CN105545316B - 用于砂土中模拟盾构机掘进的模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，包括盾构机支撑架、盾构机外钢筒、开挖面切削单元、排砂单元、模型盾构机顶进单元以及压力监测单元；盾构机外钢筒固定在盾构机支撑架上，盾构机外钢筒内设有盾头和模型隧道；压力监测单元包括盾构机头封闭仓内的压力传感器和盾构机尾部的拉压传感器；排砂单元包括无级变速吸尘器、PVC吸气管和PVC进气管；依次相互连接的无级变速吸尘器、PVC吸气管、盾构机头封闭仓和PVC进气管形成一用于排砂的气体循环通路。本发明采用吸尘器原理来进行排砂，节省了模型盾构机内部的操作空间，为盾构机后方模型隧道内部布置传感器进行监测创造了条件，其排砂方法更直接、有效、可靠，便于试验操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种能仿真实际盾构机掘进的模型试验装置及试验方法。
背景技术
近年来，随着城市地铁事业的不断发展，土压平衡盾构机在隧道区间的修建过程中得到了越来越广泛的应用。为了清楚的了解盾构机实际的工作状态以及盾构机开挖过程中对周边环境的影响机理，国内外有许多学者设计了模型盾构机装置，并开展了模型盾构试验研究。然而，这些模型装置基本上均采用钻杆进行排砂，其工作原理可简单概括为通过外部动力装置使得钢筒内部的钻杆转动，从而将砂土从钢筒中缓缓带出。上述试验装置的局限性在于：钻杆直径应略小于外钢筒内径(否则砂土不能顺利随着钻杆排出钢桶，效率大大降低)，这样一来钻杆会占用钢筒内部大量的空间，无法实现在盾构机后方的模型隧道内部放置传感器进行监测。同时，采用大直径钻杆的模型盾构机与实际盾构机的构造有一定的出入(实际盾构机中负责输送土的螺旋输送机相比盾构机外壳尺寸较小，且一般位于土仓底部)，而这一出入势必会对试验结果造成影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种用于砂土中模拟盾构机掘进的模型试验装置，模拟效果好，操作简单且试验方法可靠。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，包括盾构机支撑架、盾构机外钢筒、开挖面切削单元、排砂单元、模型盾构机顶进单元以及压力监测单元；所述盾构机外钢筒固定在所述盾构机支撑架上，所述盾构机外钢筒的前端设有可拆卸盾头，所述可拆卸盾头包括盾构机头封闭仓；所述盾构机外钢筒内位于所述可拆卸盾头的后方设有模型隧道；所述开挖面切削单元包括设置在所述盾构机头封闭仓内的桨状刀片，设置在盾构机尾部的伺服电机，所述伺服电机通过传动杆将动力传递给所述桨状刀片；所述模型盾构机顶进单元为三自由度顶进台；所述压力监测单元包括设置在盾构机头封闭仓内的压力传感器和固定在盾构机外钢筒尾部的拉压传感器；所述排砂单元包括无级变速吸尘器、PVC吸气管和PVC进气管；所述无级变速吸尘器的吸气口通过所述PVC吸气管与所述盾构机头封闭仓连通；所述PVC进气管的一端与所述盾构机头封闭仓连通，所述PVC进气管的另一端与大气连通用于为盾构机头封闭仓进行补气，依次相互连接的无级变速吸尘器、PVC吸气管、盾构机头封闭仓和PVC进气管形成一用于排砂的气体循环通路。
进一步讲，本发明用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，其中，所述三自由度顶进台包括竖直方向直线导柱、推进方向直线导轨和平动方向直线导轨；所述盾构机支撑架设置在所述推进方向直线导轨上；所述盾构机支撑架与所述推进方向直线导轨之间、所述推进方向直线导轨与所述竖直方向直线导柱之间、所述竖直方向直线导柱的底部与所述平动方向直线导轨之间分别通过移动副连接；所述盾构机支撑架具有沿平动方向、竖直方向和推进方向移动的三自由度；所述三自由度顶进台的驱动力为电动或手动。
所述压力监测单元中的压力传感器用于监测盾构顶进过程中所述盾构机头封闭仓内的土压力，以调整无级变速吸尘器的吸气速度；所述拉压传感器用于监测盾构机顶进过程中，在推进方向上施加给盾构机的总的推力，该推力减去盾构机头封闭仓内土压力的总和即为盾构机外钢筒与模型箱内砂土之间的摩擦力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
前人在盾构模型试验中仿照实物盾构机工作原理，采用了钻杆类的东西来代替螺旋输送机来进行排砂工作，然而钻杆本身占用空间就大，还需要额外的动力装置使其转动，由于模型盾构机机身内本身可利用空间就狭小，这使得模型盾构机的设计受到了很大局限。本发明针对砂土这种特殊的散粒结构，采用了吸尘器及PVC导气管组合的方式进行排砂，节省了模型盾构机内部的操作空间，节省出来的空间为盾构机后方模型隧道内部布置传感器进行监测创造了条件，可以用来在钢筒内的隧道上布置相应的传感器和放置导线，为隧道的受力及变形监测提供了条件。同时，吸气管管口位置放置在盾构机封闭仓底部，与采用大直径钻杆的方法相比能更加真实的模拟实际盾构机的工作状态。采用上述装置进行排砂可靠有效，在试验操作过程中容易实现且便于控制，比起钻杆排砂，是一种更为适合砂土模型盾构类试验的试验装置。
