CN101398986A - 一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为：a.掘土装置：圆形盾壳通过隔板分隔为前部的土舱和后部的机舱，隔板中间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴前端连接刀盘，后端通过传动齿轮与刀盘电机相连。b.螺旋出土器：螺旋杆前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与出土器电机相连；出土套筒前、后端分别固定在隔板、机舱上，其后部开出土孔。c.推进装置：机舱尾部分布四个纵向千斤顶。该装置能模拟土压平衡式盾构机的动态掘进，出土、推进、拼装、脱环等施工的全过程，为城市地铁盾构隧道施工对地层的适应性或影响提供真实、准确的实验数据，保障城市地铁施工的高效、安全进行。

Description

一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机

技术领域

本发明涉及一种盾构机盾构隧道施工的模拟装置，尤其涉及一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机。

背景技术

采用模型盾构机进行室内模型试验是研究盾构机对地层的适应性或影响的一种重要手段，通过模拟对盾构隧道的设计与施工，提供实验数据，以保障城市地铁施工的高效、安全进行。一些盾构模型以模拟原型局部为目的开展试验，如日本学者森麟(1984)制造的半截面模型盾构机、栗原和夫等(1989)制造的泥水式模型盾构机，Nomoto等(1999)制造的微型盾构机装置以及同济大学(2006)制造的双壳单螺旋模型盾构机。这些模型盾构机尺寸小，考虑因素单一，通常只能模拟盾构机的某一方面的性能，因此不能对盾构机的实际的掘进、出土及推进过程进行有效、全方位的模拟，存在较大的局限性。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，该装置能够模拟盾构机的动态掘进，出土、推进等盾构隧道施工的全过程，在室内完整再现盾构机现场施工的全过程，从而城市地铁区间盾构隧道施工对地层的适应性或影响提供更真实、准确的实验数据，保障城市地铁施工的高效、安全进行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为：

a、掘土装置隔板将圆柱形盾壳分隔为前部的土舱和后部的机舱，隔板中间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴的前端连接刀盘，后端通过机舱内的传动齿轮与固定在机舱上的刀盘电机相连。

b、螺旋出土器螺旋杆的前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与固定在机舱上的出土器电机的电机轴相连；出土套筒的前端固定在隔板上，后端固定在机舱上，出土套筒的后部下方开有出土孔。

c、推进装置盾壳的机舱的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶，且四个千斤顶的分布沿机舱尾部的垂直轴线对称。

本发明的工作过程和工作原理是：本发明的室内模型盾构机主要由掘土装置、螺旋出土器和推进装置三部分组成。将其安装、定位于室内的试验土槽内，三部分同时工作，实现对于城市地铁区间盾构隧道施工的模拟：

掘土装置：在刀盘电机通过传动齿轮刀盘轴带动前方出土舱中的刀盘对准室内模拟土旋转，实现对真实盾构机削土功能的模拟。通过调节刀盘电机的转速以及调节刀盘开口率等参数，实现对真实盾构机不同刀盘类型和参数的模拟。掘土装置削下的土，堆积在土舱中。

螺旋出土器：出土器电机带动螺旋杆转动将位于土舱中的泥土旋转、后推进入出土套筒中，泥土从出土套筒后部的出土孔处漏出，然后被送出掘出的隧道外，实现对盾构机出土功能的模拟。试验中可以替换不同类型、不同内径的螺旋杆及套筒来模拟不同类型的真实盾构机的出土器，并通过控制出土器电机转速来实现出土量的控制。

推进装置：推进前，在机舱内的尾部采用模拟隧道的管片拼装成环，构成隧道结构；机舱中后部上均匀分布的四个纵向的千斤顶的后端顶住机舱内尾部的隧道结构，随着液压千斤顶的伸出，实现模型盾构机的液压推进。该隧道结构同时在模型盾构机推进过程中实现对模拟围岩的支护。推进装置向前推进最大距离时，机舱尾部的隧道结构脱环，即隧道结构尾部相对机舱位置最远；然后在该脱环位置处，在机舱尾部(隧道结构的前部)再用模拟隧道的管片拼装成环构成新的一节隧道结构，再进行下一次的推进及脱环。脱环、拼装反复循环，使隧道结构逐节形成。

通过以上方式的三个装置的协调运作，实现对于真实隧道施工过程的掘进、出土、推进隧道结构形成的完整模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

能将土压平衡盾构机掘进、施工时同时发生的掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装和盾尾脱环进行全面、综合的模拟，从而在室内实现了盾构机现场施工的所有过程的动态实时模拟。相比于现有同类试验装置，该装置在研究盾构施工对周围环境的影响时更为全面和真实，实验数据更真实可靠，从而更加可靠地保障了城市地铁施工的高效、安全进行。

