CN104034550A - 一种多功能教学泥水盾构试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能教学泥水盾构试验系统，该系统包括模型箱(1)、盾构机、进泥组件、出泥组件、泥水箱(35)、收集箱(33)、取样箱(38)及液压动力装置，模型箱(1)的侧面设有一开口，与盾构机的前部相接通，盾构机通过进泥组件和出泥组件分别与泥水箱(35)、收集箱(33)相连通，泥水箱(35)与收集箱(33)之间设有连通管(42)，盾构机与进泥组件、出泥组件、泥水箱(35)和收集箱(33)共同构成泥水循环系统。与现有技术相比，本发明结构简单，采用有机玻璃材质，能全方位展示泥水盾构试验过程，既具备模拟泥水盾构机非掘进状态下开挖面稳定试验的功能，又具备模拟泥水盾构机掘进开挖隧道的功能。

Description

一种多功能教学泥水盾构试验系统

技术领域

本发明属于土木工程测试技术领域，涉及一种多功能教学泥水盾构试验系统。

背景技术

我国地下空间开发规模日益增加，对地下工程专业人员的需要也越来越大，这对专业人员的教学培训提出了更高的要求，泥水平衡盾构是盾构隧道开挖的主要方式之一，在我国地下空间开发中大量使用，但其制造复杂、昂贵而且施工现场危险性高，学生难有机会实际接触体验，同时教程讲解较为抽象、理解难度大，教学效果差。教学演示泥水盾构试验机可使学生对泥水盾构机的工作原理、运行程序、隧道开挖过程有一个直观深入的观察，为以后在工程施工中实际操作使用泥水盾构机打下坚实的基础。

此外，泥水盾构机开挖隧道过程中也存在各种复杂工程问题和科学理论问题需研究解决，如提高开挖面支护压力的控制精度，以便在易发生流砂的地层中能更好的稳定开挖面；如何减少对开挖面周边土体的干扰，高精度的地面沉降量的控制；如何在快速施工条件下，减小刀具、刀盘磨损和刀盘所受扭矩，使其更适用于易于长距离大直径隧道盾构施工。模型试验是解决复杂工程问题和研究科学理论问题必不可少的手段，而具有一台能合理模拟泥水盾构开挖的设备是试验成功的关键。尽管已有泥水模型盾构机见诸报导，但其不能完全模拟泥水盾构机工作原理，而较为笨重，体积大，制造和试验费用高昂，难以广泛的运用其模拟复杂的隧道盾构法施工工况。

申请号为201110047669.2的中国发明专利公布了一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其组成是：放置土体的模型箱固定于底座上，制冷冻结装置与模型箱内的冻结管连通；盾构机的前部经过模型箱侧面上的导向套进入模型箱，盾构机前部的刀盘通过主轴与液压动力系统的齿轮箱的输出轴相连；位于盾构机左右两侧的千斤顶，连接于模型箱和齿轮箱之间；盾构机的刀盘后方的隔板与刀盘之间的空间构成泥水舱；与气压加压装置相连的泥水罐的注浆管在盾构机机壳的尾部穿入盾构机内部。该系统虽然可以模拟高水压的水下隧道施工中采用泥水盾构机的掘进过程，并同步记录土压、水压、位移和盾构机的掘进参数，但仍存在不足之处，例如，该系统中的泥水舱空间尺寸为固定值，不能进行尺寸调节，这就难以模拟研究泥水舱的大小对开挖面稳定性的影响；该系统装置中没有设置开挖面挡板，不具备模拟泥水盾构机非掘进状态下开挖面稳定试验的功能，而且整个装置采用一般不透明型材，这样不利于直观展示泥水盾构的掘进过程。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多功能教学泥水盾构试验系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，该系统包括模型箱、盾构机、进泥组件、出泥组件、泥水箱、收集箱、取样箱及液压动力装置，所述的模型箱中放置有模型土，模型箱的侧面设有一开口，与盾构机的前部接通，所述的盾构机通过进泥组件和出泥组件分别与泥水箱、收集箱连通，所述的泥水箱与收集箱之间设有连通管，盾构机与进泥组件、出泥组件、泥水箱和收集箱共同构成泥水循环系统，所述的盾构机底部还设有出样口，该出样口通过管道连接至取样箱。

