一種圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種圍巖與護(hù)盾相互作用過程測(cè)試方法，其步驟：A、焊接安裝在護(hù)盾外表面用于直接測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓力，將壓力盒電纜線套入柔性護(hù)線套管引入護(hù)盾內(nèi)并連接讀數(shù)儀；B、在護(hù)盾內(nèi)表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)向和縱向各安裝一個(gè)表面應(yīng)變傳感器，通過測(cè)試到的護(hù)盾內(nèi)表面環(huán)向和縱向應(yīng)變，根據(jù)彈性力學(xué)原理反算出圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力；C、根據(jù)測(cè)試到的圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力分布規(guī)律，設(shè)相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的擠壓力線性分布，計(jì)算護(hù)盾所受到的摩阻力；D、根據(jù)卡機(jī)狀態(tài)判別準(zhǔn)則和卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算判斷護(hù)盾是否被卡，預(yù)警卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。解決了護(hù)盾式TBM掘進(jìn)過程圍巖與護(hù)盾相互作用監(jiān)測(cè)難題，為卡機(jī)事故預(yù)測(cè)分析提供基礎(chǔ)，對(duì)TBM掘進(jìn)安全具有重要意義。
【專利說明】
一種圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用監(jiān)測(cè)方法領(lǐng)域，更具體涉及一種TBM掘進(jìn)條 件下圍巖與TBM護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方法，也可用于測(cè)試圍巖對(duì)其他支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載。
【背景技術(shù)】
[0002] 護(hù)盾式全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)可以使得掘進(jìn)和安裝管片同步進(jìn)行，掘進(jìn)效率高， 施工安全，廣泛應(yīng)用于隧道掘進(jìn)。然而，TBM在深埋長(zhǎng)大隧道和深井巷道建設(shè)中，往往需要穿 越一些高地應(yīng)力軟弱、破碎巖層，圍巖易發(fā)生大變形。當(dāng)護(hù)盾區(qū)域圍巖的變形量超過開挖預(yù) 留的圍巖與護(hù)盾間的變形間隙時(shí)，圍巖開始與護(hù)盾接觸并擠壓護(hù)盾，進(jìn)而在TBM推進(jìn)時(shí)圍巖 對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生摩阻力，當(dāng)TBM推進(jìn)系統(tǒng)提供的推力不足以克服護(hù)盾所受摩阻力時(shí)便導(dǎo)致TBM護(hù) 盾被卡，甚至造成護(hù)盾損毀。TBM卡機(jī)事故從力學(xué)本質(zhì)上來說就是圍巖與護(hù)盾間的接觸-擠 壓-摩擦相互作用。因此，為了預(yù)測(cè)判斷TBM卡機(jī)事故，非常有必要測(cè)試圍巖與TBM護(hù)盾的相 互作用。其中圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力測(cè)試是圍巖與護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，但由于以下 原因，目前國(guó)內(nèi)外尚還沒有監(jiān)測(cè)圍巖與護(hù)盾相互作用過程的成熟方法：
[0003] (l)TBM廠家由于沒有測(cè)試需求，故在設(shè)計(jì)生產(chǎn)出廠時(shí)并沒有裝配測(cè)試圍巖擠壓力 的傳感器。
[0004] (2)施工單位往往也是在出現(xiàn)卡機(jī)事故時(shí)才被動(dòng)米取解困措施，而很少在事前進(jìn) 行圍巖變形和圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0005] (3)由于圍巖與護(hù)盾間的預(yù)留變形間隙很小，通常為5~10cm，觀測(cè)空間狹小，而且 隨著TBM不斷向前掘進(jìn)，護(hù)盾與圍巖將產(chǎn)生相對(duì)滑移，許多傳感和監(jiān)測(cè)設(shè)備難于安裝在這個(gè) 狹小的觀測(cè)空間內(nèi)，即便使用一些扁平薄狀的傳感器安裝后將在護(hù)盾隨著TBM掘進(jìn)前移時(shí) 被接觸到的表面凹凸不平的圍巖給剮蹭掉落，或者擠毀，因此目前還沒有專門測(cè)試圍巖與 護(hù)盾相互作用過程的測(cè)試方法。
[0006] 鑒于TBM開挖時(shí)為圍巖與護(hù)盾間預(yù)留的擴(kuò)挖變形間隙小，測(cè)試空間狹小的特點(diǎn)，本 發(fā)明專利提出了一種圍巖與TBM護(hù)盾相互作用監(jiān)測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾相互作用過程實(shí)時(shí)測(cè)試的難題，本 發(fā)明的目的是在于提供了一種圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方 法，方法易行，操作簡(jiǎn)便，該測(cè)試方法不僅能測(cè)試某一點(diǎn)處圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓力，還能測(cè)試 圍巖與護(hù)盾從何處開始接觸、接觸范圍和擠壓力的分布規(guī)律，還能計(jì)算圍巖與護(hù)盾之間的 摩阻力，從而預(yù)測(cè)判斷護(hù)盾是否被卡。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] 一種圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方法，其步驟是：