附图说明
图1为本发明用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置的结构示意图；
图中：
1-盾构机支撑架 2-盾构机外钢筒 3-可拆卸盾头
4-盾构机头封闭仓 5-模型隧道 6-桨状刀片
7-伺服电机 8-压力传感器 9-拉压传感器
10-吸气管 11-进气管 12-竖直方向直线导柱
13-推进方向直线导轨 14-平动方向直线导轨
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施 例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明的一种用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，包括盾构机支撑架1、盾构机外钢筒2、开挖面切削单元、排砂单元、模型盾构机顶进单元以及压力监测单元。所述盾构机外钢筒2固定在所述盾构机支撑架1上，所述盾构机外钢筒2的前端设有可拆卸盾头3，所述可拆卸盾头3包括盾构机头封闭仓4；所述盾构机外钢筒2内位于所述可拆卸盾头3的后方设有模型隧道5。
所述开挖面切削单元包括设置在所述盾构机头封闭仓4内的桨状刀片6，设置在盾构机尾部的伺服电机7，所述伺服电机7通过传动杆将动力传递给所述桨状刀片6。伺服电机7的转速可以根据不同掘进速度调整并通过传动杆带动桨状刀片6切削前方土体，滑落的砂土进入盾构机头封闭仓4。
所述排砂单元包括无级变速吸尘器、和PVC进气管11，所述无级变速吸尘器的吸气口通过所述PVC吸气管10与所述盾构机头封闭仓4连通；所述PVC进气管11的一端与所述盾构机头封闭仓4连通，所述PVC进气管11的另一端与大气连通用于为盾构机头封闭仓4进行补气，依次相互连接的无级变速吸尘器、PVC吸气管10、盾构机头封闭仓4和PVC进气管11形成一用于排砂的气体循环通路。本发明中，吸气管和进气管均采用PVC管，刚度得到保障，不至于在较大的真空负压下变形，能够保证砂土在管道内部顺利运送，无级变速吸尘器可以根据盾构机头内压力的不同需求来调整吸力的大小，将砂土从盾构机头封闭仓4吸出。本发明中所用的PVC管分为两类：一类PVC管被用作吸气管，与无级变速吸尘器连接，用以吸砂；另一类PVC管为进气管，两端分别连通盾构机头封闭仓4和外界大气，为盾构机头封闭仓4里面提供一定补气环境，由于盾构机头内部是个封闭仓，盾构往砂土里推进过程中，如果没有补气环境，会造成PVC吸气管10堵塞，因此，由相互连接的无级变速吸尘器、PVC吸气管10、盾构机头封闭仓4和PVC进气管11所形成的气体循环通路，可以避免PVC吸气管10堵塞，从而将盾构机头封闭仓4的砂土沿PVC吸气管10顺利排除。
所述模型盾构机顶进单元为三自由度顶进台；所述三自由度顶进台包括竖直方向直线导柱12、推进方向直线导轨13和平动方向直线导轨14；所述盾构机支撑架1设置在所述推进方向直线导轨13上；所述盾构机支撑架1与所述推进方向直线导轨13之间通过移动副连接，即所述盾构机支撑架1的底部设有与所述推进方向直线导轨13配合的滑槽，以实现盾构机支撑架1可以沿着推进方向直线导轨13移动，使盾头推进或远离；所述推进方向直线导轨13与所述竖直方向直线导柱12之间通过移动副连接，即所述推进方向直线导轨13的两侧各设有竖直方向的通孔，通过通孔与两个竖直方向直线导柱12的滑动配合，可以使所述推进方向直线导轨13带着其上的盾构机支撑架1沿竖直方向直线导柱12上下移动；所述竖直方向直线导柱12与所述平动方向直线导轨14之间通过移动副连接，即在竖直方向直线导柱12的底部设有支撑台，在支撑台底部设有与平动方向直线导轨14配合 的滑槽，从而可以使竖直方向直线导柱12沿平动方向直线导轨14移动；因此，所述盾构机支撑架1具有沿平动方向、竖直方向和推进方向移动的三自由度，即盾构机支撑架1可以沿着竖直方向直线导柱12上下移动，可以沿着底部的平动方向直线导轨14左右移动以调整盾构机位置，以适应不同尺寸及洞口位置的砂土模型箱。盾构机支撑架1可以沿着上部的推进方向直线导轨13前进和后退，以模拟盾构的推进和远离；所述三自由度顶进台的驱动力为电动或手动，即实现顶进的动力源不限，可以是伺服电机或手摇丝杠等等。
