一种土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置及其应用

本发明属于土压平衡盾构，具体涉及一种土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置及其应用。

背景技术：

1、土压平衡盾构安全、高效掘进的一个重要因素为能否将刀盘开挖下来的渣土在盾构土舱内将其改良成一种“塑性流动状态”，以保证渣土能够在土舱内建立有效的平衡并顺畅排除渣土，同时避免盾构掘进过程中发生喷涌、结泥饼、刀盘堵塞及掌子面失稳等工程事故。总体而言，为满足盾构的正常施工，改良状态较好的渣土能够避免诸多盾构掘进过程中遇到的问题，不仅在一定程度上减少能耗，提高掘进效率，而且能够极大的减少盾构掘进对地层的扰动。

2、现有公开的技术中，评价参数较为单一，效率低下，大多只能在实验室内使用，实用性差，难以满足现场测定的需求，并且需要人工评定改良效果，难以实现自动化评价。

3、中国发明专利公开号为cn115718188a的一种盾构渣土改良综合评测试验装置及方法，包括：支撑部；渗透性测试部，设置于所述支撑部上，且所述渗透性测试部与供气部连通；土压加载部，设置于所述支撑部上，并用于向所述渗透性测试部施加压力；刀盘剪切驱动部，一部分设置于所述渗透性测试部内，用于对所述渗透性测试部内的试样进行搅拌，另一部分设置于所述支撑部上；推进部，设置于所述支撑部上，用于带动所述渗透性测试部上下移动；改良剂注入部，与所述刀盘剪切驱动部连接，并通过所述刀盘剪切驱动部向所述渗透性测试部输入改良剂。其对相关组件的测量精度和耐久性要求较高，且不能实现智能评估，需人工进行评价。

4、中国发明专利公开号为cn115754254a的一种渣土改良自动控制试验方法及装置，包括：在进行盾构机渣土改良前，对盾构机掘进土层的土壤进行渣土改良试验，所述渣土改良试验采用圆柱筒进行圆柱形坍落度试验；以所述圆柱形坍落度试验为基础构建渣土坍落度与渣土抗剪强度间的解析关系式；按照解析关系式进行渣土改良试验，通过变更改良剂的注入参数，得到渣土改良坍落度与改良剂添加量之间的关系，从而确定所述改良剂的最佳注入参数，将该最佳注入参数应用于盾构机施工。其相比实际盾构刀盘剪切渣土的效果做了大量简化，不能很好的反映实际的施工状态，且评价参数单一，难以实现综合评价。

技术实现思路

1、本发明提供一种土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置及其应用，可模拟实际盾构开挖及排渣过程中渣土的物理力学性能，直观评价渣土排土通畅程度；能够模拟盾构土仓实际压力值，从渣土力的传递效率及表观密度这一新角度评价改良渣土是否均质、流塑性好。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，包括上部框架、下部框架、万向轮、试验模块和监测控制模块，所述万向轮设置在下部框架的底部，上部框架安装下部框架上，试验模块和监测控制模块放置在上部框架及下部框架之中；试验模块用于进行剪切试验、塌落度试验和加压渗透试验，监测控制模块用于进行设备操控、数据收集、数据运算和效果评估。

4、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述试验模块包括剪切刀盘、传动轴、变频驱动电机、空气压缩机、土仓、水舱和塌落度试验桶，下部框架从下至上依次设有底板一、支板一、支板二和顶板一，所述水舱设置在所述底板上，支板一中心处设有通孔，所述土仓放置在支板一上，所述土仓的底壁通过所述通孔与所述水舱相对；变频驱动电机和空气压缩机设置在支板二上方，所述传动轴穿过支板二，所述传动轴的上端与变频驱动电机的输出端固定连接，所述传动轴的下端与所述剪切刀盘螺接在一起，所述剪切刀盘位于支板二下方且与所述土仓相对；所述剪切刀盘用于进行剪切试验，塌落度试验桶用于进行塌落度试验。

5、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述土仓的侧壁设有把手、多个出水口及加压口，所述土仓的底壁为透水性材料，所述空气压缩机通过管路与所述加压口相连；所述土仓用于进行加压渗透试验。

6、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述剪切刀盘包括圆盘和多把刮刀，所述圆盘与所述传动轴的下端螺接在一起，所述刮刀在所述圆盘上呈辐条式结构分布，相邻两把刮刀之间夹角为60°。

7、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述监测控制模块包括液晶触控一体机、蓄电池、数据采集箱和各种传感器，所述传感器包括扭矩传感器、压力传感器、位移传感器、重量传感器、电导率传感器、含水量传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器和水流量传感器；上部框架从下至上依次设有底板二、支板三和顶板二，支板三通过支架固定安装在底板二上，所述蓄电池设置在底板二上，液晶触控一体机和数据采集箱安装在支板三上，扭矩传感器设置在变频驱动电机的输出端上，压力传感器设置在所述圆盘的下端面中心处，位移传感器设置在所述传动轴上，重量传感器设置在所述水舱内，电导率传感器、含水量传感器、孔隙水压力传感器和土压力传感器设置在所述土仓的内壁上，水流量传感器设置在所述土仓的出水口上；扭矩传感器、压力传感器、位移传感器、重量传感器、电导率传感器、含水量传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器和水流量传感器通过导线与数据采集箱相连，液晶触控一体机和数据采集箱通过导线相连，所述蓄电池为变频驱动电机、空气压缩机、液晶触控一体机和数据采集箱提供电力。