[0010] (1)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力監(jiān)測(cè)：采用護(hù)盾外表面安裝壓力盒直接測(cè)量和護(hù)盾內(nèi)表面 安裝表面應(yīng)變傳感器間接測(cè)量相結(jié)合的方法。具體如下：
[0011]①護(hù)盾外表面安裝壓力盒直接測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力：
[0012]設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的壓力盒，充分利用該種微型壓力盒體積 小、凸起的壓力觸頭能夠直接測(cè)量該測(cè)點(diǎn)處圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓力，將壓力盒安裝固定在護(hù) 盾外表面測(cè)量圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力。它包括杯形底座、環(huán)形盒蓋、壓力傳感器和護(hù)線套管，其 連接關(guān)系是：將杯形底座的底部焊接在護(hù)盾外表面，在杯形底座上端8mm范圍內(nèi)刻有螺距 1mm的外側(cè)螺紋，且在杯形底座上端開一方形凹槽;將壓力傳感器放入杯形底座中，將壓力 傳感器自帶的壓力傳感器電纜線從杯形底座上端凹槽中穿出，在壓力傳感器電纜線周圍套 上護(hù)線套管;制作一頂部環(huán)形盒蓋，在環(huán)形盒蓋的最外端有盒蓋外邊緣，在環(huán)形盒蓋外邊緣 內(nèi)刻有螺距1mm的內(nèi)側(cè)螺紋，在環(huán)形盒蓋中心開一半徑為10mm的圓孔，再將環(huán)形盒蓋蓋上， 將杯形底座和環(huán)形盒蓋通過螺紋連接;壓力傳感器的壓力觸頭從環(huán)形盒蓋中心圓孔露出。 其結(jié)構(gòu)關(guān)系及安裝方法為:加工制作一上端留有凹槽和刻有螺紋的杯形底座，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí) 將杯形底座底部焊接在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾外表面上，用于放置壓力傳感器和將 傳感器固定到被測(cè)物體全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾外表面上，并在監(jiān)測(cè)測(cè)試時(shí)起到抵抗 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)前移時(shí)圍巖與傳感器接觸后的剪切力的作用;現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)待該底 座焊接冷卻后將壓力傳感器放入這一杯形底座中，將傳感器電纜線從杯形底座上端凹槽中 引出，并在電纜線周圍敷設(shè)柔性鋼環(huán)護(hù)線套管用于保護(hù)電纜線以免在護(hù)盾前移時(shí)被接觸上 的巖石擠壓、磨損；制作開有中心圓孔、外邊緣內(nèi)側(cè)刻有螺紋的環(huán)形盒蓋，蓋住內(nèi)部放置的 壓力傳感器，且使得傳感器的壓力觸頭露出，能夠與周圍的圍巖接觸;待壓力傳感器放入杯 形底座后蓋上該環(huán)形盒蓋，將環(huán)形盒蓋與杯形底座通過螺紋緊固連接，此時(shí)壓力傳感器頂 部的壓力觸頭從環(huán)形盒蓋中心圓孔露出，便構(gòu)成了測(cè)試圍巖對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù) 盾擠壓力的壓力盒。將壓力盒布置成陣列式測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力分布:在護(hù)盾外表面拱 頂、左右兩肩和左右兩幫共五排、每排十個(gè)安裝壓力盒，見圖1和圖2。將護(hù)盾外表面所有壓 力盒電纜線集中合并成股引入護(hù)盾內(nèi)，并且電纜線保護(hù)套管采用AB膠與護(hù)盾外表面鋼殼粘 結(jié)牢固，便于測(cè)量，由此在護(hù)盾外表面組成一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的陣列式測(cè)試 網(wǎng)絡(luò)。將引入護(hù)盾內(nèi)空間的電纜線接入數(shù)據(jù)采集儀，讀取數(shù)據(jù)，記第i個(gè)壓力盒測(cè)量出的擠 壓力為Pi。
[0013] ②護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變測(cè)試，反算圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力
[0014] 在護(hù)盾內(nèi)表面安裝表面應(yīng)變傳感器(振弦式或光纖光柵式表面應(yīng)變傳感器）。在護(hù) 盾內(nèi)表面拱頂、左右兩肩和左右兩幫共五排、每排十個(gè)測(cè)點(diǎn)。每一測(cè)點(diǎn)環(huán)向和縱向均安裝一 個(gè)應(yīng)變傳感器(見圖1和圖2)，縱向傳感器用于測(cè)試護(hù)盾縱向應(yīng)變心，環(huán)向應(yīng)變傳感器用于 測(cè)試護(hù)盾環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?θ，據(jù)此測(cè)量了第i測(cè)點(diǎn)處縱向和環(huán)向兩個(gè)方向的應(yīng)變 和4。每一測(cè)點(diǎn)
