盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，特别是涉及盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置。

背景技术

盾构是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，在城市隧道的建设中得到越来越广泛的应用。然而，盾构在砂卵石地层中掘进时，由于卵石颗粒特性、刀盘刀具导流特性、排碴性能等原因经常造成渣土不能随时排出或滞后排出，导致切削下来的卵石滞留在刀盘前方或盾构土舱内，形成渣土滞排现象。滞排对盾构施工会造成较大的不利影响，一方面会造成盾构机的机械损坏，例如刀盘刀具的磨损、螺旋机过度磨损等；另一方面滞排会造成盾构掘进困难、超挖严重、沉降难以控制，甚至造成塌陷等。究其原因，上述滞排现象可归结为盾构刀盘选型和刀具设计与地层适应性问题。盾构掘进是刀盘刀具与土体相互作用的过程，虽然现有的研究表明刀盘刀具的导流性是影响盾构掘进效率的关键，但对于卵石颗粒从地层脱离后的运动特征尚不清楚，且尚无有效的技术手段可以直接观测到盾构掘进过程中卵石颗粒的运移姿态。为了更好地理解刀盘刀具和土体相互作用规律，提高刀盘刀具对渣土的导流性，有必要对盾构掘削过程中卵石颗粒的沉积运移规律进行深入研究和分析，进而为盾构刀盘结构设计、刀具布置及土舱结构设计提供更好的理论依据，最终实现盾构安全、高效、长距离掘进。

通过对现有技术的文献检索发现，现有的成果大多从理论和数值模拟的角度进行研究，而以往模型盾构试验装置也无法直接观测到盾构刀盘前方及盾构土舱内土体的沉积运移规律与流动特性。其中，同济大学的发明专利（申请公布号CN 104914007 A）：单圆盾构土舱渣土流动特性可视化观测试验系统及方法。该发明专利虽然通过工业化相机直接观测盾构掘进系统内的透明土流动，仍然没有从根本上解决岩土材料内部的不透明性及不可预见性，对于揭示岩土材料在机械作用下其内部颗粒运移规律有很大的局限性。究其原因，一方面透明土与真实土样的性质有较大差异，另一方面该发明专利并未从颗粒运移特性方面揭示盾构掘削过程中卵石颗粒的沉积运移规律及流动特性。

因此，亟需提供一种新的技术方案及试验装置解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种对于卵石颗粒从地层脱离后的运动特征尚不清楚，且尚无有效的技术手段可以直接观测到盾构掘进过程中卵石颗粒的运移姿态以及掘削过程中卵石颗粒的沉积运移规律及流动特性的盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置。

本发明的技术方案是：一种盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，包括模型土箱、缩尺土压平衡盾构掘进系统、磁定位系统和支撑系统，

所述模型土箱、缩尺土压平衡盾构掘进系统相对布置、且均滑动安装在所述支撑系统上并可锁定，

所述模型土箱为两端端部开口的、且中通的筒状结构，所述模型土箱内套设置有加载板，用于滑动密封所述模型土箱的一端端部开口，

所述加载板的一端面连接有伸缩结构，该伸缩结构延伸出所述模型土箱内，并安装在所述支撑系统上，

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分置于所述模型土箱内，用于旋转切削试验土样，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的隔板的部分用于盾构掘进过程中内套在所述模型土箱的另一端端部开口并密封，

所述加载板与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成预加装试验土样以及模拟监测盾构掘进过程中试验土样运动轨迹的加装空间，以掌握盾构掘进过程中试验土样在加装空间内的沉积运移规律，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成模拟盾构的盾构土舱，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分掘进后的试验土样被导引到所述盾构土舱；

其中，所述磁定位系统包括固定监测部分和活动监测部分，所述固定监测部分安装在所述模型土箱外周上，所述活动监测部分随机放置在所述加装空间内；

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分还设置有螺旋输送机，用于将盾构土舱内的试验土样排出所述模型土箱。

