CN101798933A - 土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用与于城市地铁工程领域中的模拟试验装置，具体涉及一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统。该模拟试验系统包括一个由套筒、设置于所述套筒内的螺杆及驱动所述螺杆的电机所构成的螺旋输送机，所述螺杆的端部穿设于一土箱内，其特征在于：所述螺杆的端部设于所述土箱底部中心处，所述土箱顶部通过稳压泵连接有水箱。本发明的优点是：通过稳压泵以水作为介质向土箱内的土层和渣土提供稳定的水压，可以模拟盾构在不同类型的富水地层或穿越江、河掘进时螺旋输送机底部承受的水、土压力。

Description

土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种应用与于城市地铁工程领域中的模拟试验装置，具体涉及一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统。

背景技术

土压平衡盾构是通过施加在土仓内碴土的压力来平衡开挖面的土压力和水压力，从而保持开挖面稳定，防止地面沉降的，而土仓内的工作压力则是通过碴土在螺旋输送机内压力逐步下降的方式来保持，这也是土压平衡盾构施工的关键。

通过对现有技术的文献检索发现，上海隧道工程股份有限公司发明专利（授权公告号CN100343650C）：大型盾构掘进模拟试验平台。该系统具体如下：模拟盾构掘进机采用φ1800mm，拉杆将土箱和后靠连接起来，底座是主顶装置的基础，土箱内设置若干只囊带，囊带通过管道与加载系统连接起来，土箱中装满典型土层，土箱中还设置有一定数量的土压力传感器、空隙水压力传感器，这些传感器与监测系统相连，主顶装置安置在底座上。液压系统、控制系统与主顶装置相连，模拟盾构掘进机安置在主顶装置上，同时模拟盾构机的头部刀盘通过密封装置请安装在土箱的端部入口中。该发明可模拟盾构掘进全过程，实现多种典型地层和混合地层的模拟，除了满足盾构掘进模拟试验，还可进行冻结，螺旋输送机出土和注浆等多种试验。

西南交通大学发明专利（公开号CN101403306A）：一种土压平衡式盾构模拟试验系统。该系统具体如下：上部开口的长方形的土体腔内放置模型盾构机，并充填模拟土体，模型盾构机的中轴线与土体腔的中轴线重叠；模拟土体的上面覆盖一层混凝土垫层，混凝土垫层的上表面通过两个以上的土压千斤顶与水平加载梁相连，水层加载梁通过锚索与土体腔的底部相连；模拟土体内还埋有土压力盒、光栅光纤传感器、位移计，且均与数据采集及处理装置电连接。主要目的为模拟盾构隧道施工对地层及周围环境的影响。

   以上的模拟试验装置较为全面的模拟了土压平衡盾构施工对土层扰动和环境的影响以及土压平衡盾构对不同地层的适应性，取得了大量的成果。但是，上述发明对土压平衡盾构中螺旋输送机的专门研究仅局限于出土率，未对切削的渣土在输送的同时平衡前方水土压力的作用进行研究。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种专门研究原状渣土和改良渣土在螺旋输送机中的作用机理的土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，该模拟试验系统主要包括稳压泵、土箱、螺旋输送机及相应的数据采集系统，能够模拟不同土压、不同水压、不同土层下渣土的螺旋输送过程，为土压平衡盾构在富水地层掘进控制和渣土改良等问题提供较为准确的试验数据。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，包括一个由套筒、设置于所述套筒内的螺杆及驱动所述螺杆的电机所构成的螺旋输送机，所述螺杆的端部穿设于一土箱内，其特征在于：所述螺杆的端部设于所述土箱底部中心处，所述土箱顶部通过稳压泵连接有水箱。