處微元受力狀態(tài)如圖6所示，根據(jù)彈性力學(xué)原理即可計(jì)算得到這一測(cè)點(diǎn)處圍巖對(duì)護(hù)盾的擠 壓力Pi' ·
[0015]
[0016]
[0017]其中4為第i測(cè)點(diǎn)微元縱向應(yīng)變，4為第i測(cè)點(diǎn)微元環(huán)向應(yīng)變;σ;為第i測(cè)點(diǎn)微元 縱向應(yīng)力;4為第i測(cè)點(diǎn)微元環(huán)向應(yīng)力，Pi'為第i測(cè)點(diǎn)微元所受的等效圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力;E 為護(hù)盾彈模，μ為護(hù)盾泊松比。
[0018] 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(ΤΒΜ)護(hù)盾在縱向上兩端沒有約束，為自由邊界，因此設(shè)每一測(cè) 點(diǎn)處縱向應(yīng)力<=〇。于是上式（1)、（2)可寫成：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] ^ ^ \ j 產(chǎn)
[0024] 在拱頂處同時(shí)在外表面安裝壓力盒和在內(nèi)表面安裝軸向、環(huán)向表面應(yīng)變傳感器， 則把拱頂同一測(cè)點(diǎn)處壓力盒測(cè)得的擠壓力Pi與護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變反算得出的等效擠壓力 進(jìn)行比較驗(yàn)證，兩者之間的系數(shù)記為k:
[0025]
[0026] 數(shù)據(jù)顯示護(hù)盾內(nèi)其他應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處也基本符合同樣的比例關(guān)系，則護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變 第i測(cè)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的護(hù)盾外表面所受擠壓力?:為：
[0027] Pi = kPi， (8)
[0028] (2)通過測(cè)量得到的擠壓力分布規(guī)律計(jì)算護(hù)盾所受摩阻力。
[0029] 由于測(cè)點(diǎn)間距離較近，因此假設(shè)相鄰測(cè)點(diǎn)間的擠壓力服從線性分布，如圖2所示。 而且將護(hù)盾上下兩半形狀、受力狀態(tài)視為是對(duì)稱的。因此，得到每一環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的因 圍巖擠壓力產(chǎn)Φ的護(hù)盾所矽塵陽力Mi:
[0030]
[0031] 式中：為第j環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)區(qū)域?qū)?yīng)的護(hù)盾所受摩阻力（j = l，2,3~10)，f為圍巖 與護(hù)盾間的摩擦系數(shù)，PiS環(huán)向第i測(cè)點(diǎn)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力（1 = 1，2,3 - 8)，？1+1為第（1+1) 測(cè)點(diǎn)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力，L為第i測(cè)點(diǎn)與第(i+Ι)測(cè)點(diǎn)間的弦長(zhǎng)，R S為護(hù)盾內(nèi)徑，為第i測(cè)點(diǎn) 與第（i+Ι)測(cè)點(diǎn)間對(duì)應(yīng)的圓心角，A 1為縱向上相鄰測(cè)點(diǎn)之間的間距。
[0032]將每環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算得到的摩阻力相加再加上因全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)自重產(chǎn) 生的摩阻力，便得到護(hù)盾所受的總摩阻力Rf:
[0033]
[0034] 式中：Rf為護(hù)盾所受總摩阻力，W為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)自重，j為縱向上監(jiān)測(cè) 測(cè)點(diǎn)的序號(hào)(」= 1，2,3···10)。
[0035] (3)基于卡機(jī)狀態(tài)判別準(zhǔn)則，依據(jù)測(cè)試計(jì)算出的護(hù)盾所受摩阻力和全斷面隧道掘 進(jìn)機(jī)(ΤΒΜ)推進(jìn)系統(tǒng)提供的推力大小關(guān)系，計(jì)算卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和預(yù)測(cè)判斷是否發(fā)生卡機(jī)。其 中，卡機(jī)狀態(tài)判別準(zhǔn)則為：
[0036]
[0037] 式中：Fb為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(ΤΒΜ)機(jī)器正常連續(xù)掘進(jìn)開挖所需推力，全斷面 隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的額定推力;Fr為克服護(hù)盾所受摩阻力所需要的推力， 等于護(hù)盾所受摩阻力：
[0038] Fr = Rf (12)
[0039] 據(jù)此判別全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾是否被卡。
