CN105952461B - 一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置及方法，包括加压系统、试验土仓、刀盘系统、刀盘驱动系统和螺旋出土器；试验时，通过空压机向泥浆罐内加压，将罐内泥浆压入弹性液囊；通过高压泥浆对土体施加压力，能够模拟实际工程刀盘所受的梯形荷载。通过对盾构刀盘切削渣土过程进行真实模拟，在盾构土舱内形成与实际工程一致的压力环境，最大程度保证模拟的可靠性。通过监测盾构土舱内土压力的大小，研究仓内压力对出土效率的影响；通过监测螺旋出土器沿程压力的变化和螺旋轴扭矩的大小，全面评价土体改良效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置及方法。该装置可以模拟盾构施工过程，适用于隧道及地下工程技术领域中渣土改良试验，属于模拟隧道施工的模型试验装置。
背景技术
土压平衡盾构是一种用于地下工程施工的专用机械，由于其具有成本相对较低、掘进效率高、地层适应性强、对周围环境影响小等特点，在我国各类隧道工程施工中均得到了广泛应用。特别是近年来，各省市经济的发展，省会城市和一线城市规划和在建地铁工程项目日益增多，有力地推动了我国盾构施工技术的发展，同时也使得盾构施工面临的地质范围不断拓宽。由于土压平衡盾构施工的关键是要使刀盘切削下来的土体在土仓内形成一种“塑性流动状态”，从而有利于螺旋出土器将其携出，进而使土仓与开挖面之间形成一种“弱欠压”的力学状态，保证盾构能够高效快速地向前掘进。故对不同地质条件下的切削渣土进行改良，是保证盾构安全高效掘进的关键。目前针对渣土改良的研究主要包括现场研究和室内模型试验研究。施工现场进行渣土改良通常是施工单位通过摸索和经验来确改良剂的种类和添加量，改良标准以“不结饼、易流动”为指标，缺乏对改良剂适应性的研究和量化分析。模型试验则能较好的对改良剂的地层适应性进行研究，同时可以量化改良剂的添加量对渣土改良效果的影响。现有的盾构渣土改良模型试验装置能够实现盾构舱内加压和螺旋出土器出土，但由于从顶部加压，难以模拟实际工程中土仓内“弱欠压”的压力状态；而且由于顶部加压，土体固结，搅拌困难，土仓内螺旋轴因竖向受力发生弯曲，造成试验效果不理想。而其他改良试验大多采用人工拌和渣土，采用基础实验进行改良渣土的流动性分析，与实际工程中土仓内渣土状态差异较大。
发明内容
本发明提出了一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置及方法。该装置可以真实模拟土压平衡盾构掘进过程，通过调节施加压力和刀盘转速，可以研究不同压力情况下改良剂种类和加入量对渣土改良效果的影响，通过测定螺旋出土器沿程土压分布情况和螺旋轴扭矩情况，全面评价改良土体性能，优化渣土改良添加剂的配比方案，为土压平衡盾构在不同地层中快速掘进提供参考。
为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置，包括加压系统、试验土仓、刀盘系统、刀盘驱动系统和螺旋出土器；
加压系统包括空压机1、输气管2、泥浆罐4、输泥管7、调压阀3、气压计6，液压计8，弹性液囊12；其中，泥浆罐4内盛泥浆，泥浆罐顶部通过输气管2连接空压机1，泥浆罐底部通过输泥管7连接弹性液囊12；试验时，通过空压机向泥浆罐4内加压，将罐内泥浆压入弹性液囊12；
刀盘系统包括刀盘面板、刀具、搅拌棒；在刀盘面板和试验土仓之间布置有滚轴14进行刀盘支承，滚轴14镶嵌于试验土仓9仓壁内的预留卡槽内；刀盘面板13上设置有若干辐条，在每个辐条正面设置刀具，每个辐条背面设置搅拌棒16，所有辐条背面的搅拌棒16总体呈螺旋线规律安装；
在刀盘面板带有搅拌棒16一侧和试验土仓之间空间为渣土舱，渣土舱上部内壁有改良剂注入口17，方便向渣土舱内注入改良剂；在渣土舱侧壁和底部中间位置上安装土压力传感器28；
所述刀盘驱动系统包括刀盘驱动主轴18、齿轮19、减速器21、驱动电机22；
