CN112282769A - 基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法。本发明基于每把刀具的标准化转速分布轮廓图，结合刀具轨迹半径分布图，将刀盘上所有刀具在掘进过程中的转速比分布情况，通过汇总并对不同大小的转速比点进行颜色区分标识形成掌子面标准化转速完整度图，直观反映当前地层情况以及掌子面完整性，并通过一定的分析原则进一步分析出地层软硬不均分布情况以及所处掌子面位置，从而为掘进施工决策提供参考。

Description

基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法。

背景技术

盾构施工过程中，由于地层变化的不确定性，导致盾构掘进过程中常出现泥水仓压力、刀盘扭矩、盾构推力波动较大等特点；而随着盾构开挖直径越来越大，掌子面地层情况越来越复杂，而现有地质勘查多采用地质钻机钻孔取芯的方法，此方法受地面环境影响，部分地段无法进行地质勘查，部分钻孔取芯部位均位于盾构掘进隧道边缘，地勘结果不够准确且不连续，不能及时反映出盾构当前掘进地层变化情况，而盾构施工对地层的敏感性较强，特别是施工风险较高的软硬不均地层，如能及时的掌握当前掘进掌子面地层情况对盾构施工具有重要的指导意义。

发明内容

本发明旨在提供一种基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法，以便能更为及时、直观的监测到盾构掘进过程中的地层变化及掌子面完整度情况，进一步分析出地层软硬不均分布情况，从而为掘进施工决策提供参考。

为解决上述技术问题，本发明主要采用以下技术方案：

设计一种基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法，包括如下步骤：

（Ⅰ）在掌子面中刀盘圆点为极点建立极坐标系，极轴表示转速比，极角表示刀具在掌子面中所处位置；

（Ⅱ）由过极点的纵横轴将掌子面分成四个象限，或者以极点为顶点将掌子面分成一定数量的扇形区域；

（Ⅲ）依据下列步骤获取各被监测刀具随刀盘运转至不同象限或扇形区域内某点位置处的转速比：

①测量或采集盾构施工过程中的刀具实际转速S_实际，单位（m/s）；

②获取或计算刀具理论转速S_理论，单位（m/s）：

S_理论= （L_轨迹×υ）/（π×D_刀×60s），

式中，L_轨迹为刀盘旋转一周的刀具运动轨迹时计量长度（m），υ为刀盘转速（r/min）D_刀为未磨损时新刀具的直径（m）；π为圆周率。

当刀盘转速一定，刀具在该轨迹上的任何位置点的瞬时转速一定等于S_理论。

③计算刀具转速比

i=S_实际/S_理论×100% ；

（Ⅳ）根据每把刀具的标准化转速分布轮廓图，结合刀具轨迹半径分布图，汇总盘上所有刀具在掘进过程中的转速比分布情况，并以不同颜色对不同大小的转速比点进行区分标识，以形成掌子面标准化转速完整度图，直观反映当前地层情况以及掌子面完整性，进一步分析出地层软硬不均分布情况，从而为掘进施工决策提供参考。

进一步的，以黑色点代表该刀具所在半径轨迹上运转至位置时的刀具转速比为0（即未旋转），灰色点表示该刀具所在半径轨迹上运转至该位置时刀具转速比大于等于100%，转速比点由灰色→黑色，由浅→深，代表刀具转速比由高→低，通过颜色灰度（或其它不同色相）标识可更加直观形象的判断出该掌子面完整度及地层情况，进一步则可判定地层软硬不均及其掌子面内所处位置。

