一种盾构土仓流动渣土性状智能化测评方法及装置制造方法及图纸

一种盾构土仓流动渣土性状测评方法，在盾构土仓内设置辅助装置，感测该辅助装置在不同的流动渣土性状下所受的阻抗扭矩变化规律，并以此建立扭矩变化规律与流动渣土性状的关系；进行实际测评时，感测该辅助装置所受的阻抗扭矩；通过扭矩的幅值和变化量规律来确定盾构土仓内运动渣土性状，若扭矩的幅值和变化量均较小，则判定运动渣土呈理想流塑状态。一种盾构土仓流动渣土性状智能化测评装置，由剪切板机械部分、保护罩部分、剪切扭矩测试部分和驱动部分等四部分组成。本发明专利技术能实时测试出土仓关键区域的渣土性态，对不良性态的渣土通过就近的渣土改良孔改善特性，从而实时保持土仓内理想的渣土性态，最终保障了盾构开挖面动态平衡。

An intelligent evaluation method and device for moving debris soil of shield earth bin

A method of measuring the characteristics of the residual soil in the shield soil bin is set up in the shield soil bin to measure the variation of the impedance and torque under the different characteristics of the flow residue, and to establish the relationship between the torque change law and the characteristics of the residual soil. When the amplitude and variation of torque are small, the ideal flow and plastic state of the residual soil is determined by the amplitude and variation of torque. An intelligent measuring device for the characteristics of the residual soil in the shield soil bin is made up of four parts, such as the mechanical part of the shear plate, the part of the protective cover, the testing part of the shear torque and the driving part. The present invention can test the residual soil properties of the key area of the silo in real time, and improve the characteristics of the residual soil in the unsound state through the near residual soil, so as to keep the ideal residual soil in the silo in real time, and ultimately ensure the dynamic balance of the shield surface.