[0040] 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)1定義為：
[0041] 4 1
[0042]式中:Ff為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)前移所需要的總推力。
[0043]據(jù)此計(jì)算卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，進(jìn)行卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大小將全斷 面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)劃分為四級(jí):不卡機(jī)、輕微卡機(jī)、嚴(yán)重卡機(jī)和非常嚴(yán)重卡機(jī)，如 表1所示。
[0044] 表1TBM卡機(jī)狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)
[0045]
Luw&」 不及明與現(xiàn)令扠不ffiK，共令以卜1兀點(diǎn)和歡朱：
[0047] (1)同時(shí)米用護(hù)盾外表面安裝壓力盒直接測(cè)量圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力和護(hù)盾內(nèi)表面安 裝表面應(yīng)變傳感器間接測(cè)量擠壓力，使得測(cè)量?jī)x器安裝更加簡(jiǎn)單、穩(wěn)固，測(cè)量結(jié)果更加可 與巨〇
[0048] (2)自行設(shè)計(jì)制作的測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的壓力盒在測(cè)試安裝時(shí)，焊接高溫不 會(huì)傳遞到壓力傳感器上，不會(huì)損壞傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且能夠保證內(nèi)部壓力傳感器不會(huì)隨 護(hù)盾和TBM前移而被剮蹭掉落和損壞。
[0049] (3)根據(jù)測(cè)試結(jié)果能夠計(jì)算護(hù)盾所受摩阻力和判斷護(hù)盾是否被卡。
[0050] 已采用該方法在某工程護(hù)盾式TBM進(jìn)行了圍巖與護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn)，在該TBM護(hù)盾外表面安裝了測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的壓力盒、在護(hù)盾內(nèi)表面環(huán)向和軸向 安裝了振弦式和光纖光柵式表面應(yīng)變傳感器，安裝方式如圖2所示，其中一次在護(hù)盾中部監(jiān) 測(cè)斷面的測(cè)試結(jié)果如表2所示：
[005? ]表2護(hù)盾式TBM圍巖與護(hù)盾相互作用監(jiān)測(cè)結(jié)果(符號(hào)以壓為正，拉為負(fù)）
[0052]
[0053] 注：式（5)、（6)和（9)中參數(shù)取值4 = 2126卩&# = 0.2彳=0.35，1^ = 4111丄=1111，￥ = 20MN。
[0054]計(jì)算得到這一環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的K = 0.81227,且根據(jù)式(9)計(jì)算得到這一環(huán)護(hù)盾所受 的摩阻力Mf=90.286MN，根據(jù)式（1〇)把其他各環(huán)監(jiān)測(cè)斷面所計(jì)算的摩阻力相加再加上 TBM自重引起的摩阻力即可計(jì)算得到護(hù)盾所受總摩阻力，從而根據(jù)式（11)和式（13)計(jì)算卡 機(jī)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和預(yù)測(cè)判斷是否卡機(jī)，因此采用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖與TBM護(hù)盾相互作用過程 的監(jiān)測(cè)，能夠預(yù)測(cè)判斷TBM護(hù)盾是否被卡塞。
【附圖說明】
[0055]圖1為一種圍巖與護(hù)盾相互作用測(cè)試傳感器整體布置圖。
[0056]圖2為一種測(cè)點(diǎn)布置橫斷面圖。
[0057]圖3為一種測(cè)試圍巖對(duì)TBM護(hù)盾擠壓力的壓力盒整體主視圖。
[0058] 圖4為一種杯形底座俯視圖。
[0059] 圖5為一種環(huán)形盒蓋俯視圖。
[0060] 圖6為一種護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)微元的應(yīng)力狀態(tài)圖。
[0061]圖中：1·護(hù)盾外表面、2.全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)刀盤、3.壓力盒、4.壓力盒電纜 線、5 .護(hù)盾內(nèi)表面、6 .環(huán)向表面應(yīng)變傳感器、7.縱向表面應(yīng)變傳感器、8.表面應(yīng)變傳感器電 纜線、9.圍巖、10.全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)開挖輪廓、11.護(hù)盾、12.圍巖與護(hù)盾間的擴(kuò)挖預(yù) 留變形間隙、13 ·杯形底座、14 ·環(huán)形盒蓋、15 ·壓力傳感器(型號(hào):YY-C125-10KN)主體、16 ·護(hù) 線套管、17.杯形底座上端外側(cè)螺紋、18.杯形底座上端凹槽、19.壓力傳感器電纜線、20.盒 蓋中心圓孔、21.環(huán)形盒蓋外邊緣內(nèi)側(cè)螺紋、22.壓力傳感器（型號(hào):YY-C125-10KN)壓力觸 頭。
【具體實(shí)施方式】