所述的盾构机包括开挖面掘进组件、开挖面挡板、泥水舱、活塞挡板圈、橡胶止水圈、调节活塞、调节活塞轴、压力表及观察进料孔，所述的开挖面挡板设置在模型箱侧面的开口处，所述的开挖面挡板与调节活塞之间构成泥水舱，所述的调节活塞两侧设有限制其行程的活塞挡板圈和橡胶止水圈；所述的调节活塞轴一端连接调节活塞，另一端穿过盾构机尾部连接至液压动力装置，所述的泥水舱上设有压力表和观察进料孔。

所述的开挖面掘进组件包括刀盘、刀盘支撑架、刀盘旋转轴及水下变频电动机，所述刀盘旋转轴的一端与水下变频电动机连接，另一端穿过刀盘支撑架的轴孔与刀盘连接，所述刀盘支撑架上还设有至少一对进渣孔。

所述的活塞挡板圈和橡胶止水圈分别相向设置在盾构机内腔的上下两侧，所述的活塞挡板圈和橡胶止水圈各为一对，所述的调节活塞在两活塞挡板圈之间作水平移动。其中两活塞挡板圈之间的距离可根据具体试验条件进行调整。

所述的进泥组件包括泥水舱进泥管、进泥软管、进泥管接头、进泥主管，所述的泥水舱进泥管设置在调节活塞上，并通过进泥软管从盾构机侧壁上的进泥管接头引出连接进泥主管，所述的进泥主管与设置在泥水箱中的潜水泵相连接，所述的进泥主管上还设有流量调节阀、流量计，所述的泥水舱进泥管的末端设有细纱网，以防止泥浆从进泥管出口快速流出冲刷开挖面土体。

所述的出泥组件包括泥水舱出泥口、出泥软管、出泥管接头及出泥主管，所述的泥水舱出泥口设置在调节活塞上，并通过出泥软管从盾构机侧壁上的出泥管接头引出连接出泥主管，所述的出泥主管连接至收集箱中滤渣网的下部，并在出泥主管上设有流量调节阀和流量计。

所述的出泥主管还设有出泥支管，该出泥支管的一端与出泥主管相连通，另一端通过水泵连接至收集箱中滤渣网的下部。

所述的出样口设置在泥水舱底部，并通过软管连接取样桶，该取样桶侧壁设有取样口。

所述的盾构机的制作材质为有机玻璃。

所述的开挖面挡板开挖面挡板上可以对称设有开孔，用以研究开孔率对开挖面稳定性的影响，开挖面挡板用于模拟盾构非掘进状态下开挖面的稳定性，试验开始前开挖面挡板与模型箱面板齐平。(开挖面挡板与刀盘不同时使用，刀盘和刀盘支撑件用于模拟盾构掘进状态的模拟)

试验过程中，在模型箱填土时，通过观察进料孔向泥水舱中同步添加易溶于水的固体颗粒(如食盐、冰糖、固体酒精等)，以保持开挖面挡板在此过程中的静止；也可以在此过程中，在泥水舱中安装传感器，以检测泥浆在泥水盾构模型机工作过程中的状态变化。模型箱填土完成后，泥浆在潜水泵的作用下通过透明进泥主管、进泥管接头、进泥软管及进泥管进入泥水舱，同时在进泥管末端处设置细纱网，以防止泥浆从进泥管出口处快速流出冲刷开挖面土体；泥浆将固体颗粒快速溶解，最终开挖面挡板由泥浆压力支撑，开挖面土体溶于泥浆后，经过出泥软管、出泥管接头及出泥主管流入泥水收集箱底部，大颗粒土体被滤渣网阻隔沉积于泥水收集箱底部，其余泥浆经联通管道进入泥水箱，并开始下一个泥水循环；进出泥管流量可以以通过流量计记录，而且可以通过流量调节阀和水泵共同控制其流量大小，进出泥管中泥浆压力通过压力表读取；泥水舱中泥浆压力通过设置在泥水舱上下部的压力表读取；通过调节泥水舱中调节活塞的位置可以调节泥水舱大小，以研究其对开挖面稳定的影响；开挖面掘进组件可以用来模拟刀盘在泥水压力作用下对开挖面土体的动态切削过程；泥水舱中泥浆经软管可进入取样箱，可以实时取样并检测泥水盾构模型机工作过程中泥浆状态的变化。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1.采用高强度透明有机玻璃和透明硬塑料软管制作，在试验中可以清晰的观察到泥水盾构模型机内部的工作状态；

