研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备及掘进参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备及掘进参数优化方法，属于岩土工程技术领域，设备包括：推进系统、旋转系统、数据采集系统、信号变送器、控制系统和土箱（10），盾构刀盘（14）位于可视化的土箱（10）中。本发明专利技术针对现有技术实时预警刀盘结泥饼的状态时存在滞后性的问题，提出了一种研究黏土地层盾构刀盘堵塞的可视化试验设备及方法，可在实验室中结合刀盘结构及地质条件提前给出优化后的刀盘掘进参数，在盾构掘进前降低刀盘堵塞发生概率，从源头解决了刀盘结泥饼影响掘进效率以及造成刀具损坏的问题。本发明专利技术适用范围广，操作简便，结构可靠，重现性好，且成本较低。且成本较低。且成本较低。

【技术实现步骤摘要】
研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备及掘进参数优化方法


[0001]本专利技术涉及一种研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备及掘进参数优化方法，适用于岩土工程评价黏土地层盾构刀盘的堵塞风险并作出掘进参数优化。属于岩土工程


技术介绍

[0002]盾构法施工过程中，当盾构机在黏性土层中开挖推进时，容易出现土体黏附在刀盘上，形成泥饼，降低掘进效率，甚至导致刀盘堵塞卡死。以往对于盾构刀盘堵塞问题产生风险的判断，多依赖经验性方法或实时预测手段。尽管以往研究提出了可量化“堵塞”风险大小的预测指标，例如土样的稠度指数、盾构机运行参数、以及土样在砂浆搅拌机上的黏附量等表征指标，但这些参数仅能为是否形成泥饼提供经验性参考，而并不能作为判断“堵塞”是否发生的直接判据。
[0003]中国专利(202310115363.9、202211453295.9、202210396985.9、202210087719.8、202011029983.3)公开了一些基于关键施工参数评估刀盘结泥饼状态的预测方法。但是，由于这些方法无法直观观测刀盘的堵塞情况，而是利用渣土温度、刀盘推力、刀盘扭矩和推进速度等参数进行间接评估，使得这些方法在实际使用中存在滞后性。当这些参数发生变化时，往往刀盘已发生较大面积堵塞，此时进行处理往往已为时过晚。因此，如果可以根据盾构机掘进面临的地质条件，针对当前盾构机刀盘的配置情况，提前优化刀盘掘进参数，则可在面对刀盘“堵塞”问题时占得先机。

