CN107489426A - 一种泥水盾构室内模拟掘进装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥水盾构室内模拟掘进装置及其模拟方法，该装置包括地层模型箱、盾构掘进系统、泥水环流系统，以及监测系统、控制系统、动力系统；可通过对模型箱地层施加顶推力及气压调节，实现不同的地质情况模拟；通过缩尺泥水盾构的掘进及泥水环流模拟，得到不同的泥浆及施工参数对开挖面稳定的影响，泥膜的形成规律和泥浆的渗透范围等。该发明适用地质情况广泛，对泥水盾构的动态掘进模拟全面，可对地层进行多角度的监测，试验结果可以为现场开挖面的稳定、掘进参数及泥浆配比提供技术支持。

Description

一种泥水盾构室内模拟掘进装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及一种泥水盾构室内模拟掘进装置及其模拟方法，涉及地铁、铁路、公路、市政、水电管路修建等领域，适用于高水压、复杂地质条件下的泥水平衡盾构施工的室内模拟。

背景技术

泥水盾构又称泥水加压平衡盾构，可用于大断面复杂地层条件及富水地层隧道掘进施工，地质适应性强，因此近年来得到了广泛的应用。泥水盾构通过密封舱的压力泥浆来维持开挖面的稳定，当泥浆渗入前方地层并形成渗透性很小的泥膜，泥水压力就可以通过泥膜有效的作用于开挖面，以地层水土压力的动态平衡，保证开挖面的稳定。

由于泥水平衡盾构施工的地质环境复杂多变，当施工参数没有及时调整至与地质条件相适应时，会由于泥土仓压力过大、泥水配比不当、掘进参数设置不当等造成开挖面失稳、地层位移过大、地表冒浆等事故，带来严重的经济损失。因此，针对高水压、复杂地质条件，有必要设计一套室内泥水盾构掘进模拟系统，为泥水平衡盾构提供技术指导。

目前已有学者对泥水盾构掘进进行了室内模拟试验，但是可以模拟的复杂地质情况有限，对仅通过地层模型箱的加气装置难以模拟不同水深及覆土厚度下盾构的掘进情况；泥浆室的泥水压力通过土压计测量，缺乏稳压装置；泥浆环流系统简单，容易出现堵管现象，影响试验的连续性；地层监测较为单一，无法进行泥浆在地层中渗透过程的动态整体观察。

发明内容

针对现有的泥水盾构模拟掘进装置的不足，本发明提供了一种泥水盾构室内模拟掘进装置及其模拟方法，其目的在于实现对泥水盾构的掘进施工的不同复杂地质工况模拟，扩大装置的适用范围；实现开挖面泥水压力的动态调节，使得对开挖面和泥浆渗透的模拟更符合工程实际；解决泥浆循环管路堵管问题，提高试验的连续性，为现场解决施工问题提供技术支持；实现对土体的动态监测、整体观察，得到全面可靠的数据，为施工参数的设置提供依据。

为了实现上述目的，本发明所采用的的技术方案是：一种泥水盾构室内模拟掘进装置，它包括地层模型箱，延伸至地层模型箱内的盾壳，以及安装在盾壳伸入至地层模型箱一端的刀盘；所述地层模型箱的顶部以倒置的方式垂直安装有千斤顶a，所述千斤顶a的伸缩杆端伸入至地层模型箱内，且千斤顶a的伸缩杆下端水平吊装有平面尺寸与地层模型箱内腔相配合的带孔钢板，在带孔钢板下面的地层模型箱内充装有土质；所述刀盘的后端安装有用于驱动刀盘转动的液压马达，所述液压马达的后端与水平设置在反力墙上的千斤顶b的伸缩杆相连；在所述刀盘后方的盾壳内分别设置有密闭的泥浆室和用来稳定泥浆室压力的气压室；所述气压室通过管路与气压调节系统b相连通，所述泥浆室分别通过进泥管和出泥管分别与泥浆槽a和泥浆槽b相连通。

进一步的，本发明所述地层模型箱的顶部设置有用于向地层模型箱内加水的密封盖；所述地层模型箱的上盖通过管路连通有用于向带孔钢板上方的地层模型箱内充气的气压调节系统a。