2.采用一种新的可以保证开挖面土体在试验前静止不动，而且不影响后续泥水盾构机开挖试验的填土方法；

3.试验过程中，泥水舱的尺寸大小可以进行调节；

4.具有泥浆实时取样功能；

5.不仅具备了模拟泥水盾构机非掘进状态下开挖面稳定试验的功能，也具备了模拟泥水盾构机掘进开挖隧道的功能。

附图说明

图1为本发明一种多功能教学泥水盾构试验系统装置示意图；

图2为本发明一种多功能教学泥水盾构试验系统开挖面挡板平面图；

图3为本发明一种多功能教学泥水盾构试验系统开挖面掘进部件图；

图中标记说明：

1-模型箱、2-模型土、3-透明防水橡胶垫圈a、4-法兰盘e、5-开挖面挡板、6-螺栓、7-压力表、8-压力表接头、9-观察进料孔、10-阀门、11-活塞档板圈、12-透明橡胶止水圈、13-细纱网、14-出泥口、15-调节活塞、16-橡胶密封圈、17-进泥管、18-进泥软管、19-出泥软管、20-调节活塞轴、21-进泥管接头、22-出泥管接头、23-泄水孔、24-透明防水橡胶垫圈b、25-法兰盘f、26-防水橡胶垫圈c、27-流量计、28-流量调节阀、29-进泥主管、30-出泥主管、31-出泥支管、32-水泵、33-泥水收集箱、34-潜水泵、35-泥水箱、36-出样口、37-软管、38-取样桶、39-防水橡胶垫圈d、40-取样口、41-滤渣网、42-连通管、43-开孔、44-刀盘、16-橡胶密封圈、45-刀盘支撑架、46-进渣孔、47-刀盘旋转轴、48-水下变频电动机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～3所示，一种多功能教学泥水盾构试验系统，该系统包括模型箱1、盾构机、进泥组件、出泥组件、泥水箱35、收集箱33、取样箱38及液压动力装置，模型箱1中放置有模型土2，模型箱1的侧面设有一开口，与盾构机的前部相接通；盾构机通过法兰盘e4和螺栓6固定在模型箱1的侧面上，法兰盘e4和模型箱1之间还设有透明防水橡胶垫圈a3；盾构机通过进泥组件和出泥组件分别与泥水箱35、收集箱33相连通，泥水箱35与收集箱33之间设有连通管42，盾构机与进泥组件、出泥组件、泥水箱35和收集箱33共同构成泥水循环系统，盾构机底部还设有出样口36，并通过软管37连接至取样箱38，该取样箱38底部设有取样口40，顶部封口处边缘还设有防水橡胶垫圈d39。