进行掌子面完整度分析可依据如下原则：

以灰色点表示正常转速比（≥100%）点，白色表示较低转速比（介于100%-0之间）点，黑色表示刀具无实际转速，即转速比为零。

单一轨迹转速比点连续显示黑色判断刀具卡死未旋转或刀具旋转传感器故障，及时对相应刀具进行更换或检查刀具旋转传感器，掌子面地层情况分析时将此轨迹进行排除，不予统计。

单一轨迹部分区域显示转速比正常，在某一区域内转速比低或无转速则判断掌子面该区域地层较软或较破损导致地层与刀具摩擦力不够，刀具启动扭矩不足，无法正常旋转。

相邻连续轨迹在同一片区域内出现低转速比或无转速现象，同样判断为掌子面地层软弱不均，导致刀具运行至该区域时摩擦力不足，刀具无法正常旋转。

所述盾构为大直径泥水盾构；所述刀盘刀具为常压可更换刀具。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

1.本发明基于极坐标系建立刀具标准化转速分布轮廓图（可参见图3），并结合每把刀具在刀盘上的位置（参见图1）以及刀具轨迹半径分布图（参见图2），汇总所有刀具在掘进过程中的转速比分布情况，并以不同颜色对不同大小的转速比点进行区分标识，以形成掌子面标准化转速完整度图（参见图4），进而直观反映当前地层情况以及掌子面完整性，并进一步分析出地层软硬不均分布情况，从而为掘进施工决策提供参考。

2.根据掌子面标准化转速完整度图反映出的当前地层情况，及时对盾构掘进推力和刀盘扭矩、掘进速度，泥水仓压力等参数进行关注和调整，避免因未发现地层的突然变化对盾构刀盘、刀具造成破坏，以及造成掌子面塌方、地面沉降的严重后果。

附图说明

图1为本发明实施例二中盾构机刀盘及刀具的实物布置照片。

图2为本发明实施例二中盾构机滚刀轨迹半径分布图。

图3为本发明基于极坐标系的#68刀具标准化转速分布轮廓图，其中，极点外的各圆点代表刀具旋转至掌子面此位置时的转速比，由旋转传感器检测数据取点；圆圈b代表刀具未磨损（转速比100%）时的转速比界限；圆圈a为刀具磨损30mm（可根据刀具磨损更换要求进行设定）时对应的转速比界限；圆圈c为刀具转速比为50%时的界限；横轴上的柱状线条和其对应的数值d表示在该转速比圆周上的点数占总取值点数的百分比。

图4为本发明基于每把刀具转速比分布轮廓图汇总形成的掌子面标准化转速完整度图，图中按刀具轨迹分布情况将该轨迹上的刀具转速比情况通过颜色进行标识，白色点表示该刀具所在轨迹圆周上运转至该位置时的刀具转速较慢（位于100%-0之间），灰色点表示该刀具所在半径轨迹上运转至该位置时刀具转速比大于等于100%，转速比点由灰色→白色→黑色，由浅→深，代表刀具转速比由高→低，通过颜色或灰度标识可更加直观形象的判断出该掌子面完整度及地层情况。

图5为本发明实施例二中盾构掘进至326环时（刀盘掘进至331环，盾尾位置326环）掌子面标准化转速完整度图。

图6为本发明实施例二中盾构掘进至326环时（刀盘掘进至331环，盾尾位置326环）地勘显示地质情况图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例一：

基于刀具转速比的盾构掘进掌子面的地层分布监测，主要包括如下步骤：

（Ⅰ）在掘进掌子面中，以刀盘圆点为极点建立极坐标系，极轴表示转速比，极角表示刀具在掌子面中所处位置；

（Ⅱ）由过极点的纵横轴将掌子面分成四个象限；

（Ⅲ）由下述测算获取各被监测刀具随刀盘运转至不同象限内的转速比：

①测量或采集盾构施工过程中的刀具实际转速S_实际，单位（m/s）；

② 获取或计算刀具理论转速S_理论：单位（m/s）

S_理论= （L_轨迹×υ）/（π×D_刀×60）

式中，L_轨迹为刀盘旋转一周的刀具运动轨迹时计量长度（m），υ为刀盘转速（r/min），D_刀为未磨损时新刀具的直径（m），π为圆周率。

当刀盘转速一定，刀具在该轨迹上的任何位置点的瞬时转速一定等于S_理论。

③计算刀具转速比

i=S_实际/S_理论×100% ；

当刀具转速比等于100%，认为刀具没有磨损，刀具转速比＜100%时，判断地层软弱使刀具转速慢（或其他间接原因），刀具转速比＞100%时，判断刀具磨损，磨损量根据转速比测算得出。

