微型TBM掘進(jìn)狀態(tài)及護(hù)盾壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)研制

王雅文

（盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了大量深埋隧道工程，涉及鐵路、公路、引水、采礦、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，如大瑞鐵路高黎貢山隧道、川藏鐵路色季拉山隧道、引漢濟(jì)渭供水隧洞等工程，巖石硬度高達(dá)200 MPa，隧道埋深最大超過(guò)2 000 m，工程技術(shù)難度世界罕見(jiàn)[1-4]。隨著埋深的增加，地應(yīng)力也將逐步增加，開(kāi)挖卸荷引發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)，造成大量的人員傷亡、機(jī)械損害、工期延誤和重大經(jīng)濟(jì)損失，且動(dòng)力災(zāi)害的危害性隨著埋深和應(yīng)力的增加而顯著增大，錦屏隧洞巖爆造成7人死亡，上億元的設(shè)備報(bào)廢[5-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究隧道動(dòng)力災(zāi)害的方式主要有室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等方法。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)只是針對(duì)巖石本身的力學(xué)特性進(jìn)行研究，不能真實(shí)有效地反映TBM掘進(jìn)動(dòng)態(tài)邊界條件。數(shù)值模擬隧道可對(duì)TBM施工邊界條件進(jìn)行模擬，但是受分析方法和計(jì)算內(nèi)核的準(zhǔn)確性制約，分析結(jié)果的可靠性較低。因此，針對(duì)深埋隧道施工有必要開(kāi)展工程前TBM掘進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)。

目前，我國(guó)盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等單位都開(kāi)發(fā)了針對(duì)刀具破巖研究的物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要研究如何實(shí)現(xiàn)刀具高效破巖問(wèn)題，而不能模擬TBM掘進(jìn)狀態(tài)[8-11]。因此，有必要研發(fā)一套能夠模擬工程TBM掘進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)對(duì)刀盤(pán)、撐靴、護(hù)盾應(yīng)力的影響。本文主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)用微型巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 設(shè)備綜述

微型巖石掘進(jìn)機(jī)包含刀盤(pán)系統(tǒng)、護(hù)盾系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、水平支撐及撐靴、刀盤(pán)動(dòng)力系統(tǒng)、巖渣處理裝置、機(jī)架、計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，用于室內(nèi)模擬TBM開(kāi)挖過(guò)程，監(jiān)測(cè)刀盤(pán)推力、扭矩、轉(zhuǎn)速、貫入度、護(hù)盾接觸力、撐靴壓力等因素對(duì)巖爆的影響。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體參數(shù)

3 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)部分主要由刀盤(pán)、護(hù)盾、二級(jí)推進(jìn)油缸、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、撐靴、減速機(jī)、后推進(jìn)油缸等關(guān)鍵部件組成，如圖1所示。

圖1 微型巖石掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.1 刀盤(pán)系統(tǒng)

刀盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑為200 mm，采用鑲嵌硬質(zhì)合金頭或者碳化鎢材料的刀具，對(duì)巖樣進(jìn)行切削代替滾刀滾動(dòng)破巖。TBM刀盤(pán)結(jié)構(gòu)采用三受力臂結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)合金柱焊接在每根臂上，刀具軌跡如圖2所示。采用三臂結(jié)構(gòu)出渣非常方便，最大限度地避免了二次磨損。刀盤(pán)中間部位留有噴水孔（見(jiàn)圖3）。刀盤(pán)采用模塊化設(shè)計(jì)，為獨(dú)立構(gòu)件，與旋轉(zhuǎn)軸連接采用螺紋，便于刀盤(pán)更換與維修。

3.2 護(hù)盾系統(tǒng)

護(hù)盾位于刀盤(pán)后面，為圓筒體結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)微型TBM內(nèi)部設(shè)備及維持巖壁穩(wěn)定，與刀盤(pán)一起向前移動(dòng)，如圖4所示。護(hù)盾通過(guò)一對(duì)圓錐滾子軸承安裝在推進(jìn)軸上。工作過(guò)程中，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削巖層，切下的巖粉通過(guò)護(hù)盾下凹槽流出。為方便測(cè)試巖爆情況下護(hù)盾受到的沖擊情況，在護(hù)盾內(nèi)壁布置4個(gè)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2 刀具軌跡圖