本实施例中，盾构机的制作材质为有机玻璃，盾构机包括开挖面掘进组件、开挖面挡板5、泥水舱、活塞挡板圈11、橡胶止水圈12、调节活塞15、调节活塞轴20、压力表7及观察进料孔9，所述的开挖面挡板5设置在模型箱1侧面的开口处，所述的开挖面挡板5与调节活塞15之间构成泥水舱，所述的调节活塞15两侧设有限制其行程的活塞挡板圈11和橡胶止水圈12，活塞挡板圈11和橡胶止水圈12分别相向设置在盾构机内腔的上下两侧，活塞挡板圈11和橡胶止水圈12各为一对。调节活塞15在两活塞挡板圈11之间作水平移动。所述盾构机的尾部通过法兰盘f25和螺栓6与设有轴孔的半圆外罩相连接，调节活塞轴20穿过半圆外罩的轴孔连接至液压动力装置，所述法兰盘f25处设有透明防水橡胶垫圈b24，调节活塞轴20和半圆外罩轴孔连接处还设有防水橡胶垫圈c26；盾构机的尾部下侧面还设有泄水孔23，用于试验时盾构机内部多余水的排出；所述的压力表7为一对，分别通过压力表接头8对称安装在泥水舱的上下两侧，观察进料孔9设置在泥水舱的上侧，观察进料孔9也可以作为进料孔用于进料，观察进料孔9下侧设有阀门10。

开挖面掘进组件包括刀盘44、刀盘支撑架45、刀盘旋转轴47及水下变频电动机48，所述的开挖面挡板5上对称设有四个开孔43，周围设有橡胶密封圈16；刀盘旋转轴47的一端与水下变频电动机48连接，另一端穿过刀盘支撑架45的轴孔与刀盘44连接，所述刀盘支撑架45上还对称设有两对进渣孔46。

所述的进泥组件包括泥水舱进泥管17、进泥软管18、进泥管接头21、进泥主管29，所述的泥水舱进泥管17设置在调节活塞15上，并通过进泥软管18从盾构机侧壁上的进泥管接头21引出连接进泥主管29，所述的进泥主管29与设置在泥水箱35中的潜水泵34相连接，所述的进泥主管29上还设有流量调节阀28、流量计27，所述的泥水舱进泥管17的末端设有细纱网13。

所述的出泥组件包括泥水舱出泥口14、出泥软管19、出泥管接头22及出泥主管30，所述的泥水舱出泥口14设置在调节活塞15上，并通过出泥软管19从盾构机侧壁上的出泥管接头22引出连接出泥主管30，所述的出泥主管30连接至收集箱33中滤渣网41的下部，并在出泥主管30上设有流量调节阀和流量计。泥水舱出泥口14也设有细纱网13；所述的出泥主管30还设有出泥支管31，该出泥支管31的一端与出泥主管30相连通，另一端依次通过流量调节阀、水泵32连接至收集箱33中滤渣网41的下部。

试验过程中，在模型箱1填土时，通过观察进料孔9向泥水舱中同步添加易溶于水的固体颗粒(如食盐、冰糖、固体酒精等)，以保持开挖面挡板5在此过程中的静止；也可以在此过程中，在泥水舱中安装传感器，以检测泥浆在泥水盾构模型机工作过程中的状态变化。模型箱1填土完成后，泥浆在潜水泵34的作用下通过透明进泥主管29、进泥管接头21、进泥软管18及进泥管17进入泥水舱，同时在进泥管17末端处设置细纱网13，以防止泥浆从进泥管17出口处快速流出冲刷开挖面土体；泥浆将固体颗粒快速溶解，最终开挖面挡板5由泥浆压力支撑，开挖面土体溶于泥浆后，经过出泥软管19、出泥管接头22及出泥主管30流入泥水收集箱33底部，大颗粒土体被滤渣网41阻隔沉积于泥水收集箱33底部，其余泥浆经联通管42道进入泥水箱35，并开始下一个泥水循环；进出泥管流量可以以通过流量计27记录，而且可以通过流量调节阀28和水泵32共同控制其流量大小，进出泥管中泥浆压力通过压力表7读取；泥水舱中泥浆压力通过设置在泥水舱上下部的压力表7读取；通过调节泥水舱中调节活塞15的位置可以调节泥水舱大小，以研究其对开挖面稳定的影响；开挖面掘进组件可以用来模拟刀盘在泥水压力作用下对开挖面土体的动态切削过程；泥水舱中泥浆经软管37可进入取样箱38，可以实时取样并检测泥水盾构模型机工作过程中泥浆状态的变化。