进一步的，本发明在位于所述地层模型箱内的底部设置有冷冻循环管路，所述冷却循环管路通过地层模型箱底部设置的冻结设备接口与冷却设备相连接。

进一步的，本发明所述进泥管从泥浆槽a通过泥浆泵a连出，出泥管通过泥浆泵b连入泥浆槽b，泥浆槽a与泥浆槽b之间通过连接管路相连通。

进一步的，本发明所述泥浆泵a与泥浆泵b均双向可调，泥浆循环管路可进行逆向冲刷，每个泥浆槽可进行自循环清洗。

进一步的，所述土体内周围埋设有土压力盒、孔压计以及位移计。

一种利用上述泥水盾构室内模拟掘进装置进行盾构掘进的模拟方法，所述方法包括以下步骤：

①地层铺设，根据模拟的实际地质情况在地层模型箱内铺设土体，并在土体中的预定位置处埋设土压力盒以及孔压计，对土体逐层夯实至指定强度，加水饱和固结48h后，调节土层中的水头高度；

②地层工况模拟，根据实际覆土厚度和水深，通过顶盖千斤顶向地层施加有效应力，打开密封盖加入定量的水然后密封，打开气压调节系统a向水层加压并通过调节压缩空气压力来调节水压，从而模拟出地下水层；

③泥浆制备，按照比例配置泥浆，并将泥浆膨化12h；

④模拟掘进，启动盾构刀盘，逐步施加刀盘顶推力，将泥浆以一定的速度注入泥浆室，调节气压室压力至预定的开挖面支护压力；

⑤监测、观察，试验过程中进行地层的水、土压力监测及地表位移监测，掘进结束后，启动冷冻设备对开挖过的地层进行冷冻，并切片观察挖掘后的地层特征。

较佳的，上述步骤③中所述的泥浆采用有色泥浆，便于后期观察。

本发明的原理是：1、地层模型箱采用加厚钢板制作，顶盖设千斤顶装置，可顶推地层上方的带孔钢板，施加地层的有效应力，以模拟实际覆土厚度；模型箱顶盖有压缩空气接口，通过气压调节装置进行土体上方的水压调节，以模拟不同的水深。对于非水下盾构掘进的模拟，可将地层上方的带孔钢板拉至顶盖位置，通过加气装置来模拟不同的覆土厚度。2、盾构掘进系统的刀盘通过马达驱动的刀盘转轴来转动切削土体，通过用反力墙提供支撑力的千斤顶顶推在土体中前移。刀盘后方的泥浆室采用半隔板分为两部分，半隔板前方为泥浆室，半隔板后方为气压室，泥浆室中充满泥浆，气压室中充满压缩空气，通过气压室的压力调节装置可对开挖面支护压力进行调节。3、为便于观察采用有色泥浆，泥浆循环管路的进泥管和出泥管分别通过泥浆泵与两个泥浆槽相连，两个泥浆槽相互连通。两个进出管路泥浆泵可双向调节，在发生堵管时泥浆循环管路可进行逆向冲刷，每个泥浆槽的也可进行自循环清洗。4、在地层内部盾构掘进土体周围埋设土压力盒及孔压计，进行土体在掘进过程中的动态水、土压力监测。非水下模拟可在土体表面埋设位移计，动态监测地表位移。地层模型箱底部设冻结设备接口，土体内部埋设冷冻循环管路，在盾构模拟掘进结束后冻结土体进行切片观察。

本发明的有益效果是：本发明考虑不同地质情况对泥水盾构的掘进施工的影响，通过土箱设计实现不同水压、埋深、地面荷载及地质环境的模拟；通过在泥浆室中分隔出气压室，动态调节气压室压力以稳定开挖面泥水压力；通过泥浆环流系统的逆洗和自循环功能，进行泥浆循环管路的清洗，减少堵管现象的发生；通过埋设孔压计及土压盒以及地表位移计对土体进行动态监测，并通过地层冻结切片对土体进行整体观察。这些措施使得装置可进行各种复杂地质条件的模拟，提高试验的连续、有效性，并为泥浆配比、掘进参数等的设置提供技术支持和试验依据，保证泥膜的形成质量及开挖面稳定，确保工程安全可靠的施工。

