CN104949851A - 类矩形盾构切削推进模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统，包括一个模型箱、水平推进装置、电动机和类矩形盾构模拟刀盘，电动机安装在水平导轨上，水平推进装置可以推动电动机在水平导轨上直线运动以模拟推进运动，电动机的输出轴与类矩形模拟刀盘中的两个切削刀头传动连接，带动切削刀头转动以模拟切削运动，类矩形模拟刀盘及两个切削刀头位于模型箱内被埋置于模型土中，切削刀头在装有模型土的模型箱内做推进切削运动使模型土产生运动。在模型箱上设置有透明的观测壁，模型箱外部与观测壁相对设置有观测装置来观测模型箱内的模型土的运动情况，以此模拟类矩形盾构切削推进的工况。

Description

类矩形盾构切削推进模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统。

背景技术

随着市政交通建设的加快和周边环境保护要求的提高，在软土地区城市地下通道等工程的施工，对非开挖技术提出了更高的要求，要能够减小对环境影响，适应浅埋的施工条件。类矩形盾构隧道因其断面利用率高、施工成本低、地面沉降控制效果好等特点，受到了广泛的关注，对其的研究应用可谓大势所趋。随着大断面矩形顶管案例的成功实施，对类矩形盾构隧道的研究更是迫在眉睫。当前正处于我国地下空间飞速发展的时期，蕴含着巨大的潜力。类矩形盾构相关技术的研究，能极大提高我国在国际隧道掘进行业中的竞争优势，将我国类矩形盾构设备与施工技术提升到一个全新的水平。同时还将带动类矩形盾构相关配套产品的发展，进而带动整个产业链的发展，对瞄准国际先进水平，开展隧道盾构前沿技术、共性关键技术研究，促进科研成果产业化，实现可持续发展和保持经济稳定增长，具有重要的战略意义。

类矩形盾构机往往具有多个刀盘，有别于传统圆形盾构的单刀盘，甚至存在有小的偏心刀盘。因此类矩形盾构隧道在切削推进的过程中，由于刀盘之间相互影响，开挖面存在极大的不确定性，需特别关注其稳定性问题。同时，由于开挖面的稳定性问题对环境造成的影响，也应给予足够的重视，而相关研究表明类矩形盾构隧道一个重要问题就是切削面的稳定问题。目前国内关于类矩形盾构的研究较少，还没有能够较好地模拟类矩形盾构刀盘工作的试验系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统，以能够模拟类矩形盾构的刀盘在切削推进工作过程中的工作状态，为类矩形盾构切削推进的研究提供一种模拟试验系统。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统，其特征是，包括以下部分：模型箱，模型箱中填充模型土，模型箱由多个侧壁围成，其中一个侧壁为由透明材料制成的观测壁；类矩形盾构模拟刀盘，位于所述模型箱内；所述类矩形盾构模拟刀盘上设有两个切削刀头；电动机，可移动地安装在一水平导轨上，电动机的输出轴与两个切削刀头传动连接；水平推进装置，与电动机相连接并推动电动机在所述水平导轨上直线运动；观测装置，设置在模型箱外部并与所述观测壁相对。

进一步地，所述观测壁上划有格栅线。

优选地，所述水平推进装置为一千斤顶。

进一步地，所述模型箱上与观测壁相对的侧壁为支承壁，电动机的输出轴穿过支承壁与两个切削刀头传动连接。

进一步地，所述电动机的输出轴与支承壁之间设有轴承。

进一步地，所述电动机有两个，所述两个切削刀头各与一个电动机的输出轴相连接。

优选地，所述模型土中埋设应力、应变及位移传感器。

进一步地，所述刀盘的底部设有出土口。

优选地，所述刀盘的顶部设有多个圆锥形凸起。

优选地，所述观测装置为摄像机。

如上所述，本发明的一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统，具有以下有益效果：本发明所涉及的技术方案提供了一种能够模拟类矩形盾构推进切削时的工作状态的试验系统，试验系统配置观测装置，可以观测推进切削过程中的土体运动情况以进行试验分析，本试验系统结构较为简单，试验方便。