技术实现思路

[0004]针对现有技术实时预警刀盘结泥饼的状态时存在滞后性的问题，本专利技术给出了一种研究黏土地层盾构刀盘堵塞的可视化试验设备的掘进参数优化方法，可在实验室中结合刀盘结构及地质条件提前给出优化后的刀盘掘进参数，在盾构掘进前降低刀盘堵塞发生概率，从源头解决了刀盘结泥饼影响掘进效率以及造成刀具损坏的问题。
[0005]同时，本专利技术提供一种研究黏土地层盾构刀盘堵塞的可视化试验设备。
[0006]同时，本专利技术提供一种研究黏土地层盾构刀盘堵塞的可视化试验设备在施工前优化盾构刀盘掘进参数中的应用。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备，包括：
[0009]推进系统：用于控制盾构刀盘进退；
[0010]旋转系统：用于控制盾构刀盘旋转；
[0011]数据采集系统：包括用于采集推进系统的推力的推力传感器和用于采集旋转系统的扭矩的动态扭矩传感器；
[0012]信号变送器：用于处理数据采集系统采集的推力和扭矩；
[0013]控制系统：包括集成在控制柜中的两台变频器和若干控制开关，两台变频器分别
用于控制推进系统和旋转系统，由此控制盾构刀盘的推进速度和转动速度，控制开关用于分别控制盾构刀盘的启动转动、停止转动、前进、后退和停止推进；
[0014]盾构刀盘位于可视化的土箱中。
[0015]推进系统由一台功率0.25kW、减速比1：121的推进减速电机驱动，通过带齿传动带控制两条推进丝杠转动，实现滑动平台在直线滑轨上匀速推进。
[0016]旋转系统由一台功率0.25kW、减速比1：471的旋转减速电机驱动，带动旋转轴转动，旋转轴另一端延伸至土箱内。
[0017]具体地，一种研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备，包括从左到右依次设置在工作台上的推进减速电机、直线滑轨和土箱；
[0018]直线滑轨上滑动连接有滑动平台；
[0019]推进减速电机通过带齿传动带与推进丝杠相连，推进丝杠与位于其下方的滑动平台相连；
[0020]滑动平台上设置有旋转减速电机，旋转减速电机通过旋转轴与盾构刀盘相连；
[0021]土箱上设置有可视窗，土箱顶端设置有土箱上盖，土箱内装填有土样；
[0022]盾构刀盘上设置有刀具；
[0023]推进丝杠上设置有推力传感器；
[0024]旋转轴上设置有动态扭矩传感器；
[0025]直线滑轨上设置有限位开关，限位开关用于控制盾构刀盘自动停止推进和旋转。
[0026]盾构刀盘的推进速度的调控范围为0
‑
120mm/min；转动速度的调控范围为0
‑
3r/min。
[0027]本专利技术的设备的掘进参数优化方法，包括以下步骤：
[0028]A配置土样：按照准备开挖的地质条件在实验室内还原土样，按照土体稠度状态计算所需黏土及水的质量，拌和均匀，随后静置24h以上使土样内部含水量保持均匀；
[0029]B设计掘进方案：参照实际盾构机的盾构刀盘掘进参数的调节范围，对盾构刀盘掘进参数设计正交试验，盾构刀盘掘进参数包括盾构刀盘推进速度和盾构刀盘转动速度；
[0030]C设置掘进参数：按掘进参数工况设定两个变频器的频率，选配并安装盾构刀盘，开启盾构刀盘的掘进开关和旋转开关，打开数据采集系统，测试盾构刀盘推进及数据采集是否正常，确定电机运转及采集软件运行正常后，结束数据采集，将盾构刀盘位置回归至初始位置，等待正式试验；
[0031]D装填土样：将土样装入土箱内；
[0032]E开启数据采集：开启数据采集系统和信号变送器，设置数据采集间隔，获得推力和扭矩，在土箱的可视窗前开启摄像机记录盾构刀盘排土情况；
[0033]F开启试验：开启盾构刀盘的前进开关和转动开关，待盾构刀盘掘进至指定位置，触发限位开关，盾构刀盘自动停止推进和旋转，保证滑动平台的滑动行程为定值；此时关闭数据采集系统，关闭摄像机；
[0034]G测量黏附量：打开土箱的土箱上盖，挖出开挖后的土体，拆除盾构刀盘，对黏附在盾构刀盘上的土体进行清理和称重；按照掘进方案中的设定的工况，重复步骤C
‑
G，直至完成所有工况，结束试验；
[0035]H分析试验数据：对试验过程中采集的盾构刀盘的推力、扭矩和黏附量进行处理和
分析；以黏附量、扭矩变化率、推力变化率3项参数作为评价指标对盾构刀盘堵塞风险进行评价，并根据评价结果对盾构刀盘掘进参数进行优化。
