置在端盖常压环境一侧的数据采集系统连接，将带光纤光栅传感器、数据采集系统的常压换刀装置整体安装至刀盘上，随后将锂电池组件（5）与数据采集系统连接为其供电，将安装在盾构机的中心锥旋转接头位置的角度传感器与数据采集系统连接；所述数据采集系统带有无线信号发射模块；将数据采集系统与固定在端盖上的锂电池组件连接； 数据采集系统发射的无线信号由带有无线信号接收模块的便携式计算机接收，并将监测数据存储在便携式计算机上；

c、缓慢转动刀盘，使待测常压换刀装置中心与刀盘中心连线处于水平方向，此时对角度传感器置0；

d、开启数据采集系统、便携式计算机，确认便携式计算机能够与光纤光栅传感器及角度传感器之间正常传输数据，如不正常检查线路、光纤光栅传感器及角度传感器，确认信号传输正常进行下一步；

e、启动盾构刀盘，将贯入度设定为1~2mm/r、转速设定为0.6r/min掘进，根据时间转角曲线、时间载荷曲线，获得测量位置常压换刀装置接触岩石角度和脱离岩石角度，进而计算出岩石侵入开挖面高度；

f、按照岩石侵入高度检查刀具配置，要求岩石接触区及附近1.0m范围内常压换刀装置内的刀具均配置成滚刀；

g、开展掘进参数交叉优选试验，每种工况要求刀盘至少转动5周；掘进参数交叉试验控制的参数为刀盘转速、刀盘贯入度，评价的指标为滚刀在岩石区的最大载荷、平均载荷，技术人员根据滚刀在岩石区载荷情况并结合刀具的额定载荷选择合适的刀盘转速、刀盘贯入度进行掘进；

h、在盾构掘进中，计算机持续对采集的数据进行分析，可实时显示岩石侵入高度数据提示工作人员是否需要停机更改刀具配置；

i、随着掘进的进行，岩石强度、岩石的完整性可能会发生变化，刀具的载荷特征也会发生变化；当监测到的刀具载荷增减达到25%时，提示掘进参数有进一步优化的空间，需要按照步骤g再次开展掘进参数优选工作

本发明的技术方案与现有技术相比具有下列优点：

针对基岩突起地层泥水盾构掘进参数选取困难、掘进效率不高的行业难题，提出了以光纤光栅传感技术为基础的泥水盾构掘进辅助方法，能够对岩面侵入开挖面高度、滚刀载荷进行感知，借助交叉试验方法，能够获得开挖面岩石侵入高度、滚刀载荷进而对刀具配置、掘进参数进行动态调整，实现高效掘进。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下列的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明所提供的一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法配套的装置整体示意图。

图2为本发明的中刀座螺栓与光纤光栅传感器安装关系图。

图3为角度载荷曲线。

图4为土岩交界面示意图。

附图标记：1-刀座螺栓；2-光纤光栅传感器；3-刀盘；4-数据采集系统；5-锂电池组件；6-便携式计算机；7-刀座；8-滚刀；9-端盖。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如附图1-4所示，本发明的一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法，其配套的装置的结构为：包括安装在刀座7中的刀座螺栓1，光纤光栅传感器2、用于测量刀盘的旋转角度的角度传感器、数据采集系统4及锂电池组件5、以及便携式计算机6；所述刀座螺栓1头部的中心位置设有用于放置光纤光栅传感器2探头的盲孔，所述盲孔的头部设置有内螺纹；所述光纤光栅传感器2的外部套设有薄壁钢管，所述薄壁钢管的外壁上制有与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，所述光纤光栅传感器2的探头与所述盲孔的底部抵接；

所述光纤光栅传感器2的尾纤穿过端盖9与安装在端盖9常压环境一侧的数据采集系统4连接；所述角度传感器安装在盾构机的中心锥旋转接头位置，所述角度传感器与数据采集系统4连接；所述数据采集系统4带有无线信号发射模块；所述数据采集系统4与固定在端盖9上的锂电池组件5连接；所述便携式计算机6内设置有能接收数据采集系统4发射的信号的无线信号接收模块，监测数据存储在便携式计算机6上。

基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法，具体以下具体步骤：

a、将刀座螺栓1的头部制阶梯盲孔，所述阶梯盲孔的上部制螺纹，将刀座螺栓1安装在常压换刀装置的刀座7位置；将光纤光栅传感器2的外部套设上薄壁钢管，将所述薄壁钢管的外壁上制与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，随后将光纤光栅传感器2与刀座螺栓1进行螺纹连接，螺纹上涂抹螺纹紧固胶，调整螺纹拧入深度让光纤光栅传感器2的测量端与盲孔的孔底接触使测量端产生形变，螺纹紧固胶固化12小时后可将常压换刀装置安装在刀盘3上；

b、光纤光栅传感器2的尾纤穿过常压换刀装置的端盖9后与设置在端盖常压环境一侧的数据采集系统4连接，将带光纤光栅传感器2、数据采集系统4的常压换刀装置整体安装至刀盘3上，随后将锂电池组件5与数据采集系统4连接为其供电，将安装在盾构机的中心锥旋转接头位置的角度传感器与数据采集系统4连接；所述数据采集系统4带有无线信号发射模块；将数据采集系统4与固定在端盖9上的锂电池组件5连接； 数据采集系统4发射的无线信号由带有无线信号接收模块的便携式计算机6（也可采用盾构上位机）接收，并将监测数据存储在便携式计算机6；