在进一步的技术方案中，所述模型土箱的底部通过滑动部件在所述支撑系统上滑动及锁定；

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统通过水平支撑板在所述支撑系统上滑动及锁定，

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统包括刀盘、隔板、螺旋输送机、传动轴、扭矩传感器和刀盘驱动电机，所述传动轴和刀盘驱动电机分别通过传动轴支座、刀盘驱动电机固定支座固定在所述水平支撑板上，所述传动轴的一端与所述刀盘驱动电机连接，另一端与所述刀盘连接，所述刀盘与所述传动轴支座之间的传动轴上设置有隔板，所述传动轴支座与所述刀盘驱动电机固定支座之间的传动轴上设置有扭矩传感器；所述刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板的直径与模型土箱的外径一致，所述隔板周边设有密封垫圈，所述隔板上固定螺旋输送机的输入端，所述螺旋输送机通过固定支座固定在所述水平支撑板上，所述螺旋输送机的轴线与所述传动轴的轴线平行；

所述磁定位系统包括永磁体、磁传感器阵列、数据采集器、数据处理器，所述磁传感器阵列用于接收永磁体发出的磁场信号并将其转变为电信号，所述数据采集器负责磁传感器通道选择和队列式的数据存储及读取；

所述数据处理器包括PC机以及上位机软件，用于对数据采集器采集到的数据进行处理，以及执行永磁体位姿求解算法（采用现有成熟的算法即可实现永磁体位姿求解），从而计算分析出定位点的位置和姿态信息；同时，在PC机上实时显示出当前永磁体的位置与方向，永磁体的运动轨迹和三维效果图；

所述模型土箱、刀盘、搅拌棒、加载板、隔板、传动轴均由无磁钢材料制成；

所述模型土箱的加装空间根据实际试验需求，加装对应的试验土样，并对试验土样分层填充并压实。

在进一步的技术方案中，所述支撑系统包括矩形框架底座和设置在该矩形框架底座上的导轨，所述伸缩结构为千斤顶，所述千斤顶通过千斤顶固定支座安装在矩形框架底座上，所述滑动部件、所述水平支撑板均通过滑块与所述矩形框架底座滑动连接及锁定。

在进一步的技术方案中，所述加载板和隔板上均安装有土压力盒，用于测定盾构掘进过程中所述刀盘前方的加装空间的土压力及盾构土舱的土压力，所述扭矩传感器用于获取盾构掘进过程中盾构刀盘掘削试验土样时的扭矩，所述加载板上安装有拉线式位移计，用于实时测量千斤顶的顶出位移，进而控制模型土箱内试验土样向刀盘的移动速度。

在进一步的技术方案中，所述刀盘与传动轴连接，刀盘可自由拆卸，刀盘形式包括辐条式、辐板式和面板式，刀盘正面可根据实际盾构掘进需求安装各类刀具。

在进一步的技术方案中，所述刀盘包括刀盘面板、辐条、切刀、先行刀和中心鱼尾刀；所述辐条两侧和辐条上面均安装有先行刀。

在进一步的技术方案中，所述磁传感器阵列包括块主控制电路板和块子电路板；

所述主控制电路板上主要集成有10个磁传感器，2个通信芯片，1个数据采集卡，磁传感器之间的间距设置为2cm；所述子电路板上主要集成有10个磁传感器，1个通信芯片，1个数据采集卡，磁传感器之间的间距设置为2cm，所述磁传感器为三轴磁传感器。

在进一步的技术方案中，通过改变刀盘转速、螺旋输送机转速、刀盘结构形式、刀具类型、刀具布置方式、土体类型从而获得不同工况下刀盘前方及盾构土舱内土体的沉积运移规律。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，该装置结构简单、安装及拆卸方便；该装置结合磁定位技术，能够实现盾构掘进过程中刀盘前方（加装空间）及盾构土舱内土体运动过程的可视化，直接观测盾构掘进过程中卵石颗粒的运动轨迹，掌握盾构掘进过程中土体的沉积运移规律，为盾构刀盘结构设计、刀具布置及土舱结构设计提供更好的理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例1中所述盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置的整体结构立体示意图。