[0036]D包含如下步骤：将土样装入土箱内，采用分层锤击的方法装填；进行锤击时，在土样表面覆盖一层橡胶垫，分层制备，土样高度控制在30～50mm；保留盾构刀盘后方的空间以便于观测盾构刀盘排土状态；土样填满后，密封土箱上盖完成土样装填工作。
[0037]G测量黏附量中，掘进方案中的设定的工况为：盾构刀盘推进速度和盾构刀盘转动速度的排列组合。
[0038]H包含如下步骤：
[0039]H1，根据黏附量大小，将盾构刀盘堵塞风险划分为低、中、高3个等级，分别对应黏附量＜0.2kg、0.2kg≤黏附量＜0.6kg、黏附量≥0.6kg的情况；
[0040]H2，根据E步骤得到的推力和扭矩变化，分别计算和绘制扭矩与掘进速度比值、推力与掘进速度比值的时程曲线；
[0041]H3，根据H2绘制的扭矩、推力的变化趋势，即时程曲线，将盾构刀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种研究盾构刀盘堵塞的可视化试验设备，其特征是，包括：推进系统：用于控制盾构刀盘(14)进退；旋转系统：用于控制盾构刀盘(14)旋转；数据采集系统：包括用于采集推进系统的推力的推力传感器(4)和用于采集旋转系统的扭矩的动态扭矩传感器(5)；信号变送器：用于处理数据采集系统采集的推力和扭矩；控制系统：包括集成在控制柜中的两台变频器和若干控制开关，两台变频器分别用于控制推进系统和旋转系统，由此控制盾构刀盘(14)的推进速度和转动速度，控制开关用于分别控制盾构刀盘(14)的启动转动、停止转动、前进、后退和停止推进；盾构刀盘(14)位于可视化的土箱(10)中。2.根据权利要求1所述的设备，其特征是，推进系统由一台功率0.25kW、减速比1：121的推进减速电机(1)驱动，通过带齿传动带(2)控制两条推进丝杠(6)转动，实现滑动平台(9)在直线滑轨(8)上匀速推进。3.根据权利要求1所述的设备，其特征是，旋转系统由一台功率0.25kW、减速比1：471的旋转减速电机(3)驱动，带动旋转轴(7)转动，旋转轴(7)另一端延伸至土箱(10)内。4.根据权利要求1所述的设备，其特征是，包括从左到右依次设置在工作台上的推进减速电机(1)、直线滑轨(8)和土箱(10)；直线滑轨(8)上滑动连接有滑动平台(9)；推进减速电机(1)通过带齿传动带(2)与推进丝杠(6)相连，推进丝杠(6)与位于其下方的滑动平台(9)相连；滑动平台(9)上设置有旋转减速电机(3)，旋转减速电机(3)通过旋转轴(7)与盾构刀盘(14)相连；土箱(10)上设置有可视窗(11)，土箱(10)顶端设置有土箱上盖(12)，土箱(10)内装填有土样(13)；盾构刀盘(14)上设置有刀具(15)；推进丝杠(6)上设置有推力传感器(4)；旋转轴(7)上设置有动态扭矩传感器(5)；直线滑轨(8)上设置有限位开关，限位开关用于控制盾构刀盘(14)自动停止推进和旋转。5.根据权利要求1所述的设备，其特征是，盾构刀盘(14)的推进速度的调控范围为0
‑
120mm/min；转动速度的调控范围为0
‑
3r/min。6.根据权利要求1～5任意一项所述的设备的掘进参数优化方法，其特征是，包括以下步骤：A配置土样：按照准备开挖的地质条件在实验室内还原土样，按照土体稠度状态计算所需黏土及水的质量，拌和均匀，随后静置24h以上使土样内部含水量保持均匀；B设计掘进方案：参照实际盾构机的盾构刀盘掘进参数的调节范围，对盾构刀盘掘进参数设计正交试验，盾构刀盘掘进参数包括盾构刀盘(14)推进速度和盾构刀盘(14)转动速度；C设置掘进参数：按掘进参数工况设定两个变频器的频率，选配并安装盾构刀盘(14)，
开启盾构刀盘(14)的掘进开关和旋转开关，打开数据采集系统，测试盾构刀盘(14)推进及数据采集是否正常，确定电机运转及采集软件运行正常后，结束数据采集，将盾构刀盘(14)位置回归至初始位置，等待正式试验；D装填土样：将土样(13)装入土箱(10)内；E开启数据采集：开启数据采...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴高，杨益，郭易东，刘泓志，李瀚源，方应冉，蔡博文，孙宇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：