CN112610230A - 基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法与系统 - Google Patents

基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于隧道掘进机模型实验领域，提供了一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法与系统。为了解决实际掘进参数控制难、重复利用率低以及现场地质条件复杂施工难以控制的问题，基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，包括构建真实地层状况浇筑模型；利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。利用小尺寸模型，预测工程现场大尺寸掘进，能够大幅节省资金、时间和人力成本。

Description

基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法与系统
技术领域
本发明属于隧道掘进机模型实验领域，尤其涉及一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法与系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。一般隧道掘进机分成两类：在我国，习惯上将用于软土地层的称为盾构，将用于岩石地层的称为TBM。隧道掘进机是用机械破碎岩石、出碴和支护实行连续作业的一种综合设备。按掘进机在工作面上的切削过程，分为全断面掘进机和部分断面掘进机。按破碎岩石原理不同，又可分滚压式(盘形滚刀)掘进机和铣切式掘进机。中国产品多为滚压式全断面掘进机，适于中硬岩至硬岩。铣切式掘进机适用于煤层及软岩中。在推进油缸的轴向压力作用下，电动机驱动滚刀盘旋转，将岩石切压破碎，其周围有勺斗，随转动而卸到运输带上。硬岩不需支护，软岩支护时可喷射、浇灌混凝土或装配预制块。该机在岩性均匀、巷道超过一定长度时使用，经济合理。
发明人发现，现有掘进机存在：1)功能单一、刀盘简化、出土困难、掘进参数控制难、重复利用率低等问题；2)现场地质条件复杂施工难以控制，采用其它分析方法无效或根本不能解释研究现象。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，其在室内实验进行之前，能够针对特定工况预先为实验设定参数，减少实验所需工作量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，包括：
构建真实地层状况浇筑模型；
利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；
根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。
为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，其可以在室内实验进行之前，针对特定工况预先为实验设定参数，减少实验所需工作量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，包括：
地层模型构建模块，其用于构建真实地层状况浇筑模型；
掘进实验模块，其用于利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；
实际掘进参数推算模块，其用于根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用小尺寸模型的模拟实验隧道掘进机，预测工程现场大尺寸实际隧道掘进机；相对大工程尺度的现场实验，能够大幅节省资金、时间和人力成本。
(2)本发明根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数，可以在研究相关科学问题上真实模拟多种工程状况，解决了现场地质条件复杂施工难以控制，采用其它分析方法无效或根本不能解释研究现象。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法流程图。
图2是本发明实施例的一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
术语解释：
相似性理论，也就是第三相似定理：当一个现象由几个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含m个基本量纲时，则得(n－m)个相似准则进行量纲分析，从而解决室内掘进实验由于参数的不确定性带来的预测分析问题，也就是说，可以在室内实验进行之前，针对特定工况，预先为实验设定参数，减少实验所需工作量。其中，n表示尽可能列出的所有物理量个数。
实施例一
图1给出了本实施例的一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法流程图。
如图1所示，本实施例的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，包括：
S101：构建真实地层状况浇筑模型；
S102：利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；
S103：根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。
具体地，实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间的相似性定量关系，求解如下：
S1031、完整的描述掘进过程物理量及量纲
量纲表
Figure BDA0002777426160000051
S1032、由掘进速度、掘进压力、掘进转速、掘进扭矩、岩石强度、排土量、渣土压力、刀盘直径/盾尾间隙、刀盘布置情况九个影响物理量，因刀盘布置情况无法量纲分析，因此根据其余八个影响物理量我们可以列出一般函数关系式：
S1033、无量纲π项指数式：