[0062] 實(shí)施例1:
[0063]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0064]本發(fā)明依次進(jìn)行圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力測(cè)試、護(hù)盾所受摩阻力計(jì)算和卡機(jī)狀態(tài)判別的 圍巖與護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)，一種圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方 法，其步驟是：
[0065]第一，圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的測(cè)試:護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變測(cè)試反算圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力： [0066] (1)在護(hù)盾外表面直接測(cè)試擠壓力：
[0067] 設(shè)計(jì)制作一種圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的壓力盒，壓力盒由杯形底座、環(huán)形盒蓋、壓力傳 感器和護(hù)線套管組成，根據(jù)圍巖與護(hù)盾式TBM護(hù)盾之間的擴(kuò)挖預(yù)留變形間隙12的大小選擇 壓力傳感器15尺寸（高記為h，內(nèi)徑記為r，本實(shí)施例選擇壓力傳感器型號(hào)為YY-C125-10KN， 其尺寸為h= 11.5mm，r = 13mm)，根據(jù)壓力傳感器15的直徑和高度設(shè)計(jì)杯形底座13的尺寸 (杯形底座高H = h+20mm，內(nèi)徑Ri = r，外徑R〇 = r+5mm)，從不銹鋼鑄鐵中車出杯形底座13,在 杯形底座13上端8mm范圍內(nèi)加工螺距1mm的外側(cè)螺紋17,在杯形底座上端開一方形凹槽18 (高=寬=2倍壓力傳感器電纜線直徑），杯形底座13用于放置壓力傳感器15和將壓力傳感 器15固定到被測(cè)物體護(hù)盾外表面1上;并根據(jù)壓力傳感器15的直徑、壓力觸頭22的高度和直 徑設(shè)計(jì)頂部環(huán)形盒蓋14(環(huán)形盒蓋內(nèi)徑Ri' =杯形底座外徑R〇 = r+5mm，外徑R'〇=內(nèi)徑+5mm， 中心圓孔半徑R' =l〇mm，外邊緣高度H' =8mm，底厚壓力傳感器壓力觸頭高度）， i 在頂部環(huán)形盒蓋14中心開一半徑為10mm的圓孔20,在頂部環(huán)形盒蓋14外邊緣內(nèi)側(cè)的內(nèi)表面 制作螺距1_的內(nèi)側(cè)螺紋21，用于固定壓力傳感器，結(jié)構(gòu)詳見圖1。在TBM組裝階段或TBM通過 隧道中途檢修、拆解等較開闊的洞室時(shí)，在護(hù)盾外表面1安裝壓力盒3監(jiān)測(cè)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓 力，安裝步驟為:①將制作好的壓力盒杯形底座13焊接在設(shè)計(jì)好的護(hù)盾外表面1監(jiān)測(cè)點(diǎn)，待 冷卻后將壓力傳感器15放入杯形底座13中，并將傳感器自帶的電纜線19從杯形底座上端凹 槽18中引出，穿入柔性護(hù)線套管16中，將杯形底座13和環(huán)形盒蓋14間螺紋擰緊，將壓力傳感 器壓力觸頭23從環(huán)形盒蓋中心圓孔20露出，這樣便在護(hù)盾外表面安裝了一個(gè)測(cè)量圍巖對(duì) TBM護(hù)盾擠壓力的壓力盒;②將護(hù)盾視為上下對(duì)稱，且考慮安裝便利性，因此僅在護(hù)盾上半 段安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在護(hù)盾外表面其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用同樣方法安裝測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力的壓力 盒，共五排，每排十個(gè)，每排縱向等間距布置，將護(hù)盾外表面所有壓力盒電纜線4集中合并成 股引入護(hù)盾內(nèi)，并且電纜線保護(hù)套管采用AB膠(型號(hào):Deli7148)與護(hù)盾外表面鋼殼粘結(jié)牢 固，便于測(cè)量;③將引入護(hù)盾內(nèi)空間的電纜線接入數(shù)據(jù)采集儀，讀取數(shù)據(jù)，第i測(cè)點(diǎn)測(cè)量出的 圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力記為Pi。
[0068] 一種測(cè)試圍巖對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)護(hù)盾擠壓力的壓力盒，它包括:杯形底座 13、環(huán)形盒蓋14、壓力傳感器15和護(hù)線套管16。其連接關(guān)系是:將杯形底座13的底部焊接在 護(hù)盾外表面，在杯形底座13上端8mm范圍內(nèi)刻有螺距1mm的外側(cè)螺紋17,且在杯形底座13上 端開一方形凹槽18;頂部環(huán)形盒蓋14的最外端邊緣刻有1_的內(nèi)側(cè)螺紋21，在頂部環(huán)形盒蓋 14的中心開一半徑10mm的中心圓孔20;將壓力傳感器15放入杯形底座13中，將壓力傳感器 15自帶的壓力傳感器電纜線19從杯形底座13上端杯形底座上端凹槽18中穿出，在壓力傳感 器電纜線19周圍套上護(hù)線套管16,再將環(huán)形盒蓋14蓋上，將杯形底座13和環(huán)形盒蓋14間螺 紋連接(擰緊），同時(shí)壓力傳感器15自帶的壓力傳感器壓力觸頭22從環(huán)形盒蓋14中心圓孔20 露出，便構(gòu)成了測(cè)量圍巖對(duì)TBM護(hù)盾擠壓力的壓力盒。