CN103277115A - 一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片及管片环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片，包括上主肋板、下主肋板、背板和两个端头板，上主肋板和下主肋板相互平行，上主肋板、下主肋板、背板和两个端头板共同组成一个只有一侧开口的腔体；上主肋板和下主肋板均为开口型圆环形板且满足以下条件：D+E=F+G=180°，上式中，D为上主肋板的外圆弧的圆心角角度，E为下主肋板的内圆弧的圆心角角度，F为下主肋板的外圆弧的圆心角角度，G为上主肋板的内圆弧的圆心角角度。本发明还公开了一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片环，由四个管片连接而成封闭性圆环体，相邻的两个管片采用互为反面排列。本发明所述管片全部为一种结构，制作周期短、材料成本低，便于拼装和拆卸。

Description

一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片及管片环

技术领域

本发明涉及一种模型管片及管片环，尤其涉及一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片及管片环。

背景技术

目前实际盾构隧道工程中所用的管片环多由3种型式的管片即A、B和K型管片拼装而成。从便于运输和拼装方面考虑，对于中等直径的隧道，国内外多采用5～7分块方式，对于大断面隧道则多采用8～11分块方式，具体分块时又分为不等分块方式和等分块方式。前者由于管片体积小、质量轻，便于拼装而在城市地铁隧道中得到广泛应用；后者可减少分块数及接缝数量，有利于防水在大型越江海隧道中应用较多，如南水北调穿黄隧洞和武汉长江隧道等。

不等分块方式每环管片由1个K块，2个B块及数个A块构成，A、B块的圆心角一般相同。A块沿弧向展开呈矩形状；B块沿弧向展开呈直角梯形状，在靠近K块一侧有一定楔形量；K块弧长为A、B块的1/3左右。在大断面越江海隧道工程中，管片环等分块方式也有应用。但此处的“等分”仅指每块管片幅宽中央位置所对应的圆心角相同，A、B及K块的形状并不完全相同，其中A块沿弧向展开呈矩形状，而B块和K块均有一定楔形量，展开呈梯形状。由于管片形状不同，制作时需多种规格的模具（3种以上），投入比较大。管片拼装时需注意管片型式及旋转角度的匹配，否则无法完成拼装。

在进行模型盾构机室内掘进试验时，由于重在分析机理，一些次要因素往往会进行简化或忽略，故选取试验所用模型或材料的一个重要考虑因素便是加工制作的方便。由于模型盾构机的尺寸较小，在其腔内进行拼装作业还需考虑拼装的速度和便利性，要求能够快速成环，形成对地层的支撑。同时考虑到拼装由人工完成，管片质量不能过大。若采用我国城市地铁中应用最广的3+2+1分块型式，由于盾构腔内拼装空间小，工作量大，人工作业时难以保证拼装速度和质量；若采用整环不分块方式或2等分块或3等分块型式，则会造成单块管片质量过大，人工无法完成拼装。所以，目前的模型盾构机室内掘进试验中，尚无既能保证拆装速度、又能由人工拼装完成管片环的管片，从而降低了整个模型盾构机室内掘进试验的质量和效率。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种既能保证拆装速度、又能由人工拼装完成管片环的用于模型盾构机室内掘进试验的管片及管片环。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述用于模型盾构机室内掘进试验的管片包括上主肋板、下主肋板、背板和两个端头板，所述上主肋板和所述下主肋板相互平行，两个所述端头板和所述背板均安装于所述上主肋板和所述下主肋板之间，所述上主肋板、所述下主肋板、所述背板和两个所述端头板共同组成一个只有一侧开口的腔体，所述上主肋板和所述下主肋板上分别设有相互对应的主肋板连接孔，两个所述端头板上分别设有相互对应的端头板连接孔；所述上主肋板和所述下主肋板均为开口型圆环形板且满足以下条件：

D+E=F+G=180°         （式I）

上述式I中，D为所述上主肋板的外圆弧的圆心角角度，E为所述下主肋板的内圆弧的圆心角角度，F为所述下主肋板的外圆弧的圆心角角度，G为所述上主肋板的内圆弧的圆心角角度。这种结构使端头板为楔形，便于安装。

具体地，所述上主肋板和所述下主肋板上的主肋板连接孔分别为三个；两个所述端头板上的端头板连接孔分别为两个。

作为优选，所述D为103.74°，E为76.26°，F为81.83°，G为98.17°。

为了增加管片的强度并实现均匀的力传递，所述上主肋板和所述下主肋板之间设有与所述上主肋板垂直的纵肋板；作为优选，所述纵肋板为4块。

本发明所述用于模型盾构机室内掘进试验的管片环，为由四个管片连接而成的封闭性圆环体，相邻的两个所述管片之间通过各自的端头板采用螺栓连接，相邻的两个所述管片采用互为反面排列。