所述土箱包括有一垂直设置的圆筒型本体，所述本体上端开口处通过螺纹密封连接有一顶盖，所述顶盖上开设有用于连接所述稳压泵的进水口。

所述顶盖上设置有数字压力计，所述数字压力计连接有数据采集及处理装置。

所述顶盖上开设有排水口，所述排水口通过水管连接有压力传感器及截止阀。

所述稳压泵内设置有变频器。

所述套筒通过法兰与所述土箱侧壁密封连接。

所述套筒筒壁上设置有至少一个压力传感器，所述压力传感器连接有数据采集及处理装置。

所述压力传感器数量为10个并分为5组，每组两个并沿套筒中轴线上下对称分布，其中一端相邻两组的间隔为14cm，其余间隔均为20cm。

所述套筒长为900mm、直径为89mm、螺旋距为55mm、壁厚4.0mm；所述螺杆螺旋叶片厚3.0mm、螺旋轴直径25mm、壁厚3.0mm；所述电机转速为0—30r/min。

所述套筒倾斜于地面设置，其倾斜角度在15-30°范围内。

本发明的优点是：本发明专注于盾构掘进中的渣土在螺旋输送机中运动的过程，且土层、压力及螺旋输送机转速均可调节。通过稳压泵以水作为介质向土箱内的土层和渣土提供稳定的水压，可以模拟盾构在不同类型的富水地层或穿越江、河掘进时螺旋输送机底部承受的水、土压力。通过调节螺旋输送机转速，可以模拟不同转速下螺旋输送机中渣土能够抵抗的水、土压力。通过调节稳压泵的变频器，可提供不同的水压，对螺旋输送机中的渣土能够抵抗的极限水压进行模拟。

附图说明

 图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，标号分别表示：套筒1、螺杆2、电机3、电控箱4、出土闸门5、动态电阻应变仪6、数据终端7、土箱本体8、顶盖9、进水口10、排水口11、数字压力计12、稳压泵13、变频器14、压力表控制开关15、止回阀16、稳压气囊17、水箱18、压力传感器组P1、P2、P3、P4、P5；压力传感器V1、V2；截止阀F1、F2、F3。

参见图1，本发明包括稳压泵13、土箱、螺旋输送机及相应的数据采集系统。

土箱包括有土箱本体8及顶盖9。土箱本体8为一个垂直设置的圆筒型结构，高1000mm、直径300mm、壁厚4mm，其上端开口处通过密封垫圈和螺纹密封连接有顶盖9。顶盖9上开焊接有进水口10和排水口11，其中排水口11通过水管连接有压力传感器V2及截止阀F3，在土箱内压力过大时打开截止阀F3，排水口11既可起到泄压的作用；进水口10则通过管道连接有上述的稳压泵13，稳压泵13的另一侧则连接有水箱18。稳压泵13为试验装置加载系统，其作用为在下部渣土通过螺旋输送机排出的过程中提供恒定的土压和水压，最大加载压力为0.5MPa，稳压泵13与水箱18之间的连接管路上设置有截止阀F1及压力传感器V1，其与进水口10之间的管路上设置有压力表控制开关15、止回阀16、稳压气囊17，其中压力表控制开关15控制连接有设置于稳压泵13内的变频器14，通过调节压力表控制开关15即可使稳压泵13提供不同的水压；止回阀16的作用是只允许管路中水从水箱18流向土箱中，阻止水反方向流动；稳压气囊17作用是使得整个土箱形成一个稳压罐的机构，使系统压力稳定在设定值。

螺旋输送机包括有套筒1、螺杆2、电机3、电控箱4。电控箱4控制连接有电机3，通过调节电控箱4即可调节电机3的转速，套筒1为中空圆管，其后部开设有用于排出渣土的出土闸门5，其内套装有螺杆2，螺杆2后部通过轴承与电机3连接驱动。套筒1倾斜于地面设置，其倾斜角度在15-30°范围内，优选的角度为23°，这样渣土输出时沿套筒1倾斜向上运输，这样设置的目的是使得整个模拟试验系统更加接近于真实的施工环境，而且便于将传输出来的土放置在传送带上输出。套筒1长为900mm、直径为89mm、螺旋距为55mm、壁厚4.0mm；螺杆2的螺旋叶片厚3.0mm、螺旋轴直径25mm、壁厚3.0mm；电机3转速为0—30r/min。套筒1与土箱本体8下部的侧壁通过法兰密封连接，螺杆2的前端部有土箱下部深入土箱底部的中心处。套筒1上上开3cm×3cm的方孔焊接处平台，用于安装压力传感器组P1、P2、P3、P4、P5。上述的压力传感器组每组两个传感器，沿套筒1中心轴线呈上下对称布置，5组压力传感器组沿套筒1轴向布置，压力传感器组P1、P2之间间隔14cm，其余每组间隔均为20cm。

