一种围岩与全断面隧道掘进机护盾相互作用过程监测方法

摘要

本发明公开了一种围岩与护盾相互作用过程测试方法，其步骤：A、焊接安装在护盾外表面用于直接测试围岩对护盾的挤压力，将压力盒电缆线套入柔性护线套管引入护盾内并连接读数仪；B、在护盾内表面各监测点环向和纵向各安装一个表面应变传感器，通过测试到的护盾内表面环向和纵向应变，根据弹性力学原理反算出围岩对护盾挤压力；C、根据测试到的围岩对护盾挤压力分布规律，设相邻两测点间的挤压力线性分布，计算护盾所受到的摩阻力；D、根据卡机状态判别准则和卡机风险系数计算方法，计算判断护盾是否被卡，预警卡机风险级别。解决了护盾式TBM掘进过程围岩与护盾相互作用监测难题，为卡机事故预测分析提供基础，对TBM掘进安全具有重要意义。

主权项

一种围岩与全断面隧道掘进机护盾相互作用过程监测方法，其步骤是：(1)围岩对护盾挤压力监测：采用护盾外表面安装压力盒直接测量和护盾内表面安装表面应变传感器间接测量相结合：①护盾外表面安装压力盒直接测试围岩对护盾挤压力：利用压力盒的压力触头直接测量该测点处围岩对护盾的挤压力，将压力盒安装固定在护盾外表面测量围岩对护盾挤压力，制作一上端留有凹槽和刻有螺纹的杯形底座，现场测试时将杯形底座底部焊接在全断面隧道掘进机护盾外表面上，用于放置压力传感器和将传感器固定到被测物体全断面隧道掘进机护盾外表面上，并在监测测试时起到抵抗全断面隧道掘进机前移时围岩与传感器接触后的剪切力，安装时待该底座焊接冷却后将压力传感器放入这一杯形底座中，将传感器电缆线从杯形底座上端凹槽中引出，在电缆线周围敷设柔性钢环护线套管用于保护电缆线以免在护盾前移时被接触上的岩石挤压、磨损，将压力盒布置成阵列式测试围岩对护盾挤压力分布：在护盾外表面拱顶、左右两肩和左右两帮共五排、每排十个安装压力盒，将护盾外表面所有压力盒电缆线集中合并成股引入护盾内，电缆线保护套管采用AB胶与护盾外表面钢壳粘结牢固，在护盾外表面组成一个实时测试围岩对护盾挤压力的阵列式测试网络，将引入护盾内空间的电缆线接入数据采集仪，读取数据，记第i个压力盒测量出的挤压力为P_i。；②护盾内表面应变测试，反算围岩对护盾挤压力：在护盾内表面拱顶、左右两肩和左右两帮共五排、每排十个测点安装表面应变传感器，每一测点环向和纵向均安装一个应变传感器，纵向传感器用于测试护盾纵向应变环向应变传感器用于测试护盾环向应变ε_θ，测量第i测点处纵向和环向两个方向的应变和计算得到这一测点处围岩对护盾的挤压力P_i'：其中：为第i测点微元纵向应变，为第i测点微元环向应变；为第i测点微元纵向应力；为第i测点微元环向应力，P_i'为第i测点微元所受的等效围岩对护盾挤压力；E为护盾弹模，μ为护盾泊松比；全断面隧道掘进机护盾在纵向上两端没有约束，设每一测点处纵向应力上式(1)、(2)写成：${ϵ}_{\theta }^i=\frac{1}{E}[{\sigma }_{\theta }^i-{\mathrm{\mu P}}_i^{\prime }]---\left(4\right)$解得：在拱顶处同时在外表面安装压力盒和在内表面安装轴向、环向表面应变传感器，把拱顶同一测点处压力盒测得的挤压力P_i与护盾内表面应变反算得出的等效挤压力P_i'进行比较验证，两者之间的系数记为k：$k=\frac{P_i}{P_i^{\prime }}---\left(7\right)$护盾内其他应变测点处符合同样的比例，护盾内表面应变第i测点处对应的护盾外表面所受挤压力P_i为：P_i＝kP_i'   (8)(2)通过测量得到的挤压力分布规律计算护盾所受摩阻力：测点间距离近，相邻测点间的挤压力服从线性分布，将护盾上下两半形状、受力状态视为对称，得到每一环监测测点所对应的因围岩挤压力产生的护盾所受摩阻力$\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta R}}_f^j=2\times (f·{\int }_0^{{\mathrm{\pi R}}_s}{P}_{i}dl)·\Delta l\\ =2f·\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}\frac{1}{2}(P_i+P_{i\mathrm{+1}})·L·\Delta l\\ =2f·\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}\frac{1}{2}(P_i+P_{i\mathrm{+1}})·2R_s·{\mathrm{sin\alpha }}_i·\Delta l\\ =2R_s·f·\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}(P_i+P_{i\mathrm{+1}})·{\mathrm{sin\alpha }}_i·\Delta l\end{array}---\left(9\right)$式中：为第j环监测测点对应的护盾所受摩阻力(j＝1,2,3…10)，f为围岩与护盾间的摩擦系数，P_i为环向第i测点围岩对护盾挤压力，P_i+1为环向第(i+1)测点围岩对护盾挤压力，L为第i测点与第(i+1)测点间的弦长，R_s为护盾内径，α_i为第i测点与第(i+1)测点间对应的圆心角，Δl为纵向上相邻两测点之间的间距；将所每环监测测点计算得到的摩阻力相加再加上因全断面隧道掘进机自重产生的摩阻力，得到护盾所受的总摩阻力R_f：$\begin{array}{c}{R}_f=\underset{j=1}{\overset{10}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta R}}_f^j+f·W\\ =\underset{j=1}{\overset{10}{\Sigma }}[2R_s·f·\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}(P_i+P_{i+1})·{\mathrm{sin\alpha }}_i]+f·W\end{array}---\left(10\right)$式中：R_f为护盾所受总摩阻力，W为全断面隧道掘进机自重，j为纵向上监测测点的序号；(3)通过卡机状态判别准则，依据测试计算出的护盾所受摩阻力和全断面隧道掘进机推进系统提供的推力大小，计算卡机风险系数和预测判断卡机，卡机状态判别为：式中：F_b为全断面隧道掘进机机器正常连续掘进开挖推力，F_I为全断面隧道掘进机推进系统所提供的额定推力；F_r为克服护盾所受摩阻力所需要的推力，等于护盾所受摩阻力：F_r＝R_f   (12)据此判别全断面隧道掘进机护盾被卡；全断面隧道掘进机卡机的风险系数K_s定义为：$K_s=\frac{F_f}{F_I}=\frac{F_r+F_b}{F_I}---\left(13\right)$式中：F_f为全断面隧道掘进机掘进前移所需要的总推力；计算卡机的风险系数，进行卡机风险分析，根据计算的风险系数大小将全断面隧道掘进机卡机风险划分为四级：不卡机(K_s<1)、轻微卡机(1≤K_s<1.2)、严重卡机(1.2≤K_s<1.5)和非常严重卡机(K_s≥1.5)。