（Ⅳ）根据每把刀具在刀盘上的位置（如图1所示），结合刀具轨迹半径分布（如图2所示），汇总所有刀具在掘进过程中的转速比分布情况，并以不同颜色或灰度标记对不同大小的转速比点进行区分标识，形成掌子面标准化转速完整度图（如图4），直观反映当前地层情况以及掌子面完整性，进一步分析出地层软硬不均分布情况，从而为掘进施工决策提供参考。

图4中黑色点代表该刀具所在半径轨迹上运转至位置时的刀具转速比为0（即未旋转），白色点表示该刀具所在轨迹圆周上运转至该位置时的刀具转速较慢（介于100%-0之间），灰色点表示该刀具所在半径轨迹上运转至该位置时刀具转速比大于等于100%，转速比点由灰色→白色→黑色，由浅→深，代表刀具转速比由高→低，通过颜色标识可更加直观形象的判断出该掌子面完整度及地层情况，进一步则可判定地层软硬不均及其掌子面内所处位置。

实施例二：

春风隧道工程项目，采用一台泥水平衡中铁588号盾构机，盾构机最大开挖直径为15.80m，盾构机采用常压刀盘设计，刀盘采用6中空辐臂式+6副梁，刀盘总重约650t配置可常压更换滚刀数量83把。刀盘及刀具布置图如1所示。

春风隧道工程线路盾构掘进长度3603m，主要穿越地层为花岗岩、碎裂岩、凝灰质砂岩、片岩、变质砂岩、糜棱岩，少量卵石，砾砂地层。其中，微风化岩层普遍抗压强度约为50MPa以上，微风化（硅化）片岩最大强度为173.7MPa，存在大部分软硬不均地层，包括上下软硬不均，左右软硬不均地层，且盾构施工过程中，由于地层软硬差异大，刀具损坏较多，为准确判断当前掘进地层情况指导盾构掘进施工，项目部基于每把刀具的转速比分布轮廓图汇总形成掌子面标准化转速完整度图，通过分析判断出当前掘进地层软硬岩层分布情况并与实际地勘资料情况做对比，及时对盾构掘进参数进行调整，在保障盾构掘进施工安全的同时，减少了刀具的异常损坏。

下面以盾构掘进326环时掌子面标准化转速完整度图（见图5）为例进行说明。图5中每把刀具在轨迹圆周上刀具转速比监测取样圆点数共计225点，并均匀分布于每把刀具轨迹圆周上，黑色点代表该刀具所在轨迹圆周上运转至该位置时的刀具转速比为0（即未旋转），白色点表示该刀具所在轨迹圆周上运转至该位置时的刀具转速较慢（位于100%-0之间），灰色点表示该刀具所在轨迹圆周上运转至该位置时刀具转速比大于等于100%，转速比点由灰色→白色→黑色，由浅→深，分别代表刀具转速比由高→低，通过颜色标识可更加直观形象的判断出该掌子面完整度及地层情况，进一步则可判定地层软硬不均及其掌子面内所处位置。

图5中按根据刀盘刀具分布情况，为全面准确掌握地层情况，将刀盘上所有滚刀按轨迹半径分布收集每把刀具的转速比情况，并进行了汇总，通过不同灰度对刀具转速比进行区分，若出现该刀具轨迹圆周上连续红点，表示该刀具损坏或刀具旋转检测传感器故障，分析时属于干扰项，需进行排除；如图5中C所指示；由图5中可以分析出，A区域刀具低转速比占比较大，表明刀具运转至掌子面该区域时刀具实际转速较低，地层较软提供给刀具的摩擦力不足，B区域刀具高转速比占比较大，表面刀具运转至掌子面该区域时，刀具实际转速较高，地层较硬能给刀具提供足够的摩擦力。