圖3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

圖4 護(hù)盾及推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 推進(jìn)系統(tǒng)

微型TBM實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用液壓推進(jìn)形式。推進(jìn)油缸為圓柱空心油缸，油缸活塞環(huán)與護(hù)盾連接，缸體與水平支撐系統(tǒng)連接，如圖4所示。系統(tǒng)推進(jìn)力可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，目前結(jié)構(gòu)推力配置最大可達(dá)20 t。

3.4 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸、軸承、聯(lián)軸器、導(dǎo)向柱、機(jī)架、控制系統(tǒng)等組成。控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，對(duì)轉(zhuǎn)速、扭矩可以實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.5 水平支撐、撐靴及后支撐

水平支撐由4根微型油缸組成，分為上下2組，每組2根油缸（見(jiàn)圖4）。水平支撐將撐靴推壓到隧洞巖壁上，為推進(jìn)系統(tǒng)提供摩擦力。支撐力根據(jù)撐靴支撐面情況確定，初步按巖塊可承壓3 MPa計(jì)算。撐靴為左右水平對(duì)稱(chēng)布置，其外圓弧直徑與開(kāi)挖直徑一致，撐靴板設(shè)置增加摩擦的環(huán)形突起。兩個(gè)撐靴內(nèi)側(cè)布置多個(gè)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)掘進(jìn)過(guò)程中撐靴應(yīng)力應(yīng)變狀況實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，3個(gè)滾輪壓在隧道壁上，TBM換步時(shí)后支撐起支撐TBM主梁的作用，采用固定式結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

微型巖石掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集包含推進(jìn)速度、推力、刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)距離。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器、編碼器組成精確可控的、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

微型巖石掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送設(shè)定的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)反饋到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)與編碼器反饋的信號(hào)比較，來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，從而精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度。

應(yīng)力應(yīng)變采集包含護(hù)盾應(yīng)力應(yīng)變采集和撐靴應(yīng)力應(yīng)變采集。應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試采用電阻應(yīng)變測(cè)試方法，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。將電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)構(gòu)件（護(hù)盾和支撐盾內(nèi)表面）表面，試驗(yàn)時(shí)，由于護(hù)盾受力發(fā)生變形，應(yīng)變片隨著護(hù)盾一起變形，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過(guò)電阻應(yīng)變儀，可測(cè)試出應(yīng)變片的阻值變化，并換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號(hào)（電壓或電流）。工作過(guò)程為：應(yīng)變—阻值變化—電壓（或電流）變化—放大—記錄—數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：INV1861A動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、應(yīng)變片、INV3060A數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)。測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片貼附在護(hù)盾、撐靴表面。粘貼應(yīng)變片時(shí)注意應(yīng)變片阻值的檢測(cè)、應(yīng)變片定位。

5 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)闡述了室內(nèi)微型巖石掘進(jìn)機(jī)各關(guān)鍵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)空間組成，實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)TBM掘進(jìn)工作模式相近的掘進(jìn)工藝，可以采集TBM推力、扭矩、轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度和掘進(jìn)距離等掘進(jìn)狀態(tài)指標(biāo)。同時(shí)，應(yīng)用了動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了護(hù)盾外圍壓力和撐靴壓力實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，可開(kāi)展高地應(yīng)力各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下TBM掘進(jìn)性能測(cè)試、高地應(yīng)力巖爆作用下TBM與圍巖之間的力學(xué)響應(yīng)和相似材料軟巖大變形TBM開(kāi)挖測(cè)試等工作，可為T(mén)BM實(shí)際掘進(jìn)性能和卡機(jī)狀態(tài)的評(píng)估提供充分的科學(xué)依據(jù)。