【技术实现步骤摘要】
一种盾构土仓流动渣土性状智能化测评方法及装置
本专利技术属于盾构装备制造领域，涉及盾构智能化装备，尤其是渣土性状测评装置。
技术介绍
盾构掘进施工变形由掘进面、曲线盾体超挖和盾尾地层损失三部分组成。超挖可以通过控制下穿区的隧道线型和土层预加固得以克服，盾构地层损失已从材料领域研发出塑形浆体精准补偿地层损失，掘进面平衡传统上通过在开挖面施加与前方静止水土压力相近似平衡的支撑压力来控制，实测出的开挖面实际水平支撑压力分布多为矩形或类似矩形，不能完全适应地层水平向压力直角梯形式的分布模式，故传统开挖面平衡控制对一般工程能满足要求，但对于下穿铁路引发的变形不能忽略。要实现盾构开挖面动态平衡，开挖面水平向压力分布的感知和调控是核心，通过研究表明，影响开挖面压力分布的要素中土仓内渣土理想性态的实时保持是关键，换言之，若渣土性态不佳，即使严格控制盾构施工参数也很难实现水平向支撑压力分布满足要求。当前业界对盾构土仓内运动渣土性状测定主要依靠塌落筒法，即将盾构掘削系统中螺旋输送机排出的渣土运送到地面弃土坑后，取土样填入塌落筒后，通过竖直向上提升塌落筒，土样在大气环境及自重作用下的塌落程度来反馈渣土的屈服应力状态，以此来定性判别渣土的流塑性，近年来模拟土仓围压环境的竖向十字剪切板装置也被设计出来测试渣土的性状，其基本做法是将地面弃土坑中的渣土填入密闭的容器，并可以通过加气压或挤压作用，稳定渣土的围压状态，再通过竖向十字板剪切土样所获得的扭矩随时间的变化规律来推算渣土的关键性状。现有土仓渣土性态的测评方法一方面无法针对渣土在土仓内运动过程中的性态来开展测试，另一方面即使从塌落度筒法过渡到竖向十字板剪切装置法，对盾构土仓实际复杂环境，如刀盘和螺旋输送机两个动边界的影响，也难以模拟。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种面向土仓实际环境的、能以物理接触方式实时测试土仓内运动渣土性状的装置，具体而言，该装置通过剪切板板头和土仓内渣土接触作用，借助动态扭矩传感器反馈扭矩出剪切板头所受的阻抗扭矩变化规律，并建立出扭矩变化规律和流动渣土性状的关系，该装置能实时测试出土仓关键区域的渣土性态，对不良性态的渣土通过就近的渣土改良孔改善特性，从而实时保持土仓内理想的渣土性态，最终保障了盾构开挖面动态平衡。为达到上述目的，本专利技术的解决方案是：一种盾构土仓流动渣土性状测评方法，在盾构土仓内需要进行测评的区域设置辅助装置，在土仓内装入渣土，该辅助装置与土仓内渣土接触作用，感测该辅助装置在不同的流动渣土性状下所受的阻抗扭矩变化规律，并以此建立扭矩变化规律与流动渣土性状的关系；对具体工程项目的盾构土仓流动渣土进行实际测评时，感测该辅助装置所受的阻抗扭矩；通过扭矩的幅值和变化量规律来确定盾构土仓内运动渣土性状，若扭矩的幅值和变化量均较小，则判定运动渣土呈理想流塑状态。进一步，优选的，所述辅助装置采用剪切板头。优选的，采用动态扭矩传感器感测反馈所述辅助装置所受的阻抗扭矩。实现上述方法的装置，包括剪切板装置部分、保护罩部分、剪切扭矩测试部分和驱动部分；其中，通过驱动部分控制剪切板的转速；通过剪切扭矩测试部分测试剪切板所受的扭矩值；通过剪切板机械部分保障剪切板始终与电机保持同轴等速旋转；通过保护罩部分实现防水、防尘及防外部冲击。进一步，优选的，所述剪切板装置部分始终与驱动部分保持同轴等速旋转，依靠辅助装置限制剪切板主轴、剪切扭矩测试部分转轴、驱动部分转轴确保同一连线上的多根转轴等速旋转。优选的，所述剪切板装置部分所包括的剪切板头采用单翼式结构，板头形状为矩形，矩形板一端与轴连接，以此确保剪切板头后部主轴水平旋转时，剪切板头区域始终与运动渣土密切接触不脱空。优选的，所述剪切板装置部分始终与驱动部分保持同轴等速旋转，依靠唇形密封、前后两个轴承的支撑作用限制剪切板主轴、动态扭矩传感器上部与端盖的固定限制扭矩传感器内转轴，以及通过依靠减速电机与后壳的固定限制电机转轴；再通过轴联器的传力作用，确保同一连线上的多根转轴等速旋转。优选的，所述驱动部分包括伺服电机、减速电机和参数控制平台，所述剪切扭矩测试部分包括动态扭矩传感器和动应变仪，所述保护罩部分包括前壳、后壳及端盖，所述剪切板装置部分包括剪切板头和主轴；优选的，伺服电机、减速电机与动态扭矩传感器转轴的一端相连接，动态扭矩传感器转轴的另一端与主轴的一端相连接，剪切板头固定于连接轴的一端，连接轴的另一端轴向插入主轴的另一端中，以此实现剪切板头、伺服电机及减速电机的转轴、动态扭矩传感器的转轴等速旋转；优选的，前壳、后壳及端盖相互配合将动态扭矩传感器、主轴包围在内加以保护；优选的，在主轴上间隔设置第一轴承和第二轴承以协助抑制剪切板除绕转轴旋转的其它自由度。优选的，剪切板头呈矩形，设置唇形密封介于前壳的内壁和主轴的外壁之间，用于阻挡土仓内渣土和水介质侵入，剪切板头和主轴之间通过螺纹连接形成剪切板装置；为确保所述剪切板装置与减速电机、伺服电机同轴旋转，通过间隔设置的第一轴承和第二轴承以协助抑制剪切板除绕转轴旋转的其它自由度，同时依靠前联轴器和后联轴器的约束作用，保障剪切板装置、电机转轴、动态扭矩传感器转轴等速旋转；前联轴器与后联轴器的轴之间通过径向顶丝来箍紧联轴器，通过轴向钉丝楔入转轴内，从而确保前联轴器与后联轴器与主轴、扭矩传感器的转轴和电机的转轴同时连接为一个整体，动态扭矩传感器自身与端盖通过螺丝进行固定连接，同时端盖、前壳和后壳也通过螺丝连接成一个整体，保护在其内侧的装置，剪切板装置受到土仓渣土阻力后，通过动态扭矩传感器的探测反馈出阻抗扭矩的实时变化规律，并供与其连接的动态应变仪采集。前壳采用圆筒型结构；优选的，后壳圆弧面一侧沿主轴方向削减掉一部分，使得后壳在侧部形成一个开口结构，以利于联轴器、后联轴器、动扭矩传感器能通过所述开口结构的空间塞入后壳中并用顶丝连接后，通过端盖对所述开口结构进行封堵；优选的，动扭矩传感器与后壳或端盖连接，能起到固定作用即可。由于采用上述方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术以转轴水平式旋转剪切渣土的理念为导向，保障了装置能从场地条件较为有利的土仓隔板关键位置开孔并使剪切板头与土仓内运动渣土实时接触，同时水平向旋转剪切也较为符合渣土收刀盘和搅拌系统机械作用绕盾构掘进轴线旋转的主方向；同时水平旋转的转轴头部的剪切板头设计成单翼式，能保障剪切板头机械区域内无脱空区；并通过轴承、密封圈、联轴器、螺栓等组合作用，实现剪切板始终与电机保持同轴等速旋转的基础上，通过动态扭矩传感器实时测定剪切板头与渣土接触过程中，所受的阻抗扭矩变化规律。本专利技术首次在室内试验中实时地判定出盾构土仓内关键区域运动渣土是否处于流塑性状态，为精准化的土体改良和开进一步的盾构开挖面平衡控制提供了依据。基于此试验装置，可进一步提出完整的盾构智能化掘削技术，反馈和应用到现场施工，更好地保证施工安全。本专利技术能在第一时间感知评估出盾构土仓内渣土的不良状态，一方面有利于减少因为迟滞判定而导致的盾构机械寿命降低、周边地层变形过度，另一方面有助于指导土体改良方式和具体措施。附图说明图1为本专利技术实施例盾构土仓流动渣土性状智能化测评装置示意图。附图标注：1剪切板头；1-1连接轴；2唇形密封；3前壳；4后壳；5端盖；6-1第一轴承，6-2第二轴承；7主轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构土仓流动渣土性状测评方法，其特征在于：在盾构土仓内设置辅助装置，在土仓内装入渣土，该辅助装置与土仓内渣土接触作用，感测该辅助装置在不同的流动渣土性状下所受的阻抗扭矩变化规律，并以此建立扭矩变化规律与流动渣土性状的关系；对具体工程项目的盾构土仓流动渣土进行实际测评时，感测该辅助装置所受的阻抗扭矩；通过扭矩的幅值和变化量规律来确定盾构土仓内运动渣土性状，若扭矩的幅值和变化量均较小，则判定运动渣土呈理想流塑状态。