Figure BDA0002777426160000052
Figure BDA0002777426160000061
其中，αi(i＝1,2，..，8)为相应物理量的指数。S1034、联立方程组：
Figure BDA0002777426160000062
S1035、因为独立π项数为：8－3＝5个，因此：
Figure BDA0002777426160000063
S1036、列出π项矩阵如下
Figure BDA0002777426160000064
S1037、求得独立π项：
Figure BDA0002777426160000065
模型隧道掘进机只要在遵守以上准则下进行实验，即可获得与原型隧道掘进机掘进参数相似，即实际原型隧道掘进机掘进参数。
实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间的相似性定量关系，由实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机的刀盘直径比值决定，也就是相似性系数。
确定相似性系数，也就是长度比尺D*：
Figure BDA0002777426160000071
其中，Dm：模型隧道掘进机刀盘直径，D：隧道掘进机实际刀盘直径。
模型隧道掘进机加工方式、布尺位置、零件材料、加工精度等与原型刀盘相同。实验所用材料采用现场实际岩石试样。
根据相似准则数值相等，因此：
Figure BDA0002777426160000072
Figure BDA0002777426160000073
Figure BDA0002777426160000074
考虑N＝Nm，K＝Km，P＝Pm
Figure BDA0002777426160000075
Figure BDA0002777426160000076
Figure BDA0002777426160000077
Figure BDA0002777426160000081
根据真实地层状况浇筑模型试验地层试块及预制溶洞等地层信息，根据实验所需监测数据，埋设好所需传感器。
根据相似比推算出相似参数V、P、M、Q在室内隧道掘进机模拟值的大小，在室内隧道掘进机上依次设定好参数，即可开机试验。
在本实施例的隧道掘进机室内模拟实验隧道掘进机由动力系统、控制柜、出土箱、高度调节系统、操作系统、盾头、大型模型实验台架、溶洞加压管、激光监测仪、光栅尺、位移采集箱和应变采集箱组成，可实现多地质情况，特别的可以模拟富存溶洞地区、多工况下的掘进模拟。
所述动力系统由液压缸、液压推板，压力传感器组成。通过液压推进盾体，提供盾构掘进动力，通过压力传感器调节控制盾构掘进动力大小。所述控制柜包括总电源开关、集成电路控制器等。所述出土箱主要由绞龙出土器、渣土收纳箱组成。出土箱主要功能是通过绞龙出土器将盾构掘进的产生的渣土运出至箱内收集，方便后期进行处理。所述高度调节系统主要由伺服电机、高度传感器组成。通过伺服电机提供移动动力、传感器反馈调节盾体高度，直至将盾头与模型试验台架开口相平齐，确保掘进实验进行。
所述操作系统包括掘进参数调节系统、可对刀盘转速、刀盘油压、顶进速度、顶进油压、盾头高度、升降速度等参数进行调节，同时可以实时输出盾头的掘进距离、土仓压力等实时数据，方便现场试验人员进行记录与观测工作。所述盾头由盾体、刀盘组成。值得注意的是，依据相似原则，刀盘的布刀方式，滚刀、刮刀大小均依照现场原盾构机进行等比例缩小，其制作选材均与原盾构机刀盘制作材料相同。所述大型模型实验台架通过不同浇筑方式可以模拟富水地层、复杂倾斜地层等多种试验工况。所述溶洞加压管下方与预制溶洞相连接，通过注水加压实现富水富压溶洞真实模拟。所述激光监测仪放置在模型架顶部，可在掘进机开挖后，对拱顶的沉降进行位移监测。所述位移采集箱与预埋位移传感器相连接，可以对岩体开挖后预埋位置的位移进行收集处理。所述应变采集箱与预埋应变传感器相连接，可以对岩体开挖后预埋位置的应变进行收集处理。
可以理解的是，模拟实验隧道掘进机也可采用其他现有的结构来实现，此处不再累述。
本实施例利用小尺寸模型的模拟实验隧道掘进机，预测工程现场大尺寸实际隧道掘进机；相对大工程尺度的现场实验，能够大幅节省资金、时间和人力成本。本实施例根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数，可以在研究相关科学问题上真实模拟多种工程状况，解决了现场地质条件复杂施工难以控制，采用其它分析方法无效或根本不能解释研究现象。
实施例二
图2给出了本实施例的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统结构原理图。
如图2所示，本实施例的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，包括：
(1)地层模型构建模块，其用于构建真实地层状况浇筑模型；
(2)掘进实验模块，其用于利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；
(3)实际掘进参数推算模块，其用于根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。
具体地，实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间相似性的定量关系，由实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机两者的刀盘直径的比值决定。
在所述实际掘进参数推算模块中，实际掘进速度等于模拟掘进速度与相似性系数的比值；实际掘进压力等于模拟掘进压力与相似性系数平方的比值；实际掘进扭矩等于模拟掘进扭矩与相似性系数立方的比值；实际排土量等于模拟排土量与相似性系数立方的比值，相似性系数等于实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机的刀盘直径比值。
其中，在所述掘进实验模块中，模拟实验隧道掘进机与实际隧道掘进机的加工方式、布尺位置、零件材料以及加工精度均相同。
在本实施例的隧道掘进机室内模拟实验隧道掘进机由动力系统、控制柜、出土箱、高度调节系统、操作系统、盾头、大型模型实验台架、溶洞加压管、激光监测仪、光栅尺、位移采集箱和应变采集箱组成，可实现多地质情况，特别的可以模拟富存溶洞地区、多工况下的掘进模拟。