图2是本发明实施例1中所述模型土箱外周磁传感器阵列布置立体图。

图3是本发明实施例1中所述刀盘的立体示意图；其中，图3a是辐板式刀盘，图3b为辐条式刀盘。

图4是本发明实施例1中所述加载板以及所述隔板安装土压力盒的位置示意图；其中，图4a是隔板上土压力盒安装位置，图4b为加载板上土压力盒安装位。

图5是本发明实施例1中螺旋输送机立体示意图。

附图标记说明：

1、矩形框架底座，2、横梁支撑，3、模型土箱，4、把手，5、刀盘，6、搅拌棒，7、隔板，8、传动轴，9、传动轴支座，10、扭矩传感器，11、刀盘驱动电机，12、刀盘驱动电机固定支座，13、千斤顶，14、千斤顶固定支座，15、模型土箱支撑部件，16、模型土箱滑动部件，17、导轨，18、螺旋输送机，19、滑块，20、螺旋输送机驱动电机，21、螺旋输送机驱动电机固定支座，22、水平支撑板，23、扭矩传感器固定支座，24、磁传感器，25、切刀，26、中心鱼尾刀，27、先行刀，28、刀盘面板，29、辐条，30、土压力盒，31、隔板出土口，32、加载板，33、土压力盒，34、螺旋出土口，35、螺旋轴，36、螺旋叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

实施例1：

如图1-5所示，本发明提供一种盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，包括模型土箱、缩尺土压平衡盾构掘进系统、磁定位系统和支撑系统，

所述模型土箱、缩尺土压平衡盾构掘进系统相对布置、且均滑动安装在所述支撑系统上并可锁定，

所述模型土箱为两端端部开口的、且中通的筒状结构，所述模型土箱内套设置有加载板，用于滑动密封所述模型土箱的一端端部开口，

所述加载板的一端面连接有伸缩结构，该伸缩结构延伸出所述模型土箱内，并安装在所述支撑系统上，

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分置于所述模型土箱内，用于旋转切削试验土样，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的隔板的部分用于盾构掘进过程中内套在所述模型土箱的另一端端部开口并密封，

所述加载板与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成预加装试验土样以及模拟监测盾构掘进过程中试验土样运动轨迹的加装空间，以掌握盾构掘进过程中试验土样在加装空间内的沉积运移规律，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成模拟盾构的盾构土舱，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分掘进后的试验土样被导引到所述盾构土舱；

其中，所述磁定位系统包括固定监测部分和活动监测部分，所述固定监测部分安装在所述模型土箱外周上，所述活动监测部分随机放置在所述加装空间内；

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分还设置有螺旋输送机，用于将盾构土舱内的试验土样排出所述模型土箱。

在进一步的技术方案中，所述模型土箱的底部通过滑动部件在所述支撑系统上滑动及锁定；

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统通过水平支撑板在所述支撑系统上滑动及锁定，

所述缩尺土压平衡盾构掘进系统包括刀盘、隔板、螺旋输送机、传动轴、扭矩传感器和刀盘驱动电机，所述传动轴和刀盘驱动电机分别通过传动轴支座、刀盘驱动电机固定支座固定在所述水平支撑板上，所述传动轴的一端与所述刀盘驱动电机连接，另一端与所述刀盘连接，所述刀盘与所述传动轴支座之间的传动轴上设置有隔板，所述传动轴支座与所述刀盘驱动电机固定支座之间的传动轴上设置有扭矩传感器；所述刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板的直径与模型土箱的外径一致，所述隔板周边设有密封垫圈，所述隔板上固定螺旋输送机的输入端，所述螺旋输送机通过固定支座固定在所述水平支撑板上，所述螺旋输送机的轴线与所述传动轴的轴线平行；

所述磁定位系统包括永磁体、磁传感器阵列、数据采集器、数据处理器，所述磁传感器阵列用于接收永磁体发出的磁场信号并将其转变为电信号，所述数据采集器负责磁传感器通道选择和队列式的数据存储及读取；