該壓力盒各個(gè)組成部件間的連接關(guān) 系:根據(jù)圍巖與護(hù)盾式TBM護(hù)盾之間擴(kuò)挖預(yù)留變形間隙的大小選擇壓力傳感器15(尺寸高記 為h，內(nèi)徑記為r，本實(shí)施例選擇的壓力傳感器型號(hào)為YY-C125-10KN，其尺寸為h = 11.5mm，r =13mm)，根據(jù)壓力傳感器3的直徑和高度設(shè)計(jì)杯形底座1的尺寸(杯形底座高H = h+20mm，內(nèi) 徑Ri = r，外徑R〇 = r+5mm)，從不銹鋼鑄鐵中車出杯形底座13,在杯形底座13上端8mm范圍內(nèi) 刻有螺距1mm的外側(cè)螺紋17,在杯形底座13上端開一方形凹槽18(高=寬=2倍傳感器電纜 線直徑），杯形底座13內(nèi)用于放置壓力傳感器15和將傳感器15固定到被測(cè)物體護(hù)盾外表面1 上;并根據(jù)壓力傳感器15的直徑、壓力觸頭22的高度和直徑設(shè)計(jì)頂部環(huán)形盒蓋14的尺寸(環(huán) 形盒蓋14內(nèi)徑Ri' =杯形底座外徑R〇 = r+5mm，外徑R'〇=內(nèi)徑+5mm，中心圓孔半徑R' =10mm， 外邊緣高度H' =8mm，底厚δ = 1/3壓力觸頭高度），在頂部盒蓋2中心開一半徑為10mm的中心 圓孔20,在頂部環(huán)形盒蓋14最外端邊緣21的內(nèi)表面制作螺距1mm的內(nèi)側(cè)螺紋22,用于固定壓 力傳感器15;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，將杯形底座13的底部焊接在護(hù)盾外表面1，待冷卻后，將壓力傳感 器15放入杯形底座13中，將壓力傳感器15自帶的壓力傳感器電纜線19從杯形底座13上端凹 槽6中穿出，在壓力傳感器電纜線19周圍套上護(hù)線套管16,再將環(huán)形盒蓋14蓋上，將杯形底 座13和環(huán)形盒蓋14間螺紋擰緊，同時(shí)壓力傳感器15自帶的壓力觸頭22從盒蓋中心圓孔20露 出，便構(gòu)成了測(cè)量圍巖對(duì)TBM護(hù)盾擠壓力的壓力盒3,結(jié)構(gòu)詳見圖3、圖4和圖5。
[0069] (2)護(hù)盾內(nèi)表面安裝表面應(yīng)變傳感器通過應(yīng)變測(cè)試反算圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力：
[0070] 在護(hù)盾內(nèi)表面拱頂、左右兩肩和左右兩幫共五排、每排設(shè)置十個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，，分別 在設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)向和縱向方向使用AB膠將表面應(yīng)變傳感器(振弦式或光纖光柵式或者兩 種類型均采用)粘貼在護(hù)盾內(nèi)表面(環(huán)向應(yīng)變傳感器6、縱向應(yīng)變傳感器7)，將傳感器電纜線 8集中合并成股與讀數(shù)儀或通用數(shù)據(jù)采集儀DataTaker連接，實(shí)時(shí)連續(xù)的讀取數(shù)據(jù)，將第i測(cè) 點(diǎn)縱向應(yīng)變傳感器應(yīng)變讀數(shù)記為<、第i測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變傳感器應(yīng)變讀數(shù)記為4。認(rèn)為護(hù)盾在 屈服破壞前服從彈性變形規(guī)律，根據(jù)下列公式反算圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力：
[0071]
(14)
[0072] 式中4為第i測(cè)點(diǎn)測(cè)量出的縱向應(yīng)變，4為環(huán)向應(yīng)變;Pi'為第i測(cè)點(diǎn)處微元所受 的等效圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力;E為護(hù)盾彈模，μ為護(hù)盾泊松比。
[0073]則把拱頂同一測(cè)點(diǎn)處壓力盒測(cè)得的擠壓力Pi與應(yīng)變反算得出的等效擠壓力？:'進(jìn) 行比較驗(yàn)證，兩者之間的系數(shù)記為k:
[0074]
(15)
[0075] 則護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變其他測(cè)點(diǎn)(第i測(cè)點(diǎn))處對(duì)應(yīng)的護(hù)盾外表面所受擠壓力PA:
[0076] Pi = kPi， (16)
[0077] 第二，根據(jù)測(cè)試出的圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力分布規(guī)律，根據(jù)卡機(jī)觸發(fā)條件可以得出圍 巖與護(hù)盾接觸起點(diǎn)，計(jì)算圍巖對(duì)護(hù)盾總摩阻力Rf:
[0078]
(17)
[0079] 式中：Rf為護(hù)盾所受總摩阻力，j為縱向上監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的序號(hào)（」=1，2,3 - 10)4為圍 巖與護(hù)盾間的摩擦系數(shù)，PA環(huán)向第i測(cè)點(diǎn)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力（1 = 1，2,3~8)，？1+1為第（1+ 1)測(cè)點(diǎn)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力，W為TBM自重，Rs為護(hù)盾內(nèi)徑，cti為第i測(cè)點(diǎn)與第（i+Ι)測(cè)點(diǎn)間對(duì)應(yīng) 的圓心角。