由于管片的上主肋板和下主肋板满足D+E=F+G=180°的条件，所以当四个管片首尾连接后刚好形成封闭性圆环体。

本发明的有益效果在于：

由于本发明所述管片环由结构完全相同的四个管片连接而成，加工制作时只需一种模具，节约了材料成本并缩短了制作周期；管片的端头板为楔形，方便相邻管片之间通过螺栓连接；拼装时不需要考虑管片型式，有利于管片的快速成环形成地层支撑；通过旋转前后管片环间的角度可实现相邻管片环之间的不同拼装方式，即能实现管片环的通缝或错缝拼装；每块管片的质量适中（一般为11.57kg），可由人工完成，管片成环速度快，质量易得到保证，适合于模型盾构机室内掘进试验，从而提高了整个模型盾构机室内掘进试验的质量和效率。

附图说明

图1是本发明所述用于模型盾构机室内掘进试验的管片的主视结构示意图；

图2是本发明所述管片上端面的俯视结构示意图；

图3是本发明所述管片下端面的仰视结构示意图；

图4是图2中的C-C剖视图；

图5是图1中的A-A剖视图；

图6是图1中的B-B剖视图；

图7是本发明所述用于模型盾构机室内掘进试验的管片环的主视结构示意图；

图8是本发明所述管片环的俯视结构示意图；

图9是本发明所述管片环的仰视结构示意图；

图10是四个本发明所述管片环错缝拼装后再展开的主视结构示意图；

图11是四个本发明所述管片环通缝拼装后再展开的主视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1-图9所示，本发明所述用于模型盾构机室内掘进试验的管片包括上主肋板4、下主肋板7、背板5、纵肋板6和两个端头板1，上主肋板4和下主肋板7相互平行，两个端头板1和背板5均安装于上主肋板4和下主肋板7之间，上主肋板4、下主肋板7、背板5和两个端头板1共同组成一个只有一侧开口的腔体，上主肋板4和下主肋板7上分别设有三个相互对应的主肋板连接孔3，两个端头板1上分别设有两个相互对应的端头板连接孔2，上主肋板4和下主肋板7之间设有四块与上主肋板4垂直的纵肋板6；上主肋板4和下主肋板7均为开口型圆环形板且满足以下条件：

D+E=F+G=180°        （式I）

上述式I中，D为上主肋板4的外圆弧的圆心角角度，E为下主肋板7的内圆弧的圆心角角度，F为下主肋板7的外圆弧的圆心角角度，G为上主肋板4的内圆弧的圆心角角度。

本例中，D具体为103.74°，E具体为76.26°，F具体为81.83°，G具体为98.17°，实际应用中也可以选择其它具体角度，只要满足上述式I即可。

如图7、图8和图9所示，本发明所述用于模型盾构机室内掘进试验的管片环，为由四个管片8连接而成的封闭性圆环体，相邻的两个管片8之间通过各自的端头板（即图1中的端头板1）采用螺栓连接，相邻的两个管片采用互为反面排列。

如图10和图11所示，在将四个管片环9拼装在一起时，可以采用错缝或通缝方式，图10示出了错缝拼装的结构，图11示出了通缝拼装的结构，这两种不同结构只需通过旋转相邻两个管片环9即可实现。图10和图11示出了四个管片环9的拼装结构，只是一个代表，其管片环9的具体个数根据实际应用需要而定。

如图1-图11所示，下面结合附图对本发明所述管片及管片环的加工及应用作具体说明：

进行模型盾构机室内掘进试验前，根据以下实际情况确定管片8中各部件的具体参数：

取单一匀质地层进行计算，根据成都砂卵石地质情况，取中密砂卵石土层进行计算，不考虑地下水情况：γ=22kN/m³，覆盖层厚度H=2.4m，地基反力系数k=20N/cm³，侧向土压力系数λ=0.5，土的内摩擦角φ=40°。

作用在管片上的荷载考虑竖向和水平土压力、地层抗力及管片自重。其中上覆土荷载按太沙基松弛土压力公式计算，地层抗力假定为在衬砌水平直径的上下45°中心角范围内呈三角形（以水平直径上的点为顶点）分布。千斤顶设计推力125kN，每块管片上作用1个千斤顶。

根据以上地层、荷载条件，从管片环截面应力、面板的强度和稳定性、纵肋的强度和稳定性、接头螺栓强度几个方面对管片进行检算，最终所取设计参数为：主体材料为铝合金（ZL101A），管片背板5、上主肋板4和下主肋板7的厚度为6mm，端头板1的厚度为8mm，纵肋板的厚度为10mm，采用M20(4.6)螺栓，主肋板连接孔3和端头板连接孔2的直径均为22mm，单个管片8的质量为11.57kg。上述若干个独立的管片8是预先加工好的，然后在施工现场进行拼装作业。