所述数据处理器包括PC机以及上位机软件，用于对数据采集器采集到的数据进行处理，以及执行永磁体位姿求解算法，计算分析出定位点的位置和姿态信息；同时，在PC机上实时显示出当前永磁体的位置与方向，永磁体的运动轨迹和三维效果图（例如，接收到数据采集器采集到的数据，可以使用欧拉角或四元数来描述位姿，包括其位置和方向；接下来，通过使用传感器测量永磁体在传感器所在位置产生的磁感应强度，然后确定目标函数，目标函数通常试图最小化传感器测量值与理论模型计算值之间的差异；然后通过迭代计算和最小化目标函数等使用线性或非线性优化算法求解位姿；在迭代计算中，使用初始位姿，然后逐步更新它，直到找到最优解。可以使用非线性优化算法Levenberg–Marquardt算法更新位姿，最后，编写代码来实现上述算法，例如Python、MATLAB或C++。）；

所述模型土箱、刀盘、搅拌棒、加载板、隔板、传动轴均由无磁钢材料制成；

所述模型土箱的加装空间根据实际试验需求，加装对应的试验土样，并对试验土样分层填充并压实。

在进一步的技术方案中，所述支撑系统包括矩形框架底座和设置在该矩形框架底座上的导轨，所述伸缩结构为千斤顶，所述千斤顶通过千斤顶固定支座安装在矩形框架底座上，所述滑动部件、所述水平支撑板均通过滑块与所述矩形框架底座滑动连接及锁定。

在进一步的技术方案中，所述加载板和隔板上均安装有土压力盒，用于测定盾构掘进过程中所述刀盘前方的加装空间的土压力及盾构土舱的土压力，所述扭矩传感器用于获取盾构掘进过程中盾构刀盘掘削试验土样时的扭矩，所述加载板上安装有拉线式位移计，用于实时测量千斤顶的顶出位移，进而控制模型土箱内试验土样向刀盘的移动速度。

在进一步的技术方案中，所述刀盘与传动轴连接，刀盘可自由拆卸，刀盘形式包括辐条式、辐板式和面板式，刀盘正面可根据实际盾构掘进需求安装各类刀具。

在进一步的技术方案中，所述刀盘（为现有成熟的技术）包括刀盘面板、辐条、切刀、先行刀和中心鱼尾刀；所述辐条两侧和辐条上面均安装有先行刀。

在进一步的技术方案中，所述磁传感器阵列（为现有成熟的技术）包括1块块主控制电路板和11块块子电路板；

所述主控制电路板上主要集成有10个磁传感器，2个通信芯片，1个数据采集卡，磁传感器之间的间距设置为2cm；所述子电路板上主要集成有10个磁传感器，1个通信芯片，1个数据采集卡，磁传感器之间的间距设置为2cm，所述磁传感器为三轴磁传感器。

在进一步的技术方案中，通过改变刀盘转速、螺旋输送机转速、刀盘结构形式、刀具类型、刀具布置方式、土体类型从而获得不同工况下刀盘前方及盾构土舱内土体的沉积运移规律。

具体的是：

盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置包括：模型土箱3、模型土箱滑动部件16、模型土箱支撑部件15、把手4、加载板32、隔板7、刀盘5、磁传感器24、扭矩传感器10、土压力盒30/33、螺旋输送机18、刀盘驱动电机11、螺旋输送机驱动电机21、千斤顶13、传动轴8、水平支撑板22、传动轴支座9、扭矩传感器固定支座23、千斤顶固定支座14、刀盘驱动电机固定支座12、螺旋输送机驱动电机固定支座20、矩形框架底座1、导轨17、滑块19、横梁支撑2。