所述动力系统由液压缸、液压推板，压力传感器组成。通过液压推进盾体，提供盾构掘进动力，通过压力传感器调节控制盾构掘进动力大小。所述控制柜包括总电源开关、集成电路控制器等。所述出土箱主要由绞龙出土器、渣土收纳箱组成。出土箱主要功能是通过绞龙出土器将盾构掘进的产生的渣土运出至箱内收集，方便后期进行处理。所述高度调节系统主要由伺服电机、高度传感器组成。通过伺服电机提供移动动力、传感器反馈调节盾体高度，直至将盾头与模型试验台架开口相平齐，确保掘进实验进行。
所述操作系统包括掘进参数调节系统、可对刀盘转速、刀盘油压、顶进速度、顶进油压、盾头高度、升降速度等参数进行调节，同时可以实时输出盾头的掘进距离、土仓压力等实时数据，方便现场试验人员进行记录与观测工作。所述盾头由盾体、刀盘组成。值得注意的是，依据相似原则，刀盘的布刀方式，滚刀、刮刀大小均依照现场原盾构机进行等比例缩小，其制作选材均与原盾构机刀盘制作材料相同。所述大型模型实验台架通过不同浇筑方式可以模拟富水地层、复杂倾斜地层等多种试验工况。所述溶洞加压管下方与预制溶洞相连接，通过注水加压实现富水富压溶洞真实模拟。所述激光监测仪放置在模型架顶部，可在掘进机开挖后，对拱顶的沉降进行位移监测。所述位移采集箱与预埋位移传感器相连接，可以对岩体开挖后预埋位置的位移进行收集处理。所述应变采集箱与预埋应变传感器相连接，可以对岩体开挖后预埋位置的应变进行收集处理。
可以理解的是，模拟实验隧道掘进机也可采用其他现有的结构来实现，此处不再累述。
本实施例根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数，可以在研究相关科学问题上真实模拟多种工程状况，解决了现场地质条件复杂施工难以控制，采用其它分析方法无效或根本不能解释研究现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，其特征在于，包括：
构建真实地层状况浇筑模型；
利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；
根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。
2.如权利要求1所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，其特征在于，实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间相似性的定量关系，由实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机两者的刀盘直径的比值决定。
3.如权利要求1所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，其特征在于，实际隧道掘进机参数包括实际掘进速度、实际掘进压力、实际掘进扭矩和实际排土量；对应地模拟实验隧道掘进机参数包括模拟掘进速度、模拟掘进压力、模拟掘进扭矩和模拟排土量。
4.如权利要求3所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，其特征在于，实际掘进速度等于模拟掘进速度与相似性系数的比值；实际掘进压力等于模拟掘进压力与相似性系数平方的比值；实际掘进扭矩等于模拟掘进扭矩与相似性系数立方的比值；实际排土量等于模拟排土量与相似性系数立方的比值，相似性系数等于实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机的刀盘直径比值。
5.如权利要求1所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验方法，其特征在于，模拟实验隧道掘进机与实际隧道掘进机的加工方式、布尺位置、零件材料以及加工精度均相同。
6.一种基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，其特征在于，包括：
地层模型构建模块，其用于构建真实地层状况浇筑模型；
掘进实验模块，其用于利用模拟实验隧道掘进机对真实地层状况浇筑模型进行掘进实验；
实际掘进参数推算模块，其用于根据实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间存在相似性，推算出实验获得的掘进状况所对应的实际隧道掘进机参数。
7.如权利要求6所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，其特征在于，在所述实际掘进参数推算模块中，实际隧道掘进机参数与模拟实验隧道掘进机参数之间相似性的定量关系，由实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机两者的刀盘直径的比值决定。
8.如权利要求6所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，其特征在于，在所述实际掘进参数推算模块中，实际隧道掘进机参数包括实际掘进速度、实际掘进压力、实际掘进扭矩和实际排土量；对应地模拟实验隧道掘进机参数包括模拟掘进速度、模拟掘进压力、模拟掘进扭矩和模拟排土量。
9.如权利要求8所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，其特征在于，在所述实际掘进参数推算模块中，实际掘进速度等于模拟掘进速度与相似性系数的比值；实际掘进压力等于模拟掘进压力与相似性系数平方的比值；实际掘进扭矩等于模拟掘进扭矩与相似性系数立方的比值；实际排土量等于模拟排土量与相似性系数立方的比值，相似性系数等于实际隧道掘进机与模拟实验隧道掘进机的刀盘直径比值。
10.如权利要求6所述的基于相似理论的隧道掘进机室内模型实验系统，其特征在于，在所述掘进实验模块中，模拟实验隧道掘进机与实际隧道掘进机的加工方式、布尺位置、零件材料以及加工精度均相同。
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