上述的压力传感器组与数据采集及处理装置连接，数据采集及处理装置由动态电阻应变仪6及数据终端7组成，压力传感器组P1、P2、P3、P4、P5所采集的数据经由动态电阻应变仪6传输至数据终端7进行分析处理。动态电阻应变仪6还连接有数字压力计12，该数字压力计12设置于土箱上的进水口10处，用于采集该处的压力数据。

结合上述系统结构，本发明的工作过程如下：

在土箱本体8内将原状渣土或改良后的渣土放入，将顶盖9通过螺旋与垫圈与土箱本体8密封连接，之后打开顶盖9的进水口10，将稳压泵13出水管路与之对接，加压至指定压力。打开螺旋输送机出土闸门5，启动螺旋输送机电机3，调整至预定转速开始试验。在土箱内渣土逐渐输出的过程中，稳压泵13通过自控系统不段向土箱内补充水体，保持上部的压力稳定。输送的过程中，通过安装于螺旋输送机套筒1的压力传感器组P1、P2、P3、P4、P5记录土体在输送过程中对套筒1侧壁的压力，直至最后土箱水体通过螺旋输送机发生喷涌。通过土箱内土体参数、水压值，螺旋输送机转速、出土量及螺旋输送机套筒1的压力的组合分析，即可分析明确土压平衡盾构在富水地层施工时渣土改良及盾构控制的关键问题。

   相比于现有同类试验，本发明专注于盾构掘进中的渣土在螺旋输送机中运动的过程，且土层、压力及螺旋输送机转速均可调。通过稳压泵以水作为介质向压土箱内的土层和渣土提供稳定的水压，可以模拟盾构在不同类型的富水地层或穿越江、河掘进时螺旋输送机底部承受的水、土压力。通过调节螺旋输送机转速，可以模拟不同转速下螺旋输送机中渣土能够抵抗的水、土压力。通过调节稳压泵的变频器，可提供不同的水压，对螺旋输送机中的渣土能够抵抗的极限水压进行模拟。

Claims (10)

1.一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，包括一个由套筒、设置于所述套筒内的螺杆及驱动所述螺杆的电机所构成的螺旋输送机，所述螺杆的端部穿设于一土箱内，其特征在于：所述螺杆的端部设于所述土箱底部中心处，所述土箱顶部通过稳压泵连接有水箱。

2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述土箱包括有一垂直设置的圆筒型本体，所述本体上端开口处通过螺纹密封连接有一顶盖，所述顶盖上开设有用于连接所述稳压泵的进水口。

3.根据权利要求2所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述顶盖上设置有数字压力计，所述数字压力计连接有数据采集及处理装置。

4.根据权利要求2所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述顶盖上开设有排水口，所述排水口通过水管连接有压力传感器及截止阀。

5.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述稳压泵内设置有变频器。

6.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述套筒通过法兰与所述土箱侧壁密封连接。

7.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述套筒筒壁上设置有至少一个压力传感器，所述压力传感器连接有数据采集及处理装置。

8.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述压力传感器数量为10个并分为5组，每组两个并沿套筒中轴线上下对称分布，其中一端相邻两组的间隔为14cm，其余间隔均为20cm。

9.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述套筒长为900mm、直径为89mm、螺旋距为55mm、壁厚4.0mm；所述螺杆螺旋叶片厚3.0mm、螺旋轴直径25mm、壁厚3.0mm；所述电机转速为0—30r/min。

10.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构螺旋输送机模拟试验系统，其特征在于所述套筒倾斜于地面设置，其倾斜角度在15-30°范围内。

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