附图说明

图1为本发明实施例的类矩形盾构切削推进模拟试验系统示意图。

图2为本发明实施例的类矩形盾构切削推进模拟试验系统中类矩形盾构模拟刀盘的示意图。

图3为本发明实施例的类矩形盾构切削推进模拟试验系统中观测壁上的栅格示意图。

图4为本发明实施例的类矩形盾构切削推进模拟试验系统采用两台电动机分别带动两个切削刀头的方案示意图。

零件标号说明

1   水平导轨                  42  圆锥形凸起

2   千斤顶                    43  出土口

3   电动机                    5   模型箱

31  安装板                    51  支承壁

4  类矩形盾构模拟刀盘         52  观测壁

41  切削刀头                  6   摄像机

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1至图2所示为本发明所涉及的一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统，包括一个模型箱5、水平推进装置、电动机3和类矩形盾构模拟刀盘4，电动机3安装在水平导轨1上，水平推进装置可以推动电动机3在水平导轨1上直线运动以模拟推进运动，电动机3的输出轴与类矩形盾构模拟刀盘4中的两个切削刀头41传动连接，带动切削刀头41转动以模拟切削运动，类矩形盾构模拟刀盘4及两个切削刀头41位于模型箱5内被埋置于模型土中，切削刀头41在装有模型土的模型箱5内做推进切削运动使模型土产生运动。

水平推进装置能够提供推进运动和推进力，在本实施方案中，如图1和图4所示，水平推进装置为千斤顶2，采用液压驱动，千斤顶2与水平导轨1之间相对固定安装，千斤顶2的顶杆与电动机3的机壳后端连接，电动机3的机壳底部设置有与水平导轨1配合的导轨配合机构，比如滑块或者滚轮，使电动机3在水平推进装置的作用下能沿水平导轨1做直线运动。当千斤顶2的顶杆顶进或者缩回时，千斤顶2能够带动电动机3沿水平导轨1顶进或者缩回。

类矩形盾构模拟刀盘4包括两个切削刀头41，电动机3的输出轴与类矩形盾构模拟刀盘4的两个切削刀头41传动连接。可以用一个电动机3通过传动机构带动两个切削刀头41转动，比如采用齿轮传动机构来带动两个切削刀头41转动，也可以采用两台电动机3分别带动两个切削刀头41转动。如图4所示，在使用两台电动机3分别带动两个切削刀头41的实施例中，每个电动机3的输出轴上连接一个切削刀头41，两台电动机3分别带动两个切削刀头41转动。当采用两台电动机3分别带动两个切削刀头41转动时，可以为两台电动机3分别配置一个水平顶进装置，本实施例中，采用两个千斤顶2分别顶进两台电动机3，两个液压千斤顶2均与水平导轨1相对固定安装，两个千斤顶2的顶杆分别与两台电动机3的机壳后端连接，两台电动机3的机壳底部均设置有安装板31，安装板31上设置有与水平导轨1配合的滚轮，水平导轨1为钢导轨，电动机3在水平推进装置的作用下能沿水平导轨1做直线运动。当采用两台电动机3分别带动两个切削刀头41转动时，也可以通过固定连接板将两台电动机3的机壳固定连接，通过一台千斤顶2与固定连接板连接，千斤顶2通过顶进连接板使两台电机一起沿水平导轨1作直线运动。

如图1和图4所示，模型箱5固定安放在地面上，在模型箱5中填充有试验用的模型土，模型土的介质材料根据需要选择，以模拟不同的土体条件。模型箱5包括多个侧壁，其中一个侧壁由透明材料制成，比如有机玻璃，透明的侧壁为观测壁52以便于通过观测壁52观察和记录测模型箱5内的模型土运动情况，在模型箱5的外部，与观测壁52相对设置有观测装置，观测装置可以采用摄像机6，通过摄像机6能够透过观测壁52观测模型箱5内模型土的运动情况，对试验全过程进行观测。

模型箱5上与观测壁52相对的侧壁为支承壁51，电动机3的输出轴穿过支承壁51与两个切削刀头41传动连接。支承壁51可采用强度和刚度较高的材料制成，可以将支承壁51上电动机3输出轴穿过的孔设置成轴承孔，轴承孔内安装轴承来支承电机输出轴，以改善电机输出轴在切削过程承受的径向力而产生的扰度。电动机3的输出轴能相对轴承旋转运动，还能相对轴承做轴向运动。可以用不锈钢底板做为模型箱5的底部，用角钢作为模型箱5的棱边以使试验模型箱5具有较好的强度和刚度，防止模型箱5的变形。

