CN105651536B - 类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，其包括：土箱，所述土箱为用于盛放试验土的箱体；模拟盾壳组件，其包括模拟盾壳板和油压千斤顶；所述模拟盾壳板从所述土箱的侧面插设于所述土箱的底部，所述模拟盾壳板贴近所述土箱的底板，所述模拟盾壳板的上表面设置有注入孔；所述油压千斤顶用于驱动所述模拟盾壳板沿所述底板的方向移动；土压模拟组件，设置于所述土箱的顶部，用于向所述土箱内的试验土施加竖向压力；减摩剂注入组件，连接于所模拟盾壳板的注入孔，用于通过所述注入孔向所述模拟盾壳板的上方注入减摩剂。本发明可较为真实的模拟实际工程中类矩形盾构推进过程盾壳与围岩产生的相对运动。

Description

类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统

技术领域

本发明属于隧道施工领域，尤其涉及一种类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统。

背景技术

近年来，随着大中型城市的不断扩张与发展，城市地面交通已经不能完全满足人们对于城市市内出行的需要。这迫使人们将目光转移到地下空间及城市地铁。轨道交通已逐渐成为缓解各大城市交通压力的主要交通方式，它贯穿于城市的许多主干道下，形成庞大的地下网络，给城市生活带来很多便利。然而，地铁从设计、施工到使用都是一个庞大的系统，有很多问题需要解决。尤其是施工，它直接决定着地铁的质量及对周围环境的影响。盾构掘进时，盾构机上下起伏，左右偏航和绕轴滚动的同时，也随着内部机器的运行发生着细微的摇动。因此在软土地区推进时，由于反复的剪切使得围岩土层被扰动，进而产生沉降。在砂质地层中，伴随着推进面土下落和围岩受剪切，引起围岩土产生膨胀，会使得盾壳承受异常的约束压力。对于软土地区的类矩形盾构，由于其相比较传统圆形盾构，更容易在顶部产生背土现象，这会使得盾壳与围岩之间产生的摩擦大于圆形盾构，一旦摩擦过大，将会对周围地层带来更大程度的扰动，进而使得后续沉降过大，带来工程安全事故。为了达到以下目的，很有必要在类矩形盾构机外壳和围岩间注入减摩材料。减摩材料可以起到如下技术效果：

1.减小千斤顶推力：可以防止在砂质地层中异常约束压力的发生以及减小在软粘性地层中类矩形盾构机外壳与围岩的摩擦。一旦千斤顶推力减小，推力富余量将变大，进而可以更好地控制推进方向，同时管片的应变和裂缝也将减少。

2.减小地层位移：在软粘性土层中，可减小由类矩形盾构机外壳与围岩的摩擦所引起地层扰动，有效控制后续沉降。另外，摩擦力及推力的减小也有助于减小对周围结构物的影响。

减摩材料的技术效果受减摩剂成分、注入压力、注入口分布等因素的影响，如何采用合适的工艺参数以达到最佳的减摩剂注入效果，是隧道盾构施工技术领域中的重要课题，这一课题的研究只单纯地通过理论分析方法进行是不够的，试验研究是解决这一技术课题的必不可少的重要方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，该类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统可以解决现有技术中存在的问题。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统包括：

土箱，所述土箱为用于盛放试验土的箱体；

模拟盾壳组件，其包括模拟盾壳板和油压千斤顶；所述模拟盾壳板从所述土箱的侧面插设于所述所述土箱的底部，所述模拟盾壳板贴近所述土箱的底板，所述模拟盾壳板的上表面设置有注入孔；所述油压千斤顶用于驱动所述模拟盾壳板沿所述底板的方向移动；

土压模拟组件，设置于所述土箱的顶部，用于向所述土箱内的试验土施加竖向压力；

减摩剂注入组件，连接于所模拟盾壳板的注入孔，用于通过所述注入孔向所述模拟盾壳板的上方注入减摩剂。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的进一步改进在于：所述土箱为无盖箱体，所述土箱的侧面底部设置有插接缝。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的进一步改进在于：所述模拟盾壳板的第一端从所述土箱的所述插接缝插入所述土箱内部；所述土箱的底板设置有两道互相平行的导轨，所述导轨的顶部嵌设有多个钢滚珠；所述模拟盾壳板的下表面设置有两条和所述导轨相对应的凹槽，所述模拟盾壳板的两个凹槽分别架设于两个所述轨道。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的进一步改进在于：所述油压千斤顶安装于所述土箱的下方，所述油压千斤顶的活塞杆连接于所述模拟盾壳板的第二端。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的进一步改进在于：所述油压千斤顶还包括一油压组件，所述油压组件用于检测所述油压千斤顶推动所述模拟盾壳板的推力。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的进一步改进在于：所述土压模拟组件包括加压袋、压力计以及压缩机；所述加压袋固定安装于所述土箱的顶部、所述试验土的上表面，所述压缩机用于向所加压袋注入压缩空气，所述压力计用于检测所述加压袋内部的气压。