[0080] 本實(shí)施例中，將第i測(cè)點(diǎn)與第(i+Ι)測(cè)點(diǎn)即相鄰的護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和護(hù)盾外表 面測(cè)點(diǎn)等間距布置，則對(duì)應(yīng)的圓心角為：
[0081] ai = 22.5° (18)
[0082] 將式(18)代入式(17)，得：
[0083]
[0084]第三，根據(jù)卡機(jī)狀態(tài)判別準(zhǔn)則判斷TBM護(hù)盾是否被卡，以及識(shí)別卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，對(duì) 卡機(jī)事故進(jìn)行預(yù)警。
[0085] Fr = Rf (20)
[0086]
[0087]式中:Fb為TBM機(jī)器正常連續(xù)掘進(jìn)開挖所需推力、FATBM推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的額定 推力。
[0088]此外，還可計(jì)算出TBM卡機(jī)的安全系數(shù)1，見式（13)。根據(jù)計(jì)算得出的卡機(jī)安全系 數(shù)1進(jìn)行卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析，詳見表1。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種圍巖與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾相互作用過程監(jiān)測(cè)方法，其步驟是： (1)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力監(jiān)測(cè)：采用護(hù)盾外表面安裝壓力盒直接測(cè)量和護(hù)盾內(nèi)表面安裝 表面應(yīng)變傳感器間接測(cè)量相結(jié)合： ① 護(hù)盾外表面安裝壓力盒直接測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力： 利用壓力盒的壓力觸頭直接測(cè)量該測(cè)點(diǎn)處圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓力，將壓力盒安裝固定在 護(hù)盾外表面測(cè)量圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力，制作一上端留有凹槽和刻有螺紋的杯形底座，現(xiàn)場(chǎng)測(cè) 試時(shí)將杯形底座底部焊接在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾外表面上，用于放置壓力傳感器和將傳 感器固定到被測(cè)物體全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾外表面上，并在監(jiān)測(cè)測(cè)試時(shí)起到抵抗全斷面隧 道掘進(jìn)機(jī)前移時(shí)圍巖與傳感器接觸后的剪切力，安裝時(shí)待該底座焊接冷卻后將壓力傳感器 放入這一杯形底座中，將傳感器電纜線從杯形底座上端凹槽中引出，在電纜線周圍敷設(shè)柔 性鋼環(huán)護(hù)線套管用于保護(hù)電纜線以免在護(hù)盾前移時(shí)被接觸上的巖石擠壓、磨損，將壓力盒 布置成陣列式測(cè)試圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力分布:在護(hù)盾外表面拱頂、左右兩肩和左右兩幫共五 排、每排十個(gè)安裝壓力盒，將護(hù)盾外表面所有壓力盒電纜線集中合并成股引入護(hù)盾內(nèi)，電纜 線保護(hù)套管采用AB膠與護(hù)盾外表面鋼殼粘結(jié)牢固，在護(hù)盾外表面組成一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)試圍巖對(duì) 護(hù)盾擠壓力的陣列式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，將引入護(hù)盾內(nèi)空間的電纜線接入數(shù)據(jù)采集儀，讀取數(shù)據(jù)，記 第i個(gè)壓力盒測(cè)量出的擠壓力為Pi。； ② 護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變測(cè)試，反算圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力： 在護(hù)盾內(nèi)表面拱頂、左右兩肩和左右兩幫共五排、每排十個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝表面應(yīng)變傳感器， 每一測(cè)點(diǎn)環(huán)向和縱向均安裝一個(gè)應(yīng)變傳感器，縱向傳感器用于測(cè)試護(hù)盾縱向應(yīng)變~'環(huán)向 應(yīng)變傳感器用于測(cè)試護(hù)盾環(huán)向應(yīng)變?chǔ)纽龋瑴y(cè)量第i測(cè)點(diǎn)處縱向和環(huán)向兩個(gè)方向的應(yīng)變 <和4， 計(jì)算得到這一測(cè)點(diǎn)處圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓力:其中： <為第i測(cè)點(diǎn)微元縱向應(yīng)變，4為第i測(cè)點(diǎn)微元環(huán)向應(yīng)變; <為第i測(cè)點(diǎn)微元縱向應(yīng) 力;4為第i測(cè)點(diǎn)微元環(huán)向應(yīng)力，Pl'為第i測(cè)點(diǎn)微元所受的等效圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力;E為護(hù)盾 