所述压力监测单元包括设置在盾构机头封闭仓4内的压力传感器8和固定在盾构机外钢筒2尾部的拉压传感器9；所述压力监测单元中的压力传感器8用于监测盾构顶进过程中所述盾构机头封闭仓4内的土压力，可为调整吸尘器的吸气速度提供参考；位于盾构机尾部的拉压传感器9通过螺杆与盾构机固定，可以监测盾构机顶进过程中实际提供给盾构机的总的推力大小，用总的推力减去盾构机封闭仓4内监测到的土压力总和(即压力传感器8的读数乘以盾构机头封闭仓4的横截面积)可以得到盾构机机身即盾构机外钢筒2与模型箱内砂土之间的摩擦力，这样盾构机受力情况可一目了然。
本发明用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置模拟实际盾构机接近、经过及远离的工作过程是：打开伺服电机7，通过传动杆带动前方桨状刀片6转动切削土体，让模型箱中的土体顺利进入到模型盾构机头封闭仓4内。监测盾构机头封闭仓4内压力传感器8的读数，待盾构机头封闭仓4内的土压力读数稳定后，向前推进盾构机外钢筒2(其外部动力源不限)，待盾构机头封闭仓4内的压力传感器8的读数上升到一定值时(土压力控制值视不同试验要求而定)，打开无级变速吸尘器，调整吸力大小，使压力传感器8的读数保持在设定值附近。如此一边推进盾构机，一边调整无级变速吸尘器的吸力进行吸砂，以稳定的盾构机头封闭仓4内土压力为前提，向前推进盾构机。当盾构机盾头3从模型箱另一端穿出，推进过程完成。拆卸盾构机盾头，固定好盾构机外钢筒2内的模型隧道5，做好模型箱穿出端的密封。三自由度顶进台向后移动，缓缓抽出盾构机外钢筒2，使盾构机外钢筒2内的模型隧道5暴露于砂土之中，由于盾构机外钢筒2本身有厚度，此外，还可以人为设定盾构机外钢筒2与模型隧道5的间隙大小，因而将盾构机外钢筒2抽出的过程即为产生土体损失的过程(可以采用不同厚度的钢筒来模拟不同大小的土体损失)。待将盾构机外钢筒2完全抽出，试验完成。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，包括盾构机支撑架(1)、盾构机外钢筒(2)、开挖面切削单元、排砂单元、模型盾构机顶进单元以及压力监测单元；
所述盾构机外钢筒(2)固定在所述盾构机支撑架(1)上，所述盾构机外钢筒(2)的前端设有可拆卸盾头(3)，所述可拆卸盾头(3)包括盾构机头封闭仓(4)；所述盾构机外钢筒(2)内位于所述可拆卸盾头(3)的后方设有模型隧道(5)；
所述开挖面切削单元包括设置在所述盾构机头封闭仓(4)内的桨状刀片(6)，设置在盾构机尾部的伺服电机(7)，所述伺服电机(7)通过传动杆将动力传递给所述桨状刀片(6)；
所述模型盾构机顶进单元为三自由度顶进台；
所述压力监测单元包括设置在盾构机头封闭仓(4)内的压力传感器(8)和固定在盾构机外钢筒(2)尾部的拉压传感器(9)；
其特征在于：
所述排砂单元包括无级变速吸尘器、PVC吸气管(10)和PVC进气管(11)；所述无级变速吸尘器的吸气口通过所述PVC吸气管(10)与所述盾构机头封闭仓(4)连通；所述PVC进气管(11)的一端与所述盾构机头封闭仓(4)连通，所述PVC进气管(11)的另一端与大气连通用于为盾构机头封闭仓(4)进行补气，依次相互连接的无级变速吸尘器、PVC吸气管(10)、盾构机头封闭仓(4)和PVC进气管(11)形成一用于排砂的气体循环通路。
2.根据权利要求1所述用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，其特征在于，所述三自由度顶进台包括竖直方向直线导柱(12)、推进方向直线导轨(13)和平动方向直线导轨(14)；所述盾构机支撑架(1)设置在所述推进方向直线导轨(13)上；所述盾构机支撑架(1)与所述推进方向直线导轨(13)之间、所述推进方向直线导轨(13)与所述竖直方向直线导柱(12)之间、所述竖直方向直线导柱(12)的底部与所述平动方向直线导轨(14)之间分别通过移动副连接；所述盾构机支撑架(1)具有沿平动方向、竖直方向和推进方向移动的三自由度；所述三自由度顶进台的驱动力为电动或手动。
3.根据权利要求1所述用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，其特征在于，所述压力监测单元中的压力传感器(8)用于监测盾构顶进过程中所述盾构机头封闭仓(4)内的土压力，以调整无级变速吸尘器的吸气速度；所述拉压传感器(9)用于监测盾构机顶进过程中，在推进方向上施加给盾构机的总的推力，该推力减去盾构机头封闭仓(4)内土压力的总和即为盾构机外钢筒(2)与模型箱内砂土之间的摩擦力。
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| GR01 | Patent grant | ||
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