本发明的刀盘的类型、开口率及转速可以变化调整，螺旋出土器的类型、规格及参数也可调整，推进力的大小也可随意调整。因此，本发明的模型盾构机可以重复利用，适用于不同类型和环境的城市地铁盾构隧道施工的模拟试验，对于地铁隧道安全、高效施工具有十分重要的意义。

上述的土舱内刀盘后方的刀盘轴上，还安装有径向的搅拌棒。搅拌棒的旋转能将土舱内堆积的泥土搅松，有利于泥土向下进入螺旋杆的螺旋槽内而被送走。、

上述的四个千斤顶的油路连接方式为：相对的两个千斤顶串联，左侧的两个千斤顶并联，右侧的两个千斤顶并联。

这样使得对角线(即相对)的两个串联千斤顶行程一致，可以在盾构机掘进方向变化时，通过调整端盖的伸出位置，达到在掘进过程中纠偏的目的。如：若盾构机向左偏斜，将左侧两个千斤顶的端盖旋出一定距离，使其相对右侧伸出一定位移，先于右侧千斤顶接触后方管片，使左侧千斤顶先出力，右侧千斤顶暂不出力，盾构机左侧先行前移，为模型盾构机提供了一个向右偏的弯矩，从而纠正模型盾构机的左偏斜。当模型盾构机向其它方向偏斜时，同样只需把偏斜方向侧的千斤顶端盖旋出一定距离即可。

上述的刀盘为辐条型或面板型。这样，可通过更换不同类型的刀盘，实现对于不同的类型的真实盾构机在隧道施工中的掘进过程的模拟，尤其方便研究刀盘开口率对掘进过程的影响。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例在刚拼装成环，开始推进时的结构示意图。

图2是本发明实施例在推进至最大位置处，完成盾尾脱环时的结构示意图。

图3是本发明实施例的四个千斤顶的油路连接关系示意图。

具体实施方式

实施例

图1、2示出，本发明的一种具体实施为，一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为：

a、掘土装置隔板2将圆柱形盾壳1分隔为前部的土舱7和后部的机舱8，隔板2中间通过刀盘轴承3安装刀盘轴4，刀盘轴4的前端连接刀盘5，后端通过机舱8内的传动齿轮15与固定在机舱8上的刀盘电机6相连。

b、螺旋出土器螺旋杆9的前部位于土舱7内刀盘5后方，其余部分穿过隔板2套合在机舱8内的出土套筒11内，螺旋杆9后端与固定在机舱8上的出土器电机10的电机轴相连；出土套筒11的前端固定在隔板2上，后端固定在机舱8上，出土套筒11的后部下方开有出土孔12。

c、推进装置盾壳1的机舱8的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶13，且四个千斤顶13的分布沿机舱8尾部的垂直轴线对称。

土舱7内刀盘5后方的刀盘轴4上，还安装有径向的搅拌棒14。刀盘5为辐条型。当然刀盘5也可选用面板型。

图3示出，本例的四个千斤顶13的油路连接方式为：相对的两个千斤顶13串联，左侧的两个千斤顶13并联，右侧的两个千斤顶13并联。千斤顶的端盖17以螺纹方式固定在千斤顶13的顶杆端部。

图1为管片19刚拼装成环，开始推进时的结构示意图。图2为在推进至最大位置处，完成盾尾脱环时的结构示意图。可见本发明能够实现对于真实隧道施工过程的推进、隧道结构形成的完整模拟。

Claims (4)

1、一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为：

a、掘土装置隔板(2)将圆柱形盾壳(1)分隔为前部的土舱(7)和后部的机舱(8)，隔板(2)中间通过刀盘轴承(3)安装刀盘轴(4)，刀盘轴(4)的前端连接刀盘(5)，后端通过机舱(8)内的传动齿轮(15)与固定在机舱(8)上的刀盘电机(6)相连；

b、螺旋出土器螺旋杆(9)的前部位于土舱(7)内刀盘(5)后方，其余部分穿过隔板(2)套合在机舱(8)内的出土套筒(11)内，螺旋杆(9)后端与固定在机舱(8)上的出土器电机(10)的电机轴相连；出土套筒(11)的前端固定在隔板(2)上，后端固定在机舱(8)上，出土套筒(11)的后部下方开有出土孔(12)；

c、推进装置盾壳(1)的机舱(8)的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶(13)，且四个千斤顶(13)的分布沿机舱(8)尾部的垂直轴线对称。

2、如权利要求1所述的一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其特征在于：所述的土舱(7)内刀盘(5)后方的刀盘轴(4)上，还安装有径向的搅拌棒(14)。

3、如权利要求1所述的一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其特征在于：所述的四个千斤顶(13)的油路连接方式为：相对的两个千斤顶(13)串联，左侧的两个千斤顶(13)并联，右侧的两个千斤顶(13)并联。

4、如权利要求1所述的一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其特征在于：所述的刀盘(5)为辐条型或面板型。

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