本实施例中设计的开挖面挡板5设有开孔43，可以进行非掘进状态下开挖面稳定试验，而且还可以在后续的试验中更换设有不同开孔43数量的开挖面挡板5，用以研究开孔率对开挖面稳定的影响。

Claims (9)

1.一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，该系统包括模型箱(1)、盾构机、进泥组件、出泥组件、泥水箱(35)、收集箱(33)、取样箱(38)及液压动力装置，所述的模型箱(1)中放置有模型土(2)，模型箱(1)的侧面设有一开口，与盾构机的前部接通，所述的盾构机通过进泥组件和出泥组件分别与泥水箱(35)、收集箱(33)连通，所述的泥水箱(35)与收集箱(33)之间设有连通管(42)，盾构机与进泥组件、出泥组件、泥水箱(35)和收集箱(33)共同构成泥水循环系统，所述的盾构机底部还设有出样口(36)，该出样口(36)通过管道连接至取样箱(38)。

2.根据权利要求1所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的盾构机包括开挖面掘进组件、开挖面挡板(5)、泥水舱、活塞挡板圈(11)、橡胶止水圈(12)、调节活塞(15)、调节活塞轴(20)、压力表(7)及观察进料孔(9)，所述的开挖面挡板(5)设置在模型箱(1)侧面的开口处，所述的开挖面挡板(5)与调节活塞(15)之间构成泥水舱，所述的调节活塞(15)两侧设有限制其行程的活塞挡板圈(11)和橡胶止水圈(12)；所述的调节活塞轴(20)一端连接调节活塞(15)，另一端穿过盾构机尾部连接至液压动力装置，所述的泥水舱上设有压力表(7)和观察进料孔(9)。

3.根据权利要求2所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的开挖面掘进组件包括刀盘(44)、刀盘支撑架(45)、刀盘旋转轴(47)及水下变频电动机(48)，所述刀盘旋转轴(47)的一端与水下变频电动机(48)连接，另一端穿过刀盘支撑架(45)的轴孔与刀盘(44)连接，所述刀盘支撑架(45)上还设有至少一对进渣孔(46)。

4.根据权利要求2所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的活塞挡板圈(11)和橡胶止水圈(12)分别相向设置在盾构机内腔的上下两侧，所述的活塞挡板圈(11)和橡胶止水圈(12)各为一对，所述的调节活塞(15)在两活塞挡板圈(11)之间作水平移动。

5.根据权利要求2所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的进泥组件包括泥水舱进泥管(17)、进泥软管(18)、进泥管接头(21)、进泥主管(29)，所述的泥水舱进泥管(17)设置在调节活塞(15)上，并通过进泥软管(18)从盾构机侧壁上的进泥管接头(21)引出连接进泥主管(29)，所述的进泥主管(29)与设置在泥水箱(35)中的潜水泵(34)相连接，所述的进泥主管(29)上还设有流量调节阀(28)、流量计(27)，所述的泥水舱进泥管(17)的末端设有细纱网(13)。

6.根据权利要求2所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的出泥组件包括泥水舱出泥口(14)、出泥软管(19)、出泥管接头(22)及出泥主管(30)，所述的泥水舱出泥口(14)设置在调节活塞(15)上，并通过出泥软管(19)从盾构机侧壁上的出泥管接头(22)引出连接出泥主管(30)，所述的出泥主管(30)连接至收集箱(33)中滤渣网(41)的下部，并在出泥主管(30)上设有流量调节阀和流量计。

7.根据权利要求7所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的出泥主管(30)还设有出泥支管(31)，该出泥支管(31)的一端与出泥主管(30)相连通，另一端通过水泵(32)连接至收集箱(33)中滤渣网(41)的下部。

8.根据权利要求2所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的出样口(36)设置在泥水舱底部，并通过软管(37)连接取样桶(38)，该取样桶(38)侧壁设有取样口(40)。

9.根据权利要求1所述的一种多功能教学泥水盾构试验系统，其特征在于，所述的盾构机的制作材质为有机玻璃。