螺旋出土器包括螺旋出土器外壳24、螺旋主轴25、螺旋叶片26、螺旋轴驱动电机27；在螺旋轴沿轴方向布置有土压力传感器，测量螺旋出土器沿程压力，在出土器末端安装有一个扭矩传感器，测量螺旋轴扭矩。
所述的试验装置，所述的试验土仓9为一个直径1m，纵向长度为2m的筒形结构，壁厚3cm，内表面光滑，在顶部有一个长0.5m，宽0.5m的可拆卸仓盖10，用于向仓内填土，土仓下部采用牛腿支撑。
所述的试验装置，试验土仓的一端设置有活动仓门11，仓门直径为1.1m，由厚3cm的钢板制成，中心焊接有两个把手；仓门可绕一侧合页转动，进行开启和关闭，方便出土和弹性液囊12排泥。
所述的试验装置，刀盘驱动主轴18为直径20cm的圆柱形结构，一端与刀盘固接，一端与主齿轮19键接，主齿轮19通过两个相对的驱动齿轮20进行驱动，驱动齿轮20分别与减速器21和和驱动电机22相连，驱动电机22安装在混凝土墩台上。
所述的试验装置，螺旋出土器通过法兰23与渣土舱出土口相连，倾斜角度为22度，中部采用混凝土支墩30支撑；螺旋出土器外壳24为厚度为1.5cm的钢筒，内径约为27cm，螺旋轴25直径为10cm，螺旋叶片26厚度为1cm，焊接在螺旋主轴25上，螺距为24cm。
根据任一所述实验装置进行试验的方法，步骤如下：首先向泥浆罐4内注入泥浆；打开试验土仓活动仓门11，将弹性液囊12安装就位，关闭仓门；打开试验土仓上部舱盖10，将试验土样装入土仓9，并压实，直到装满土仓9；开启空压机1，向泥浆罐4内压入高压空气，高压泥浆从泥浆罐4流出并充填弹性液囊12，弹性液囊12膨胀，推动土体向前移动，此时，弹性液囊12一侧挤压在活动仓门11，另一侧挤压在试验土样上；开启驱动电机22，通过减速器21设置刀盘转速，同时通过改良剂注入口17向渣土舱内注入改良剂；当渣土舱内土压力传感器28土压力增加到一定值时，开启螺旋轴驱动电机27，设定螺旋出土器转速为预定值，监测沿程压力分布情况和扭矩变化情况。
所述的方法，当试验中出土量达到0.9m3时，液囊行程约1m，关闭空压机1、驱动电机22，待螺旋出土器出土量很小时，关闭螺旋轴驱动电机27，清理试验土仓9及螺旋出土器外壳24内剩余土体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用高压泥浆对土体施加压力，能够模拟实际工程刀盘所受的梯形荷载。通过对盾构刀盘切削渣土过程进行真实模拟，在盾构土舱内形成与实际工程一致的压力环境，最大程度保证模拟的可靠性。通过监测盾构土舱内土压力的大小，研究仓内压力对出土效率的影响；通过监测螺旋出土器沿程压力的变化和螺旋轴扭矩的大小，全面评价土体改良效果。本发明的提出，为渣土改良室内模型试验提供了依据，对优化盾构土舱内搅拌棒的布置和不同地层改良剂优选和量化研究提供参考。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的试验土仓结构示意图(正视图)；
图3为本发明的试验土仓结构示意图(侧视图)；
图4是本发明的刀盘结构细部图(正视图)；
图5为本发明的刀盘结构细部图(侧视图)；
图6是本发明刀盘驱动系统结构示意图(正视图)；
图7是本发明的刀盘驱动系统结构示意图(侧视图)；
图8是本发明的螺旋出土器结构细部图。
图中：1、空压机，2、输气管，3、调压阀，4、泥浆罐，5、液位计，6、气压计，7、输泥管，8、液压计，9、试验土仓，10、土仓盖，11、活动仓门，12、弹性液囊，13、刀盘面板，14、滚轴轴承，15、刀具，16、搅拌棒，17、改良剂注入口，18、刀盘驱动主轴，19、主轴齿轮，20、驱动齿轮，21、减速器，22、驱动电机，23、法兰，24、螺旋出土器外壳，25、螺旋出土器主轴，26、螺旋叶片，27、螺旋轴驱动电机，28、土压传感器，29、扭矩传感器，30、混凝土支墩，31、渣土收集器。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示，本试验装置包括加压系统、试验土仓、刀盘系统、刀盘驱动系统和螺旋出土器；