【技术特征摘要】
1.一种盾构土仓流动渣土性状测评方法，其特征在于：在盾构土仓内设置辅助装置，在土仓内装入渣土，该辅助装置与土仓内渣土接触作用，感测该辅助装置在不同的流动渣土性状下所受的阻抗扭矩变化规律，并以此建立扭矩变化规律与流动渣土性状的关系；对具体工程项目的盾构土仓流动渣土进行实际测评时，感测该辅助装置所受的阻抗扭矩；通过扭矩的幅值和变化量规律来确定盾构土仓内运动渣土性状，若扭矩的幅值和变化量均较小，则判定运动渣土呈理想流塑状态。2.根据权利要求1所述的盾构土仓流动渣土性状测评方法，其特征在于：所述辅助装置采用剪切板头。3.根据权利要求1所述的盾构土仓流动渣土性状测评方法，其特征在于：采用动态扭矩传感器感测反馈所述辅助装置所受的阻抗扭矩。4.实现权利要求1所述方法的盾构土仓流动渣土性状测评装置，其特征在于：包括剪切板装置部分、保护罩部分、剪切扭矩测试部分和驱动部分；其中，通过驱动部分控制剪切板的转速；通过剪切扭矩测试部分测试剪切板所受的扭矩值；通过剪切板机械部分保障剪切板始终与电机保持同轴等速旋转；通过保护罩部分实现防水、防尘及防外部冲击。5.根据权利要求4所述的盾构土仓流动渣土性状测评装置，其特征在于：所述剪切板装置部分始终与驱动部分保持同轴等速旋转，依靠辅助装置限制剪切板主轴、剪切扭矩测试部分转轴、驱动部分转轴确保同一连线上的多根转轴等速旋转。6.据权利要求4所述的盾构土仓流动渣土性状测评装置，其特征在于：所述剪切板装置部分所包括的剪切板头采用单翼式结构，板头形状为矩形，矩形板一端与连接轴连接，以此确保剪切板头后部主轴水平旋转时，剪切板头区域始终与运动渣土密切接触不脱空。7.根据权利要求4所述的盾构土仓流动渣土性状测评装置，其特征在于：所述剪切板装置部分始终与驱动部分保持同轴等速旋转，依靠唇形密封、前后两个轴承的支撑作用限制剪切板主轴、动态扭矩传感器上部与端盖的固定限制扭矩传感器内转轴，以及通过依靠减速电机与后壳的固定限制电机转轴；再通过轴联器的传力作用，确保同一连线上的多根转轴等速旋转。8.根据权利要求4所述的盾构土仓流动渣土性状测评装置，其特征在于：所述驱动部分包括伺服电机(12)、减速电机(11)和参数控制平台，所述剪切扭矩测试部分包括动态扭矩传感器(10)和动应变仪，所述保护罩部分包括前壳(3)、后壳(4)及端盖(5)，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周顺华，季昌，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31