如图1所示，千斤顶固定支座14和模型土箱支撑部件15焊接在矩形框架底座1上，导轨17通过螺栓固定在矩形框架底座1上，千斤顶13通过螺栓与千斤顶固定支座14相连接；模型土箱3底部设有两个支撑部件，分别是模型土箱支撑部件15和模型土箱滑动部件16，模型土箱支撑部件15与导轨17上的滑块19焊接在一起，模型土箱3端部分别设有加载板32和隔板7，加载板32直径略小于模型土箱3内径，加载板32周边设置有密封垫圈。隔板7与传动轴8连接，且与刀盘5间隔一定距离，隔板5直径与模型土箱3外径相当，且隔板周边设有密封垫圈；隔板7上固定有螺旋输送机18，螺旋输送机18的螺旋伸出隔板适当距离（具体的距离，根据实际情况确定）。刀盘5与传动轴8连接，刀盘驱动电机11通过联轴器与传动轴8连接，刀盘5可自由拆卸，刀盘5上固定有搅拌棒6，刀盘5与模型土箱3内壁存在一定间隙（间隙的值，根据实际情况确定，其间隙通过现有成熟的密封件密封处理，以实现密封的同时，又能保证软接触，其密封后的强度能够保证试验空间内的土样不被挤压溢出）。传动轴8由传动轴支座9提供支撑，刀盘驱动电机11由刀盘驱动电机固定支座12固定，螺旋输送机驱动电机21由螺旋输送机固定支座20固定，传动轴支座9、刀盘驱动电机固定支座12、扭矩传感器固定支座23和螺旋输送机固定支座20通过螺栓固定在水平支撑板22上，水平支撑板22可在导轨17上自由滑动或固定。

具体地，采用上述盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置的工作过程为：

S1：根据地层性质要求，完成现场取土并配置土样；

S2：向右滑动水平支撑板22，使得整个缩尺土压平衡盾构掘进系统移出模型土箱3，根据试验时土样体积要求，由右至左分层填土并压实，同时分层填土并压实的过程中，将永磁体随机放入土体中，再将磁传感器24布置在模型土箱3外周；

S3：将磁传感器24通过数据线连接至PC端；

S4：向左滑动水平支撑板22，使得整个缩尺土压平衡盾构掘进系统进入到模型土箱3内，并使刀盘5送入模型土箱3内的预定位置，并通过现有成熟的技术固定住矩形框架底座1的导轨17分别与模型土箱滑动部件16之间、与水平支撑板22之间的位置。并将隔板7通过螺栓固定在模型土箱3端部开口位置处（隔板7与传动轴之间通过轴承等方式转动连接，保证隔板7在传动轴转动的过程中，保持不动。），此时，刀盘5与隔板7之间的空间即为盾构土舱；

S5：启动千斤顶13，使千斤顶活塞部分与加载板32连接；千斤顶13进行加压时加载板32向刀盘5一端移动，并挤压试验土样，同时刀盘5和螺旋输送机18开始转动，模拟盾构掘削土体过程，实现渣土（试验土样）从刀盘开口进入模拟盾构的盾构土舱并经过螺旋输送机18排出的全过程。试验过程中，磁传感器24能够实时接收永磁体发出的磁信号，通过磁传感器信号处理器得到电信号，并将该电信号所表示的运动物体的位置信息数据传输给数据处理器，最终在PC端得到永磁体的实时运动轨迹。

同时，根据试验需求，可以改变刀盘转速、螺旋输送机转速、刀盘结构形式、刀具类型、刀具布置方式、土体类型从而获得不同工况下刀盘前方及盾构土舱内土体的运动特性。（其中，刀盘转速、螺旋输送机转速、刀盘结构形式、刀具类型、刀具布置方式、土体类型均可以通过现有成熟的技术实现）。

实施例2：

本实施例2的其他结构与实施例1相同，不同之处在于，所述模型土箱的底部的模型土箱滑动部件与该模型土箱之间可以形成铰接连接，模型土箱可绕着模型土箱滑动部件转动，进一步使得所述模型土箱能够倾斜翻转，所述模型土箱的左端部向下倾斜，并被横梁支撑拖住，使模型土箱3端部（靠近加载板）竖直停靠在矩形框架中部横梁支撑上，并通过现有成熟的卡接方式临时固定。所述模型土箱的右端部向上倾斜，将模型土箱3翻转一定角度（例如，90°），以便于预加装试验土样。或者在模型土箱顶部设置有具备开闭功能的窗口，用于添加试验土样。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。