c、缓慢转动刀盘3，使待测常压换刀装置中心与刀盘3中心连线处于水平方向，此时对角度传感器置0；

d、开启数据采集系统4、便携式计算机6，确认便携式计算机6能够与光纤光栅传感器2及角度传感器之间数据传输正常，如不正常检查线路、光纤光栅传感器6及角度传感器，确认信号传输正常进行下一步；

e、启动盾构刀盘，将贯入度设定为1~2mm/r、转速设定为0.6r/min掘进，如图3根据角度载荷曲线，获得测量位置常压换刀装置接触岩石角度210°和脱离岩石角度330°，根据图4为土岩交界面示意图进而计算出岩石侵入开挖面高度不足刀盘半径R高度，近似为R-R×sin(30°)；

f、按照岩石侵入高度检查刀具配置，要求岩石接触区及附近1.0m范围内常压换刀装置内的刀具均配置成滚刀8；

g、开展掘进参数交叉优选试验，每种工况要求刀盘至少转动3圈。掘进参数交叉试验控制的参数为刀盘转速、刀盘贯入度，评价的指标为滚刀在岩石区的最大载荷，技术人员根据滚刀岩石区载荷情况结合刀具的承载能力进行参数优选，具体为滚刀在岩石区的最大载荷要小于滚刀承受的最大载荷，刀盘转速×刀盘贯入度值为掘进速度，以掘进速度最快为目标进行掘进参数优选，通过对刀盘转速、刀盘贯入度设置若干水平的值进行交叉试验优选，确定掘进参数；

h、在盾构掘进中，计算机持续对采集的数据进行分析，可实时显示岩石侵入高度数据提示工作人员是否需要停机更改刀具配置，如岩石侵入高度增加，岩石接触区可配置滚刀的刀位尚未完全配置滚刀，此时要及时完成滚刀的配置；

i、随着掘进的进行，岩石强度、岩石的完整性可能会发生变化，刀具的载荷特征也会发生变化。如监测到的刀具载荷发生较大的增减（达到±25%），提示掘进参数有进一步优化的空间，需要按照步骤(g)再次开展掘进参数优选工作，以刀具载荷出现较大幅度的下降，可以尝试向增大转速或贯入度方向进行优选掘进参数，反之则向减小转速或贯入度方向进行掘进参数优选。

以上对本发明所提供的一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本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其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基岩突起地层泥水盾构辅助掘进方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

a、将刀座螺栓（1）的头部制阶梯盲孔，所述阶梯盲孔的上部制螺纹，将刀座螺栓（1）安装在常压换刀装置的刀座（7）位置；将光纤光栅传感器（2）的外部套设上薄壁钢管，将所述薄壁钢管的外壁上制与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，随后将光纤光栅传感器（2）与刀座螺栓（1）进行螺纹连接，螺纹上涂抹螺纹紧固胶，调整螺纹拧入深度让光纤光栅传感器（2）的测量端与盲孔的孔底接触使测量端产生形变，螺纹紧固胶固化12小时后可将常压换刀装置安装在刀盘（3）上；

b、光纤光栅传感器（2）的尾纤穿过常压换刀装置的端盖（9）后与设置在端盖常压环境一侧的数据采集系统（4）连接，将带光纤光栅传感器（2）、数据采集系统（4）的常压换刀装置整体安装至刀盘（3）上，随后将锂电池组件（5）与数据采集系统（4）连接为其供电，将安装在盾构机的中心锥旋转接头位置的角度传感器与数据采集系统（4）连接；所述数据采集系统（4）带有无线信号发射模块；将数据采集系统（4）与固定在端盖（9）上的锂电池组件（5）连接； 数据采集系统（4）发射的无线信号由带有无线信号接收模块的便携式计算机（6）接收，并将监测数据存储在便携式计算机（6）上；

c、缓慢转动刀盘（3），使待测常压换刀装置中心与刀盘（3）中心连线处于水平方向，此时对角度传感器置0；

d、开启数据采集系统（4）、便携式计算机（6），确认便携式计算机（6）能够与光纤光栅传感器（2）及角度传感器之间正常传输数据，如不正常检查线路、光纤光栅传感器（2）及角度传感器，确认信号传输正常进行下一步；

e、启动盾构刀盘（3），将贯入度设定为1~2mm/r、转速设定为0.6r/min掘进，根据时间转角曲线、时间载荷曲线，获得测量位置常压换刀装置接触岩石角度和脱离岩石角度，进而计算出岩石侵入开挖面高度；

f、按照岩石侵入高度检查刀具配置，要求岩石接触区及附近1.0m范围内常压换刀装置内的刀具均配置成滚刀（8）；

g、开展掘进参数交叉优选试验，每种工况要求刀盘（3）至少转动5周；掘进参数交叉试验控制的参数为刀盘（3）转速、刀盘（3）贯入度，评价的指标为滚刀在岩石区的最大载荷、平均载荷，技术人员根据滚刀在岩石区载荷情况并结合刀具的额定载荷选择合适的刀盘（3）转速、刀盘（3）贯入度进行掘进；

h、在盾构掘进中，计算机持续对采集的数据进行分析，可实时显示岩石侵入高度数据提示工作人员是否需要停机更改刀具配置；

i、随着掘进的进行，岩石强度、岩石的完整性可能会发生变化，刀具的载荷特征也会发生变化；当监测到的刀具载荷增减达到25%时，提示掘进参数有进一步优化的空间，需要按照步骤g再次开展掘进参数优选工作。

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