CN113008157A - 隧道掘进机护盾内表面变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，包括：①在护盾内表面标记监测点，其呈多组分布在护盾中后部，每组监测点均沿护盾横截面进行环向设置，且位于护盾顶部的监测点分布密度大于护盾两侧的监测点分布密度②在每一监测点安装一组光学应变片，每组光学应变片均包括沿护盾轴向设置的第一应变片和沿护盾环向设置的第二应变片③在护盾内安装应变数据采集仪和上位机四④在施工现场监控室安装数据处理机⑤进行数据分析，推算围岩与护盾之间的作用力大小，并据此预判隧道掘进机的掘进状态、卡机位置，以此降低卡机风险。本发明通过光学应变片监测护盾内表面变形，从而达到预判TBM掘进状态和卡机位置、降低卡机风险的目的。

Description

隧道掘进机护盾内表面变形监测方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进机技术领域，尤其是涉及一种隧道掘进机护盾内表面变形监测方法。

背景技术

隧道掘进机（以下简称TBM）掘进过程中，围岩容易发生过大的变形导致TBM卡机。卡机事故严重影响工程进度，危及设备和工作人员的安全，是目前TBM掘进过程中主要面临的技术难题之一。TBM掘进过程中卡机事故主要表现为卡刀盘、卡护盾、姿态偏差等三种类型，对于双护盾TBM和单护盾TBM而言，护盾被卡是主要的其卡机原因。受TBM开挖扰动，洞壁围岩会发生整体收敛、局部大变形、围岩蠕变等径向变形，当变形量超过超挖预留的空隙之后，围岩挤压护盾，导致护盾所受摩擦阻力增大，摩擦阻力增大到一定程度就会造成卡机事故。对于带护盾的TBM而言，施工过程中无法直接观测护盾外部围岩与护盾相互作用情况，因而难以对掘进机状态和卡机状态作出准确判断，导致卡机事故难预测、难处理，一定程度上增大了卡机事故所带来的危害。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种实施方便、检测精准的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，具体可采取如下技术方案：

本发明所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，包括如下步骤：

第一步，在护盾内表面合理选定监测点的位置，并进行标记，所述监测点呈多组分布在护盾中后部，每组监测点均沿护盾横截面进行环向设置，且位于护盾顶部的监测点分布密度大于护盾两侧的监测点分布密度；

第二步，在步骤一标记的每一监测点分别安装一组光学应变片，每组光学应变片均包括沿护盾轴向设置的第一应变片和沿护盾环向设置的第二应变片；

第三步，在护盾内安装应变数据采集仪和上位机，将每组光学应变片采集的信号通过应变数据采集仪传输至上位机，用以自动、实时监测护盾应变，并将监测数据及时储存；

第四步，在施工现场监控室安装数据处理机，通过互联网连通上位机和数据处理机，用以自动下载护盾应变监测数据并将其上传至云盘；

第五步，根据下载的护盾应变监测数据，利用弹性力学方法或有限元方法进行数据分析，推算围岩与护盾之间的作用力大小，并据此预判隧道掘进机的掘进状态、卡机位置，以此降低卡机风险。

每组所述监测点沿隧道掘进机的中心面左右对称布置。

每一所述监测点均与其前侧和/或后侧的监测点同轴设置。

位于护盾顶面半圆上的同组所述监测点相互间隔30°设置。

位于护盾底面半圆上的所述监测点为两个，其与水平面的夹角均为45°。

位于护盾底面半圆上的所述监测点以45°夹角设置为三个。

本发明提供的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，通过安装在护盾内表面的光学应变片监测护盾内表面变形，利用弹性力学方法或有限元方法对监测数据进行分析，计算围岩与护盾相互作用力大小，从而达到预判TBM掘进状态和卡机位置、降低卡机风险的目的。

附图说明

图1是本发明实施例中护盾内表面的监测点位置分布图。

图2是图1中每一监测点的光学应变片安装位置示意图。

图3是本发明中的检测数据传输线路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1-3所示，本发明所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，包括如下步骤：

第一步，在护盾内表面合理选定监测点的位置，并进行标记。

选择监测点位置应遵循以下原则：①使其分布在TBM正常掘进过程中不易受施工破坏的位置；②为了尽可能准确地推算出围岩与护盾的相互作用力，确保根据应变监测数据推算得到的TBM受力情况尽可能符合实际受力情况，监测点附近一定范围内的护盾内壁上应没有其他可能改变护盾刚度的结构或部件，并在条件允许的前提下尽量布置更多的监测点；③鉴于卡机部位多发生在护盾的中、后部，因此监测点应尽可能布置在护盾内表面的中、后部，且采用相同的布置方式在多个断面上进行布置；④鉴于护盾被卡主要与中上部围岩与护盾的相互接触有关，监测点应主要布置在护盾掘进断面的中、上部位，要求监测点面向掘进方向左右应对称布置，同时，在护盾下部亦需布置少量监测点。

在本实施例中，监测点呈多组分布在护盾中后部，每组监测点均沿护盾横截面进行环向设置，且同组监测点位于护盾顶部的分布密度大于护盾两侧的分布密度。具体如图1所示的一组监测点，其包括九个监测点，1-7号监测点相互间隔30°均匀分布在护盾顶面半圆上，8、9号监测点则分别与1、7号监测点呈45°分布在护盾底面半圆上。除此之外，在现场情况允许的情况下，还可以在8、9号监测点之间再设置一监测点。特别是对于特大直径的护盾，需根据实际情况沿护盾圆周增加监测点的总数。上述分布在其余横截面上的监测点尽量与上述监测点的位置相对应，即每一监测点均与其前侧和/或后侧的监测点同轴设置。