由四个管片8拼装为一个管片环9，以及多个管片环9之间的拼装都是在掘进试验中逐步完成的，所以下面结合管片8拼装为管片环9以及多个管片环9之间的拼装对整个模型盾构机的掘进试验过程作整体描述（下述管片环9之间采用通缝拼装，错缝拼装比较类似，在下述内容基础上容易理解，所以未单独描述）：

当与本发明配套的模型盾构机（图中未示出）机身全部进入模拟地层（图中未示出）中后，在模型盾构机机舱尾部下方放置1块本发明所述管片8，将第2块管片8的下侧端头板1放置在第1块管片8的左侧端头板1上，对准端头板1上的2个端头板连接孔2，用螺栓将第1块管片8和第2块管片8的端头板1连接；将第3块管片8的下侧端头板1放置在第1块管片8的右侧端头板1上，对准端头板1上的2个端头板连接孔2，用螺栓将第1块管片8和第3块管片8的端头板1连接；将第4块管片8与已经拼装好的3块管片8沿宽度方向搭接2/3并向上推，再沿管片环9的纵向插入到底，分别用螺栓将第2、4块管片8以及第3、4块管片8连接，完成第一个管片环9的拼装。

模型盾构机机舱中后部布置的千斤顶（图中未示出）顶在第一个管片环9的上主肋板4（或下主肋板7）上，通过千斤顶的伸出推动盾构机在土体中前进。模型盾构机向前推进一个管片环9的宽度距离后，第一个管片环9脱环并承受地层荷载，此时开始第二个管片环9的拼装。先在与第1块管片8相同的位置处放置第5块管片8，用螺栓将第1块管片8和第5块管片8的上主肋板4（或下主肋板7）通过三个主肋板连接孔3连接；将第6块管片8的下侧端头板1放置在第5块管片8左侧端头板1上，对准端头板1上的2个端头板连接孔2，用螺栓将第5块管片8和第6块管片8的端头板1连接；将第7块管片8的下侧端头板1放置在第5块管片8右侧的端头板1上，对准端头板1上的2个端头板连接孔2，用螺栓将第5块管片8和第7块管片8的端头板1连接；将第8块管片8与已经拼装好的第5、6、7块管片8沿宽度方向搭接2/3并向上推，再沿管片环9的纵向插入到底，分别用螺栓将第6、8块管片8以及第7、8块管片8连接，完成第二个管片环9的拼装。

将模型盾构机机舱内的推进千斤顶顶在第二个管片环9的上主肋板4（或下主肋板7）上向前推进，推进一个管片环9的宽度距离后，再进行第三个管片环9的拼装，……，按照该流程循环进行推进与管片拼装，直至隧道贯通。

管片错缝拼装的过程与上述通缝拼装类似，差别仅在于拼装下一个管片环9时，需将管片8相对前一个管片环9沿环向旋转一定角度，即错开1个或数个主肋板连接孔3的位置，然后用螺栓连接，在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片，其特征在于：包括上主肋板、下主肋板、背板和两个端头板，所述上主肋板和所述下主肋板相互平行，两个所述端头板和所述背板均安装于所述上主肋板和所述下主肋板之间，所述上主肋板、所述下主肋板、所述背板和两个所述端头板共同组成一个只有一侧开口的腔体，所述上主肋板和所述下主肋板上分别设有相互对应的主肋板连接孔，两个所述端头板上分别设有相互对应的端头板连接孔；所述上主肋板和所述下主肋板均为开口型圆环形板且满足以下条件：

D+E=F+G=180°         （式I）

上述式I中，D为所述上主肋板的外圆弧的圆心角角度，E为所述下主肋板的内圆弧的圆心角角度，F为所述下主肋板的外圆弧的圆心角角度，G为所述上主肋板的内圆弧的圆心角角度。

2.根据权利要求1所述的用于模型盾构机室内掘进试验的管片，其特征在于：所述上主肋板和所述下主肋板上的主肋板连接孔分别为三个。

3.根据权利要求1所述的用于模型盾构机室内掘进试验的管片，其特征在于：两个所述端头板上的端头板连接孔分别为两个。

4.根据权利要求1所述的用于模型盾构机室内掘进试验的管片，其特征在于：所述D为103.74°，E为76.26°，F为81.83°，G为98.17°。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于模型盾构机室内掘进试验的管片，其特征在于：所述上主肋板和所述下主肋板之间设有与所述上主肋板垂直的纵肋板。

6.根据权利要求5所述的用于模型盾构机室内掘进试验的管片，其特征在于：所述纵肋板为4块。

7.一种用于模型盾构机室内掘进试验的管片环，为由多个管片连接而成的封闭性圆环体，其特征在于：由四个如权利要求1、2、3或4所述的管片连接而成，相邻的两个所述管片之间通过各自的端头板采用螺栓连接，相邻的两个所述管片采用互为反面排列。

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