加压系统包括空压机1、输气管2、泥浆罐4、输泥管7、调压阀3、气压计6，液压计8，弹性液囊12。其中，泥浆罐4是一个长1m，宽1m，高2m的封闭长方体形容器，内盛泥浆，泥浆罐顶部通过内径3cm的输气管2连接空压机1，泥浆罐底部通过内径4cm的输泥管7连接弹性液囊12。试验时，通过输出气压为1MPa的空压机向泥浆罐4内加压，将罐内泥浆压入弹性液囊12，弹性液囊采用耐高压橡胶制成，纵向伸缩长度可达到1.5m。
图2、3所示为试验土仓的正视和侧视示意图。试验土仓9为一个直径1m，纵向长度为2m的筒形结构，壁厚3cm，内表面光滑，在顶部有一个长0.5m，宽0.5m的可拆卸仓盖10，用于向仓内填土，土仓下部采用牛腿支撑。试验土仓的一端设置有活动仓门11，仓门直径为1.1m，由厚3cm的钢板制成，中心焊接有两个把手。仓门可绕一侧合页转动，进行开启和关闭，方便出土和弹性液囊12排泥。
图4、5所示为本发明的刀盘系统。为减小刀盘与土仓侧壁间的摩擦，在刀盘和试验土仓之间共布置100根左右的直径2.5cm的滚轴14进行刀盘支承，滚轴14镶嵌于试验土仓9仓壁内的预留卡槽内，并涂以润滑油脂。盾构刀盘直径为0.95m，开口率为30％，刀盘面板13上布置有72把刀具，在每个辐条正面设置12把刀具，每个辐条背面设置搅拌棒，六个辐条上的搅拌棒16总体呈螺旋线规律安装。在刀盘面板带有搅拌棒16一侧和试验土仓之间空间为渣土舱，渣土舱上部内壁有改良剂注入口17，方便向渣土舱内注入改良剂。为了测量渣土舱内土压力，在渣土舱侧壁和底部中间位置上安装有6个量程为1MPa，测量精度为0.001MPa的土压力传感器28，渣土舱下部设置出土口，出土口通过法兰23与螺旋出土器相连。
图6、7所示为刀盘驱动系统，包括刀盘驱动主轴18、齿轮19、减速器21、驱动电机22。刀盘驱动主轴18为直径20cm的圆柱形结构，一端与刀盘固接，一端与主齿轮19键接，主齿轮19通过两个相对的驱动齿轮20进行驱动，驱动齿轮20分别与减速器21和和驱动电机22相连，驱动电机22安装在混凝土墩台上。
图8所示为螺旋出土器结构图，螺旋出土器包括螺旋出土器外壳24、螺旋主轴25、螺旋叶片26、螺旋轴驱动电机27。螺旋出土器通过法兰23与渣土舱出土口相连，倾斜角度为22度，中部采用混凝土支墩30支撑。螺旋出土器外壳24为厚度为1.5cm的钢筒，内径约为27cm，螺旋轴25直径为10cm，螺旋叶片26厚度为1cm，焊接在螺旋主轴25上，螺距为24cm。并在螺旋轴沿轴方向布置有4个土压力传感器28测量螺旋出土器沿程压力，在出土器末端安装有一个扭矩传感器29，测量螺旋轴扭矩。螺旋轴端部开口，用于排土，并配有相应的渣土收集装置31。
使用本发明装置时，操作步骤如下：首先向泥浆罐4内注入总容积约4/5的泥浆；打开试验土仓活动仓门11，将三个弹性液囊12并排安装就位，关闭仓门；打开试验土仓上部舱盖10，将试验土样装入土仓9，并压实，直到装满土仓9。开启空压机1，向泥浆罐4内压入高压空气，高压泥浆从泥浆罐4流出并充填弹性液囊12，弹性液囊12膨胀，推动土体向前移动，此时，弹性液囊12一侧挤压在活动仓门11，另一侧挤压在试验土样上。开启驱动电机22，通过减速器21设置刀盘转速为5r/min，同时通过改良剂注入口17向渣土舱内注入改良剂。当渣土舱内土压力传感器28土压力增加到一定值时，开启螺旋轴驱动电机27，设定螺旋出土器转速为预定值，监测沿程压力分布情况和扭矩变化情况。当试验中出土量达到0.9m3(液囊行程约1m)时，关闭空压机1、驱动电机22，待螺旋出土器出土量很小时，关闭螺旋轴驱动电机27，清理试验土仓9及螺旋出土器外壳24内剩余土体。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置，其特征在于，包括加压系统、试验土仓、刀盘系统、刀盘驱动系统和螺旋出土器；