第二步，在步骤一标记的每一监测点分别安装一组光学应变片，每组光学应变片均包括沿护盾轴向设置的第一应变片a和沿护盾环向设置的第二应变片b（见图2）。上述光学应变片采用不超过4-9 微米直径的布拉格光栅玻璃纤维制造，相比于普通电阻式应变片，其具有可测应变大、适应高震动环镜、接线少等优势。在本发明中，其分别按照护盾轴向和环向进行安装，用以测定TBM掘进过程中护盾实时应变值。

具体地，首先在安装光学应变片之前对护盾内表面进行清洗，保证内表面光滑、洁净；其次，在安装之前对光学应变片进行检查，检查无误后方可在每个监测点安装轴向第一应变片a和环向第二应变片b，第一应变片a用于监测轴向应变，第二应变片b用于监测环向应变。需要注意的是，每次测量前均应测量光学应变片的初始读数。

第三步，在护盾内安装应变数据采集仪和上位机，将每组光学应变片采集的信号通过应变数据采集仪传输至上位机，用以自动、实时监测护盾应变，并将监测数据及时储存。

具体地，在光学应变片安装完毕后，在TBM内合适位置安装应变数据采集仪，要求应变数据采集仪与应变片距离较近，同时要求其位置较为隐秘安全，不影响TBM正常施工，且不易受TBM施工破坏，将其接通电源，为保证供电稳定，应采用TBM内照明电源为其供电。之后，采用数据传输线连通光学应变片和应变数据采集仪，每条数据传输线的两端均应标记，保证光学应变片监测位置与应变数据采集仪上数据采集通道一一对应。上述数据传输线路通常沿着TBM原有管线敷设，并区别于其他管线，保证数据传输线隐秘、安全、方便检修。在TBM内部隐秘安全处还安装用于控制应变数据采集仪进行数据测量的上位机（简称TBM内电脑），该上位机通过数据线与应变数据采集仪连通，并与TBM内网连通。

第四步，在施工现场监控室安装数据处理机（简称现场监控室电脑），其能够通过互联网与上位机所在的TBM内网进行数据互通。通常情况下，洞内的上位机应顺利控制应变数据采集仪每隔一段时间自动采集一次应变数据并储存数据，而洞外的数据处理机则能够顺利访问上位机，并将其采集的数据下载至本机（即数据处理机）并上传至云盘。

第五步，光学应变片、应变数据采集仪、上位机和数据处理机组成的***可自动实时采集、储存并上传数据，研究人员可远程下载、分析监测数据，利用弹性力学方法或有限元方法对数据进行分析，推算围岩与护盾相互作用力大小，根据分析结果并结合现场施工情况可预判TBM掘进机状态、判断卡机位置、降低卡机风险。

大量理论研究和工程实例都表明，护盾被卡主要跟围岩的过大变形挤压护盾有关，高地应力、围岩完整性差、围岩软弱等都可能导致围岩过大的变形。施工过程中难以直接监测围岩的变形情况，但可以通过监测护盾变形情况来反推护盾与围岩与护盾相互作用，从而间接得到围岩与护盾相互作用力大小。本发明所涉及的护盾为环形钢制圆筒，其厚度相比于护盾直径而言非常小，在外部围岩挤压作用下发生弹性变形，可近似看作薄壁圆筒模型。围岩与护盾之间的作用力主要为径向荷载，局部可简化为薄板模型，通过测量护盾内壁轴向和环向应变，鉴于在弹性限度内护盾应变与应力存在一一对应关系，据此可利用弹性力学方法或有限元方法推算出局部围岩压力，对整个护盾的挤压应力进行累计求和，可以近似求出护盾所受围岩挤压应力，用所求得的围岩挤压应力乘以围岩与护盾之间的摩擦系数，即可求得护盾所受摩擦阻力。根据计算结果，我们可以预判TBM掘进状态；在围岩压力增大的时候，通过选择合适的掘进方式，在一定程度上可以降低卡机风险；在卡机发生后，通过分析护盾受力情况，可以判断主要卡机位置，推测卡机原因，指导卡机事故处理，从而降低卡机事故造成的损失。

需要说明的是，在本发明的描述中，诸如“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，在护盾内表面合理选定监测点的位置，并进行标记，所述监测点呈多组分布在护盾中后部，每组监测点均沿护盾横截面进行环向设置，且位于护盾顶部的监测点分布密度大于护盾两侧的监测点分布密度；

第二步，在步骤一标记的每一监测点分别安装一组光学应变片，每组光学应变片均包括沿护盾轴向设置的第一应变片和沿护盾环向设置的第二应变片；

第三步，在护盾内安装应变数据采集仪和上位机，将每组光学应变片采集的信号通过应变数据采集仪传输至上位机，用以自动、实时监测护盾应变，并将监测数据及时储存；

第四步，在施工现场监控室安装数据处理机，通过互联网连通上位机和数据处理机，用以自动下载护盾应变监测数据并将其上传至云盘；

第五步，根据下载的护盾应变监测数据，利用弹性力学方法或有限元方法进行数据分析，推算围岩与护盾之间的作用力大小，并据此预判隧道掘进机的掘进状态、卡机位置，以此降低卡机风险。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，其特征在于：每组所述监测点沿隧道掘进机的中心面左右对称布置。

3.根据权利要求1所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，其特征在于：每一所述监测点均与其前侧和/或后侧的监测点同轴设置。

4.根据权利要求1所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，其特征在于：位于护盾顶面半圆上的同组所述监测点相互间隔30°设置。

5.根据权利要求4所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，其特征在于：位于护盾底面半圆上的所述监测点为两个，其与水平面的夹角均为45°。

6.根据权利要求4所述的隧道掘进机护盾内表面变形监测方法，其特征在于：位于护盾底面半圆上的所述监测点以45°夹角设置为三个。

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