彈模，μ為護(hù)盾泊松比； 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾在縱向上兩端沒有約束，設(shè)每一測(cè)點(diǎn)處縱向應(yīng)力<=(>，上式 (1)、（2)寫成： 解得：在拱頂處同時(shí)在外表面安裝壓力盒和在內(nèi)表面安裝軸向、環(huán)向表面應(yīng)變傳感器，把拱 頂同一測(cè)點(diǎn)處壓力盒測(cè)得的擠壓力Pi與護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變反算得出的等效擠壓力Pi'進(jìn)行比 較驗(yàn)證，兩者之間的系數(shù)記為k:護(hù)盾內(nèi)其他應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處符合同樣的比例，護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變第i測(cè)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的護(hù)盾外表 面所受擠壓力PiS: Pi = kPi' (8) (2) 通過測(cè)量得到的擠壓力分布規(guī)律計(jì)算護(hù)盾所受摩阻力： 測(cè)點(diǎn)間距離近，相鄰測(cè)點(diǎn)間的擠壓力服從線性分布，將護(hù)盾上下兩半形狀、受力狀態(tài)視 為對(duì)稱，得到每一環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的因圍巖擠壓力產(chǎn)生的護(hù)盾所受摩阻力式中：Δ/?,'為第j環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的護(hù)盾所受摩阻力（」=1，2,3-10)4為圍巖與護(hù)盾間 的摩擦系數(shù)，ΡΛ環(huán)向第i測(cè)點(diǎn)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓力，P1+1為環(huán)向第(i+Ι)測(cè)點(diǎn)圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓 力，L為第i測(cè)點(diǎn)與第(i+Ι)測(cè)點(diǎn)間的弦長(zhǎng)，RS為護(hù)盾內(nèi)徑，αι為第i測(cè)點(diǎn)與第(i+Ι)測(cè)點(diǎn)間對(duì)應(yīng) 的圓心角，Δ 1為縱向上相鄰兩測(cè)點(diǎn)之間的間距； 將所每環(huán)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算得到的摩阻力相加再加上因全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)自重產(chǎn)生的摩 阻力，得到護(hù)盾所受的總摩阻力Rf: J A. J-J. l_」. 式中:Rf為護(hù)盾所受總摩阻力，W為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)自重，j為縱向上監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的序號(hào)； (3) 通過卡機(jī)狀態(tài)判別準(zhǔn)則，依據(jù)測(cè)試計(jì)算出的護(hù)盾所受摩阻力和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) 推進(jìn)系統(tǒng)提供的推力大小，計(jì)算卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和預(yù)測(cè)判斷卡機(jī)，卡機(jī)狀態(tài)判別為：式中:Fb為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)機(jī)器正常連續(xù)掘進(jìn)開挖推力，內(nèi)為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)推進(jìn) 系統(tǒng)所提供的額定推力;Fr為克服護(hù)盾所受摩阻力所需要的推力，等于護(hù)盾所受摩阻力： Fr = Rf (12) 據(jù)此判別全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾被卡； 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Ks定義為：式中:Ff為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)前移所需要的總推力； 計(jì)算卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，進(jìn)行卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大小將全斷面隧道掘 進(jìn)機(jī)卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)劃分為四級(jí):不卡機(jī)(Ks〈l)、輕微卡機(jī)（1<KS〈1.2)、嚴(yán)重卡機(jī)（1.2<K S〈1.5) 和非常嚴(yán)重卡機(jī)(Ks> 1.5)。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK105952465SQ201610361371
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】黃興, 劉泉聲, 彭星新, 張曉平, 張建明, 張曉波, 趙怡凡
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所