加压系统包括空压机(1)、输气管(2)、泥浆罐(4)、输泥管(7)、调压阀(3)、气压计(6)，液压计(8)，弹性液囊(12)；其中，泥浆罐(4)内盛泥浆，泥浆罐顶部通过输气管(2)连接空压机(1)，泥浆罐底部通过输泥管(7)连接弹性液囊(12)；试验时，通过空压机向泥浆罐(4)内加压，将罐内泥浆压入弹性液囊(12)；
刀盘系统包括刀盘面板、刀具、搅拌棒；在刀盘面板和试验土仓之间布置有滚轴(14)进行刀盘支承，滚轴(14)镶嵌于试验土仓(9)仓壁内的预留卡槽内；刀盘面板(13)上设置有若干辐条，在每个辐条正面设置刀具，每个辐条背面设置搅拌棒(16)，所有辐条背面的搅拌棒(16)总体呈螺旋线规律安装；
在刀盘面板带有搅拌棒(16)一侧和试验土仓之间空间为渣土仓，渣土仓上部内壁有改良剂注入口(17)，方便向渣土仓内注入改良剂；在渣土仓侧壁和底部中间位置上安装土压力传感器(28)；
所述刀盘驱动系统包括刀盘驱动主轴(18)、齿轮(19)、减速器(21)、驱动电机(22)；
螺旋出土器包括螺旋出土器外壳(24)、螺旋主轴(25)、螺旋叶片(26)、螺旋轴驱动电机(27)；在螺旋轴沿轴方向布置有土压力传感器，测量螺旋出土器沿程压力，在出土器末端安装有一个扭矩传感器，测量螺旋轴扭矩。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述的试验土仓(9)为一个直径1m，纵向长度为2m的筒形结构，壁厚3cm，内表面光滑，在顶部有一个长0.5m，宽0.5m的可拆卸仓盖(10)，用于向仓内填土，土仓下部采用牛腿支撑。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，试验土仓的一端设置有活动仓门(11)，仓门直径为1.1m，由厚3cm的钢板制成，中心焊接有两个把手；仓门可绕一侧合页转动，进行开启和关闭，方便出土和弹性液囊(12)排泥。
4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，刀盘驱动主轴(18)为直径20cm的圆柱形结构，一端与刀盘固接，一端与主齿轮(19)键接，主齿轮(19)通过两个相对的驱动齿轮(20)进行驱动，驱动齿轮(20)分别与减速器(21)和驱动电机(22)相连，驱动电机(22)安装在混凝土墩台上。
5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，螺旋出土器通过法兰(23)与渣土仓出土口相连，倾斜角度为22度，中部采用混凝土支墩(30)支撑；螺旋出土器外壳(24)为厚度为1.5cm的钢筒，内径为27cm，螺旋轴(25)直径为10cm，螺旋叶片(26)厚度为1cm，焊接在螺旋主轴(25)上，螺距为24cm。
6.根据权利要求1-5任一所述试验装置进行试验的方法，其特征在于，步骤如下：首先向泥浆罐(4)内注入泥浆；打开试验土仓活动仓门(11)，将弹性液囊(12)安装就位，关闭仓门；打开试验土仓上部舱盖(10)，将试验土样装入土仓(9)，并压实，直到装满土仓(9)；开启空压机(1)，向泥浆罐(4)内压入高压空气，高压泥浆从泥浆罐(4)流出并充填弹性液囊(12)，弹性液囊(12)膨胀，推动土体向前移动，此时，弹性液囊(12)一侧挤压在活动仓门(11)，另一侧挤压在试验土样上；开启驱动电机(22)，通过减速器(21)设置刀盘转速，同时通过改良剂注入口(17)向渣土仓内注入改良剂；当渣土仓内土压力传感器(28)土压力增加到一定值时，开启螺旋轴驱动电机(27)，设定螺旋出土器转速为预定值，监测沿程压力分布情况和扭矩变化情况。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当试验中出土量达到0.9m3时，液囊行程1m，关闭空压机(1)、驱动电机(22)，待螺旋出土器出土量很小时，关闭螺旋轴驱动电机(27)，清理试验土仓(9)及螺旋出土器外壳(24)内剩余土体。
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