附图说明

图1为本发明的泥水盾构模拟掘进装置的结构原理图。

其中：1为千斤顶a、2为地层模型箱、3为带孔钢板、4为刀盘、5为泥浆室、6为气压室、7为盾壳、8为伸缩杆、9为千斤顶b、10为反力墙、11为进泥管、12为出泥管、13为泥浆槽a、14为泥浆槽b、15为泥浆泵a、16为泥浆泵b、17为气压调节系统a、18为气压调节系统b、19为压缩空气层、20为水层、21为土体、22为冻结设备接口、23为液压马达。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的泥水盾构室内模拟掘进装置，它包括地层模型箱2，延伸至地层模型箱2内的盾壳7，以及安装在盾壳伸入至地层模型箱一端的刀盘4；所述地层模型箱2的顶部以倒置的方式垂直安装有千斤顶a 1，所述千斤顶a 1的伸缩杆端伸入至地层模型箱2内，且千斤顶a的伸缩杆下端水平吊装有平面尺寸与地层模型箱内腔相配合的带孔钢板3，在带孔钢板下面的地层模型箱内充装有土质21；所述刀盘4的后端安装有用于驱动刀盘转动的液压马达23，所述液压马达23的后端与水平设置在反力墙10上的千斤顶9的伸缩杆8相连；在所述刀盘4后方的盾壳内分别设置有密闭的泥浆室5和用来稳定泥浆室压力的气压室6；所述气压室6通过管路与气压调节系统b 18相连通，所述泥浆室5分别通过进泥管11和出泥管12分别与泥浆槽a 13和泥浆槽b 14相连通。

本发明所述地层模型箱2的顶部设置有用于向地层模型箱内加水的密封盖；所述地层模型箱2的上盖通过管路连通有用于向带孔钢板3上方的地层模型箱内充气的气压调节系统a 17。

本发明在位于所述地层模型箱2内的底部设置有冷冻循环管路，所述冷却循环管路通过地层模型箱底部设置的冻结设备接口22与冷却设备相连接。

本发明所述进泥管11从泥浆槽a 13通过泥浆泵a 15连出，出泥管12通过泥浆泵b16连入泥浆槽b 14，泥浆槽a 13与泥浆槽b 14之间通过连接管路相连通。

本发明所述泥浆泵a 15与泥浆泵b 16均双向可调，泥浆循环管路可进行逆向冲刷，每个泥浆槽可进行自循环清洗。

进一步的，本发明所述土体21内周围埋设有土压力盒、孔压计以及位移计。

利用本实施例的泥水盾构室内模拟掘进装置进行盾构掘进的模拟方法包括以下步骤：

①地层铺设，根据模拟的实际地质情况在地层模型箱内铺设土体，并在土体中的预定位置处埋设土压力盒以及孔压计，对土体逐层夯实至指定强度，加水饱和固结48h后，调节土层中的水头高度；

②地层工况模拟，根据实际覆土厚度和水深，通过顶盖千斤顶向地层施加有效应力，打开密封盖加入定量的水然后密封，打开气压调节系统a向水层加压并通过调节压缩空气压力来调节水压，从而模拟出地下水层；

③泥浆制备，按照比例配置泥浆，并将泥浆膨化12h；

④模拟掘进，启动盾构刀盘，逐步施加刀盘顶推力，将泥浆以一定的速度注入泥浆室，调节气压室压力至预定的开挖面支护压力；

⑤监测、观察，试验过程中进行地层的水、土压力监测及地表位移监测，掘进结束后，启动冷冻设备对开挖过的地层进行冷冻，并切片观察挖掘后的地层特征。

上述步骤③中所述的泥浆为有色泥浆，便于后期观察。

更具体的说：本发明包括地层模型箱，盾构掘进系统，泥浆环流系统以及监测系统、控制系统、动力系统。地层模型箱采用加厚钢板制作，在其内装入土体材料后，通过顶盖千斤顶a顶推带孔钢板施加地层的有效应力，以模拟实际覆土厚度。在盾构下穿水底的工况下，土体上方需注入水，并通过气压调节装置a进行水压调节，模拟不同的水深。

本发明中盾构掘进系统的刀盘后方有密闭的泥浆室和用来稳定泥浆室压力的气压室，刀盘通过液压马达驱动来转动切削土体，并通过用反力墙提供支撑力的千斤顶b顶推在土体中前移，气压室与气压调节装置b相连。刀盘后方的泥浆室采用半隔板分为两部分，半隔板前方为泥浆室，半隔板后方为气压室，泥浆室中充满泥浆，气压室中充满压缩空气，由于泥浆室、气压室间接触面具有相同的压力，因此可通过气压调节装置b对开挖面支护压力进行调节。

本发明中泥浆环流系统的泥浆室与进泥管和出泥管相连，进泥管从泥浆槽a通过泥浆泵a连出，出泥管通过泥浆泵b连入泥浆槽b，泥浆槽a与泥浆槽b相连通，另外为便于后期观察采用有色泥浆。泥浆泵a、泥浆泵b均为双向可调式，方便泥浆循环管路可进行逆向冲刷，每个泥浆槽可进行自循环清洗。