根据实际盾构掘进326环（刀盘掘进至326环，盾尾位置331环）时掌子面标准化转速完整度图分析得出结论：在该环掘进掌子面地层为，上软下硬地层，在右上部（A区域）地层为软岩地层，所占掌子面比例约五分之二，在左下部（B区域）为硬岩地层硬岩所占掌子面比例约五分之三，且判断软硬地层强度差异大。

根据前期地质勘查结果，该环地层情况如图6（326环盾构掘进地质断面BIM模型图）所示，根据掌子面标准化转速完整度图分析的地层情况结果与前期地质勘查结果对比，地层情况基本吻合，而刀具转速比的分布图更能及时体现出实际地层的变化情况。

该项目部持续通过本发明方法对地层情况进行分析，及时对盾构掘进参数进行调整，减少了刀具因地层突变造成的崩刃异常损坏，减少了换刀数量，提高了刀具使用寿命，同时在地层变化时及时对泥水仓压力进行调节控制，已安全顺利的穿越了3处断层破碎带，以及红岭立交桥、地铁9号线人行横通道、春风高架桥、宝安立交桥、布吉河等众多风险源，地表沉降控制始终满足要求。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关方法、步骤进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (4)

1.一种基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（Ⅰ）以盾构掘进掌子面的中心点为极点建立极坐标系，极轴表示转速比，极角表示刀具在掌子面中所处位置；

（Ⅱ）由过极点的纵、横轴将掌子面分成四个象限，或者以极点为顶点将掌子面分成一定数量的扇形区域；

（Ⅲ）依据如下方法获取各被监测刀具随刀盘运转至不同象限或扇形区域内的转速比：

测量或采集盾构施工过程中的刀具实际转速S_实际；

获取或计算刀具理论转速S_理论：

S_理论= （L_轨迹×υ）/（π×D_刀×60）

式中，L_轨迹为刀盘旋转一周的刀具运动轨迹时计量长度，υ为刀盘转速，D_刀为未磨损时新刀具的直径；π为圆周率；

③计算刀具转速比

i=S_实际/S_理论×100% ；

（Ⅳ）根据每把刀具在刀盘上的位置，结合刀具轨迹半径分布，汇总所有刀具在掘进过程中的转速比分布情况，并以不同颜色或标记对不同大小的转速比点进行区分标识，以形成掌子面标准化转速完整度图，并以此作为掌子面完整度分析的依据。

2.根据权利要求1所述的基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法，其特征在于，在所述步骤（Ⅳ）中，进行掌子面完整度分析的方法如下：

①以灰色标识≥100%的正常转速比点，白色标识介于100%-0之间的低转速比点，黑色标识零转速比点；

②单一轨迹转速比点连续显示黑色，判断刀具卡死未旋转或刀具旋转传感器故障，及时对相应刀具进行更换或检查刀具旋转传感器，掌子面地层情况分析时将此轨迹进行排除，不予统计；

③单一轨迹部分区域显示转速比正常，在某一区域内转速比低或无转速则判断掌子面该区域地层较软或较破损，导致地层与刀具摩擦力不够，刀具启动扭矩不足，无法正常旋转；

④相邻连续轨迹在同一片区域内出现低转速比或无转速现象，同样判断为掌子面地层软弱不均，导致刀具运行至该区域时摩擦力不足，刀具无法正常旋转。

3.根据权利要求1所述的基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法，其特征在于，所述盾构为大直径泥水盾构。

4.根据权利要求1所述的基于刀具转速比的盾构掘进掌子面地层分布监测方法，其特征在于，所述刀盘刀具为常压可更换刀具。

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