本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的进一步改进在于：所述减摩剂注入组件包括压力计、注入泵和压缩机；所述注入泵通过管道连接于所述模拟盾壳板的注入孔，所述注入泵通过所述压缩机提供的压缩空气将所述减摩剂输送至所述注入孔，所述压力计用于检测所述减摩擦剂的注入压力。

本发明可应用在研究在软土地区类矩形盾构施工中给盾壳外部注入不同材料的减摩效果。这种系统：(1)可较为真实的模拟实际工程中类矩形盾构机外壳上部所受的土体自重应力；(2)可较为真实的模拟实际工程中类矩形盾构推进过程盾壳与围岩产生的相对运动；(3)可实时观测和评价减摩剂注入后的减摩效果；(4)试验结果应用于实际类矩形盾构施工中，可有效提高施工质量，减少工程事故的发生。

附图说明

图1为本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的示意图；

图2为本发明中的模拟盾壳板的下表面的示意图；以及

图3为本发明中的土箱的纵截面示意图。

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。

下面结合附图对本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统进行介绍：

如图1所示，本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统包括土箱10、模拟盾壳组件20、土压模拟组件30以及减摩剂注入组件40。

土箱10为用于盛放试验土11的箱体。试验土11是现场原状土，用于模拟盾构机周围的围岩。土箱10为无盖立方体箱体，其材质可以为钢材也可以为铝合金。

如图1所示，模拟盾壳组件20包括模拟盾壳板21和油压千斤顶22。模拟盾壳板21从土箱10的侧面插设于土箱10的底部，模拟盾壳板21贴近土箱10的底板12。油压千斤顶22安装于土箱10的下方，用于驱动模拟盾壳板21沿底板12的方向水平移动。模拟盾壳板21通过水平移动模拟盾构推进时的运动状况。由于试验土11覆盖于模拟盾壳板21的上表面，因此在模拟盾壳板21运动过程中还可模拟盾构外壳和周围围岩的相互作用。

如图1至图3所示，在本实施例中，土箱10的侧面的底部设置有一条插接缝13。插接缝13位于土箱10的侧壁14和底板12的结合处。插接缝13的长度略大于模拟盾壳板21的宽度。模拟盾壳板21的第一端从土箱10的插接缝13插入土箱10内部。土箱10的底板12设置有两道互相平行的导轨，导轨的顶部嵌设有多个钢滚珠15。模拟盾壳板21的下表面设置有两条和导轨相对应的凹槽23。模拟盾壳板21的两个凹槽23分别架设于两个轨道的钢滚珠15顶部。钢滚珠15可以减小模拟盾壳板21在水平移动过程中和土箱10的底板12之间的摩擦力。

在本实施例中，油压千斤顶22安装于土箱10的下方，油压千斤顶22的活塞杆连接于模拟盾壳板21的第二端。在测试过程中油压千斤顶22推动模拟盾壳板21的第二端并逐渐将模拟盾壳板21从土箱10中抽出。油压千斤顶22还包括一油压组件24。通过油压组件24可以检测所述油压千斤顶22推动所述模拟盾壳板21的推力。油压千斤顶22的推力反映了模拟盾壳板21和试验土11之间的摩擦力。

如图1所示，土压模拟组件30设置于土箱10的顶部。用于向土箱10内的试验土11施加竖向压力，通过该竖向压力可以模拟盾构推进地层的地场应力。土压模拟组件30包括多个加压袋31、压力计32以及压缩机33。加压袋31固定安装于土箱10的顶部、试验土11的上表面。压缩机33用于向所加压袋31注入压缩空气，压力计32用于检测加压袋31内部的气压。压力计32以及压缩机33安装于土箱10的外部，压缩机33通过管道连接于所述加压袋31。