本发明中监测系统在土体内部盾构掘进土体周围埋设土压力盒及孔压计，进行土体在掘进过程中的动态水、土压力监测。地层模型箱底部有冻结设备接口，土体内部埋设有冷冻循环管路，在盾构模拟掘进结束后冻结土体，之后打开地层模型箱，对土体进行切片观察。

本发明在模拟非水下盾构施工时，土体上部可以不加水，带孔钢板通过千斤顶a提拉到地层模型箱顶盖位置，通过气压调节装置a调节压缩空气进行不同覆土厚度的模拟，这种情况还可在土体表面埋设位移计，进行地表位移动态监测。

Claims (8)

1.一种泥水盾构室内模拟掘进装置，其特征在于：它包括地层模型箱（2），延伸至地层模型箱（2）内的盾壳（7），以及安装在盾壳伸入至地层模型箱一端的刀盘（4）；所述地层模型箱（2）的顶部以倒置的方式垂直安装有千斤顶a（1），所述千斤顶a（1）的伸缩杆端伸入至地层模型箱（2）内，且千斤顶a（1）的伸缩杆下端水平吊装有平面尺寸与地层模型箱内腔相配合的带孔钢板（3），在带孔钢板下面的地层模型箱内充装有土体（21）；所述刀盘（4）的后端安装有用于驱动刀盘转动的液压马达（23），所述液压马达（23）的后端与水平设置在反力墙（10）上的千斤顶b（9）的伸缩杆（8）相连；在所述刀盘（4）后方的盾壳内分别设置有密闭的泥浆室（5）和用来稳定泥浆室压力的气压室（6）；所述气压室（6）通过管路与气压调节系统b（18）相连通，所述泥浆室（5）分别通过进泥管（11）和出泥管（12）与泥浆槽a（13）和泥浆槽b（14）相连通。

2.根据权利要求1所述的泥水盾构室内模拟掘进装置，其特征在于：所述地层模型箱（2）的顶部设置有用于向地层模型箱内加水的密封盖；所述地层模型箱（2）的上盖通过管路连通有用于向带孔钢板（3）上方的地层模型箱内充气的气压调节系统a（17）。

3.根据权利要求1所述的泥水盾构室内模拟掘进装置，其特征在于：在位于所述地层模型箱（2）内的底部设置有冷冻循环管路，所述冷却循环管路通过地层模型箱底部设置的冻结设备接口（22）与冷却设备相连接。

4.根据权利要求1所述的泥水盾构室内模拟掘进装置，其特征在于：所述进泥管（11）从泥浆槽a（13）通过泥浆泵a（15）连出，出泥管（12）通过泥浆泵b（16）连入泥浆槽b（14），泥浆槽a（13）与泥浆槽b（14）之间通过连接管路相连通。

5.根据权利要求4所述的泥水盾构室内模拟掘进装置，其特征在于：所述泥浆泵a（15）与泥浆泵b（16）均双向可调，泥浆循环管路可进行逆向冲刷，每个泥浆槽可进行自循环清洗。

6.根据权利要求1所述的泥水盾构室内模拟掘进装置，其特征在于：所述土体（21）内周围埋设有土压力盒、孔压计以及位移计。

7.一种利用权利要求1所述泥水盾构室内模拟掘进装置进行盾构掘进的模拟方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

①地层铺设，根据模拟的实际地质情况在地层模型箱内铺设土体，并在土体中的预定位置处埋设土压力盒以及孔压计，对土体逐层夯实至指定强度，加水饱和固结48h后，调节土层中的水头高度；

②地层工况模拟，根据实际覆土厚度和水深，通过顶盖千斤顶向地层施加有效应力，打开密封盖加入定量的水然后密封，打开气压调节系统a向水层加压并通过调节压缩空气压力来调节水压，从而模拟出地下水层；

③泥浆制备，按照比例配置泥浆，并将泥浆膨化12h；

④模拟掘进，启动盾构刀盘，逐步施加刀盘顶推力，将泥浆以一定的速度注入泥浆室，调节气压室压力至预定的开挖面支护压力；

⑤监测、观察，试验过程中进行地层的水、土压力监测及地表位移监测，掘进结束后，启动冷冻设备对开挖过的地层进行冷冻，并切片观察挖掘后的地层特征。

8.根据权利要求7所述的模拟方法，其特征在于：步骤③中所述的泥浆为有色泥浆，便于后期观察。