在模型箱5的观测壁52上，可以设置有划好的栅格线，通过栅格线可以使观测装置很好地辨别地表土体的沉降或隆起情况，如图3所示，栅格的可以设置为多条横向和纵向的直线划分的方格，方格的大小和密度可以根据实际需要设置。可结合PIV技术分析模型箱5中模型土的运动情况，以此模拟出在类矩形盾构在施工过程中地表的沉降或隆起情况，评估施工对环境的影响。为了能够更多角度地对试验过程中模型箱5内土动情况进行观测，可以将模型箱5的其他侧壁也采用用透明材料制成，并配置观测装置对模型箱5内的土动情况进行观测并结合PIV技术分析模型箱5中模型土的运动情况。

如图2所示，为了更好的模拟类矩形盾构模拟刀盘4的切削过程，可以在类矩形盾构模拟刀盘4的顶部设置多个圆锥形凸起42，为了不使圆锥形凸起42与切削刀头41碰撞，圆锥形凸起42设置在两个切削刀头41的外接圆在类矩形盾构模拟刀盘4背板上投影区域以外的区域，当切削刀头41在切削过程中掀起的土块较大，不易破碎时，切削刀头41将掀起的土块挤压到圆锥形凸起42上挤压破碎。在类矩形盾构模拟刀盘4的底部设置有出土口43，通过出土口43可以将切削刀头41切削破碎的土排出。

为了获得更多的试验测量信息，可以在模型土中预埋应力、应变及位移传感器，通过传感器来监测在切削刀头41推进切削过程中模型土中的应力及变形情况，模拟类矩形盾构在施工过程中对土体的扰动情况，对施工质量及环境影响作出评估。

为了模拟类矩形盾构在不同推进速度和不同切削速度情况下的工作状况，本发明所涉及的类矩形盾构切削推进模拟试验系统还包括控制系统，控制系统通过控制程序来控制水平推进装置的推进速度和电动机3的切削速度，通过设定不同的推进速度和切削速度来模拟不同的切削刀盘，较好地模拟各种类矩形盾构推进的工况。

以下对本发明所涉及的类矩形盾构切削推进模拟试验系统一般使用方法进行说明：

1.安装好试验装置，试验模型箱5有机玻璃挡板上划好格栅。

2.向试验箱子系统中填充模型土，预埋好应力、应变及位移传感器等。

3.向模型箱5填充模型土完毕后，校准导轨水平度，设定电动机3转速、千斤顶2行程与顶进速度。

4.先开启观测装置，然后再开启电动机3、千斤顶2，此时观测装置已开始拍摄，记录切削过程中土舱内土体的运动情况。

一组试验完毕后，获取传感器的各项数据，结合记录数据，综合分析类矩形盾构切削推进过程土体的运动规律及施工过程对环境的影响。

通过设定不同的切削转速、推进行程、推进速度与更换不同的刀盘形式，来模拟各种不同的工况。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统，其特征是，包括以下部分：

模型箱(5)，模型箱(5)中填充模型土，模型箱(5)由多个侧壁围成，其中一个侧壁为由透明材料制成的观测壁(52)；

类矩形盾构模拟刀盘(4)，位于所述模型箱(5)内，所述类矩形盾构模拟刀盘(4)上设有两个切削刀头(41)；

电动机(3)，可移动地安装在一水平导轨(1)上，电动机(3)的输出轴与两个切削刀头(41)传动连接；

水平推进装置，与电动机(3)相连接并推动电动机(3)在所述水平导轨(1)上直线运动；

观测装置，设置在模型箱(5)外部并与所述观测壁(52)相对。

2.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述观测壁(52)上划有格栅线。

3.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述水平推进装置为一千斤顶(2)。

4.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述模型箱(5)上与观测壁(52)相对的侧壁为支承壁(51)，电动机(3)的输出轴穿过支承壁(51)与两个切削刀头(41)传动连接。

5.根据权利要求4所述的模拟试验系统，其特征是，所述电动机(3)的输出轴与支承壁(51)之间设有轴承。

6.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述电动机(3)有两个，所述两个切削刀头(41)各与一个电动机(3)的输出轴相连接。

7.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述模型土中埋设应力、应变及位移传感器。

8.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述类矩形盾构模拟刀盘(4)的底部设有出土口(43)。

9.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述类矩形盾构模拟刀盘(4)的顶部设有多个圆锥形凸起(42)。

10.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征是，所述观测装置为摄像机(6)。