8、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述数据采集箱的内部设有预处理芯片，所述预处理芯片将所述传感器采集到的数据进行预处理，然后将预处理过的数据传递至液晶触控一体机进行后续处理。

9、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述塌落度试验桶罩在数据采集箱上作为电子元件保护罩使用。

10、进一步地，所述的土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置，所述液晶触控一体机的触控显示屏，用于手动输入工程基本参数及显示改良渣土的各项指标和针对不良参数进行改进的意见；所述液晶触控一体机的内部主机集成了电路板及运行芯片，所述电路板用于储存不同工程、不同土质的渣土改良数据库；所述运行芯片集成了基于bp神经网络的人工智能计算模型，能够利用渣土改良数据库，形成不同土质的渣土改良效果模型，与所述传感器采集到的数据进行对比分析，实现智能化评价改良渣土的各项性质。

11、上述的一种土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置的应用，包括如下步骤：

12、一、在现场空转试机，保证能够正常运转，并标定各传感器；取改良渣土利用塌落度试验桶进行塌落度试验，并将相关数据输入到液晶触控一体机中；

13、二、向所述土仓中填满改良渣土；

14、三、启动空气压缩机调节所述土仓内的压力值，进行加压渗透试验，通过水流量传感器测定渗透水流量；

15、四、启动变频驱动电机，进行剪切试验，将所述剪切刀盘转速及推进速度调整至设定值，使剪切刀盘切削所述土仓内的改良渣土；

16、五、扭矩传感器采集剪切刀盘的扭矩数据，位移传感器采集剪切刀盘的位移数据，压力传感器采集剪切刀盘向下的推力数据，含水量传感器采集改良渣土的含水量数据，电导率传感器采集改良渣土的导电数据，孔隙水压力传感器采集改良渣土的孔隙水压力数据，土压力传感器采集改良渣土的土压力数据，重量传感器采集渗透水总重量数据，各种数据传递至数据采集箱，所述预处理芯片将数据进行预处理，然后将预处理过的数据传递至液晶触控一体机；

17、六、液晶触控一体机将数据处理并进行评测，评定改良渣土的各项性质，给出渣土改良建议；

18、七、试验结束后，将设备关闭并进行清理。

19、进一步地，所述的一种土压平衡盾构现场渣土改良效果检测装置的应用，所述步骤六中，具体包括如下步骤：根据改良渣土数据库以及基于bp神经网络的人工智能进行数据处理；建立多个渣土改良模型，并优化模型参数，得到渣土改良的最优参数；将预处理过的数据与计算得到的渣土改良的最优参数进行对比，对渣土改良效果进行评价；根据施工地质数据，进行渣土改良效果预测。

20、本发明的工作原理如下：通过加压渗透试验、电阻率测量、含水率测量、土压力测量、剪切试验等多参数综合评定改良渣土；将改良后的渣土装入土仓中，通过空压机调节土仓内的压力值；再进行加压渗透试验测定改良渣土的抗渗性；通过剪切刀盘剪切土仓内改良渣土，测定改良渣土的抗剪强度是否符合要求；土压力传感器所测的压力值与压力传感器采集剪切刀盘向下的推力数据值比较，判断改良渣土压力的传递效率，同时还可根据压力值计算出掌子面压力梯度，推导出渣土表观密度，与理想渣土密度进行比较，从而评价改良渣土效果；从流动性、压力传递效率和表观密度等多方面综合评价改良渣土是否符合盾构施工要求。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、1)该装置可再现土压平衡盾构动态连续的施工过程。

23、2)该装置通过传感器测定多种参数，用触控显示屏直接显示改良渣土的参数。3)该装置可根据需要采用不同的剪切刀盘结构、布置方式，并可调节剪切刀盘转速，以便模拟不同施工工况，从而为盾构机施工提供有力的技术支持；剪切刀盘满足对土体切削无盲区，进而精确切削改良渣土。

24、4)该装置集成了带压状态下的渣土改良评测等多种测试功能，可实现对不同类型的渣土进行渣土改良评测。

25、5)该装置内置包含不同工程、不同土质的渣土改良数据数据库，同时集成了基于bp神经网络的人工智能计算模型，能够形成不同土质的渣土改良效果模型，可与该装置采集到的数据进行对比分析，可以智能评价试验渣土的多项性质。7)该装置简单方便，设计合理，操作性强，试验成本低，在实际盾构施工前进行小规模现场试验，可提高施工效率、保证盾构安全掘进，并能全面评价渣土改良效果。

26、8)该装置的水舱内置重量传感器，可测试渣土渗水量，保证加压渗透试验数据的准确性。

27、9)本发明为渣土改良现场测定试验提供了新的解决方案，相比于传统的坍落度试验等能更真实的还原实际盾构渣土改良施工过程，并全面系统的评价渣土改良效果，可为土压平衡盾构施工用渣土改良剂选取及配比优化提供有力的保障。