模拟盾壳板21的上表面设置有至少一个注入孔。减摩剂注入组件40通过管道连接于模拟盾壳板21的注入孔。减摩剂注入组件40通过注入孔向模拟盾壳板21的上方注入减摩剂。减摩剂注入组件40包括压力计41、注入泵42和压缩机43。注入泵42通过管道连接于模拟盾壳板的注入孔，注入泵42通过压缩机提供的压缩空气将减摩剂输送至注入孔，压力计41用于检测减摩擦剂的注入压力。

使用本发明的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统的试验时包括以下步骤：

将所有组件按照说明及图1所示的装置图进行连接。将模拟盾壳板21插入土箱10的内部。将试验土(现场原状土)装入土箱10中，加至离土箱10箱顶5cm左右为止。将土压模拟组件30的加压袋31放置于试验土11顶部并将土箱10箱顶面固定好。将减摩剂注入组件40的管道的端部与模拟盾壳板21的注入孔连接。打土压模拟组件30的压缩机33，使得加压袋31内的压力不断增大，通过观察压力计32示数来掌握加压袋31内的气压。当压力计32示数与所需要的盾构穿越层的竖向应力一致时，关闭压缩机。

在测试过程中，首先打开油压千斤顶22，油压千斤顶22使得模拟盾壳板21与土层差生缓慢错动，模拟盾构推进。记下此时油压千斤顶22的推力。随后打开减摩剂注入组件40的注入泵42将减摩剂缓慢注入模拟盾壳板21与土层底部之间，观察并记录注入后油压千斤顶22压力的变化。重复以上步骤，多次试验取平均值。

本发明可应用在研究在软土地区类矩形盾构施工中给盾壳外部注入不同材料的减摩效果。这种系统：(1)可较为真实的模拟实际工程中类矩形盾构机外壳上部所受的土体自重应力；(2)可较为真实的模拟实际工程中类矩形盾构推进过程盾壳与围岩产生的相对运动；(3)可实时观测和评价减摩剂注入后的减摩效果；(4)试验结果应用于实际类矩形盾构施工中，可有效提高施工质量，减少工程事故的发生。

以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，其特征在于包括：

土箱，所述土箱为用于盛放试验土的箱体；

模拟盾壳组件，其包括模拟盾壳板和油压千斤顶；所述模拟盾壳板从所述土箱的侧面插设于所述土箱的底部，所述模拟盾壳板贴近所述土箱的底板，所述模拟盾壳板的上表面设置有注入孔；所述油压千斤顶用于驱动所述模拟盾壳板沿所述底板的方向移动；

土压模拟组件，设置于所述土箱的顶部，用于向所述土箱内的试验土施加竖向压力；

减摩剂注入组件，连接于所模拟盾壳板的注入孔，用于通过所述注入孔向所述模拟盾壳板的上方注入减摩剂；

其中，所述土箱为无盖箱体，所述土箱的侧面底部设置有插接缝；所述模拟盾壳板的第一端从所述土箱的所述插接缝插入所述土箱内部；所述土箱的底板设置有两道互相平行的导轨，所述导轨的顶部嵌设有多个钢滚珠；所述模拟盾壳板的下表面设置有两条和所述导轨相对应的凹槽，所述模拟盾壳板的两个凹槽分别架设于两个所述导轨。

2.如权利要求1所述的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，其特征在于：所述油压千斤顶安装于所述土箱的下方，所述油压千斤顶的活塞杆连接于所述模拟盾壳板的第二端。

3.如权利要求1所述的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，其特征在于：所述油压千斤顶还包括一油压组件，所述油压组件用于检测所述油压千斤顶推动所述模拟盾壳板的推力。

4.如权利要求1所述的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，其特征在于：所述土压模拟组件包括加压袋、压力计以及压缩机；所述加压袋固定安装于所述土箱的顶部、所述试验土的上表面，所述压缩机用于向所加压袋注入压缩空气，所述压力计用于检测所述加压袋内部的气压。

5.如权利要求1所述的类矩形盾构减摩擦剂扩散试验系统，其特征在于：所述减摩剂注入组件包括压力计、注入泵和压缩机；所述注入泵通过管道连接于所述模拟盾壳板的注入孔，所述注入泵通过所述压缩机提供的压缩空气将所述减摩剂输送至所述注入孔，所述压力计用于检测所述减摩擦剂的注入压力。