CN108198505A - 一种护盾式tbm隧道豆砾石施工模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其包括主体试验箱、护盾式TBM掘进模拟装置、管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置、豆砾石吹填模拟装置、试验架、金属底板和检测装置，主体试验箱和豆砾石吹填模拟装置固定于试验架上，管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置固定于主体试验箱上，管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置之间的空隙吹填灌注豆砾石模拟材料，在管片结构模拟装置上进行划线，并开设吹填孔，吹填孔采用短柱进行封堵。本发明能够全面系统地模拟不同影响因素条件下护盾式TBM隧道豆砾石施工过程，完善护盾式TBM隧道豆砾石施工设计理论体系、优化护盾式TBM隧道施工工艺，为隧道的设计、施工安全性提供更加可靠的试验数据。

Description

一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置

技术领域：

本发明涉及交通隧道设计与建造工程技术领域，尤其涉及护盾式TBM隧道豆砾石施工技术领域，具体地说，是一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置。

背景技术：

随着我国交通隧道建设的高速发展，具有机械化程度高、环境破坏小、施工高效安全的护盾式TBM掘进机是今后隧道建设的主流工法之一。护盾式TBM掘进机工法由刀盘掘进、管片拼装、豆砾石施工等一系列复杂工序组成，其中豆砾石施工是指已拼装管片结构在脱出盾尾后，立即通过管片吹填孔往管片结构背后吹填豆砾石的施工工序。由黄豆颗粒大小的碎石经级配曲线配比而成的豆砾石层，其整体具有散粒体的结构特性，主要作用为填补管片结构和围岩之间空隙，使管片结构与围岩紧密接触，避免管片结构背后空洞产生；当其受到围岩收敛挤压作用时，颗粒间会产生一定程度移动。颗粒迁移过程使管片结构受力更加均匀，管片结构整体受力状态更加良好。

管片结构背后空洞、缺陷会导致管片结构局部产生应力集中现象，造成管片结构损坏，对隧道安全稳定性形成严重威胁。因此，豆砾石施工是决定管片结构安全的关键。

人们对管片背后豆砾石层分布规律、受力特征缺乏深入了解；豆砾石施工过程中颗粒级配、施工工序选择较为单一。

现有国内外学者研究豆砾石层施工工艺优化内容，主要采用的方法有理论推导、数值模拟两种。其中，理论推导往往假设条件限定过多，且相关变量的改变会导致计算量过大，结果也过于理想化，对实际施工指导意义有限；数值模拟虽然相对减少了计算量，节约计算时间，但模拟过程是基于理论，同样存在结果无法与实际情况相匹配的不足。

目前，国内外尚无关于护盾式TBM豆砾石施工的模拟装置，且现有研究重点主要集中在豆砾石层受力特征、变形机制方面，研究成果较为理想化，实用性有待增强；对不同影响因素条件下豆砾石层作用机制、分布规律及管片结构受力特征的研究需进一步加深，以期对豆砾石施工工艺进行优化。

发明内容：

本发明提供了一种护盾式TBM豆砾石施工模拟装置，该装置能够真实地实现不同颗粒级配、吹填顺序、吹填压力、吹填时机、吹填方式条件下护盾式TBM吹填豆砾石施工过程的模拟，研究不同影响因素条件下豆砾石层的作用机制、分布规律以及管片结构受力特征，优化护盾式TBM吹填豆砾石施工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，该装置包括主体试验箱、护盾式TBM掘进模拟装置、管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置、豆砾石吹填模拟装置、试验架、金属底板和检测装置，其关键技术是：所述的主体试验箱和豆砾石吹填模拟装置固定于试验架上，试验架固结于地面，管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置固定于主体试验箱上。所述的主体试验箱由两组对称设置，分别由木质U型槽、半圆金属箍、金属角钢组成，木质U型槽通过金属角钢采用螺栓固结于试验架上；管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置通过半圆金属箍固结于主体试验箱的木质U型槽上。所述的管片结构模拟装置、围岩结构模拟装置之间的空隙吹填灌注豆砾石模拟材料。所述的管片结构模拟装置和围岩结构模拟装置共用金属底板，金属底板中心开孔，设置有中心螺纹孔，管片结构模拟装置和围岩结构模拟装置固定于金属底板上，在管片结构模拟装置上按单环管片结构长度、分块进行划线，并在管片结构模拟装置上开设吹填孔，吹填孔采用短柱进行封堵。所述护盾式TBM掘进模拟装置由金属圆形盖板、螺纹导向柱、金属圆环、支撑柱、联接轴承、手动摇柄组成，金属圆形盖板、金属圆环采用支撑柱相互联接固结，金属圆形盖板中心开孔，螺纹导向柱穿过金属圆形盖板的中心孔并采用联接轴承使其固结于金属圆形盖板上；手动摇柄固结于螺纹导向柱的顶端，螺纹导向柱穿过金属底板的中心螺纹孔。所述的豆砾石吹填模拟装置由真空压缩机、钢制喷枪组成，两者采用橡胶软管联接，钢制喷枪上部设置有喷料罐。所述的管片结构模拟装置的内、外两侧埋设、贴设检测装置的检测端元器件。

所述的金属底板上按管片结构模拟装置和围岩结构模拟装置的直径设置有内、外两圈环型插槽，环型插槽底部开孔，管片结构模拟装置和围岩结构模拟装置分别通过螺栓固定于金属底板的环型插槽内。

所述的管片结构模拟装置为有机玻璃圆筒。

所述的围岩结构模拟装置为有机玻璃圆筒。

所述的短柱等直径、等高度，采用亚克力有机玻璃制成。

所述的豆砾石模拟材料为粗、中、细三种石英砂。

所述的检测装置为试验用微型压力计、应变花。

所述的金属圆环、支撑柱、半圆金属箍和手动摇柄采用不锈钢制成。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的管片结构模拟装置和围岩结构模拟装置为有机玻璃圆筒，本发明采用可视透明结构，能够清楚的看到豆砾石施工过程中豆砾石层的分布规律和变形迁移机制，使护盾式TBM豆砾石施工过程中豆砾石层产生缺陷的现象更加直观。

2、本发明在模拟不同施工时机、掘进速度条件下豆砾石施工过程时，通过调整本发明中的手动摇柄的转动速度，能够实现控制护盾式TBM掘进模拟装置的前进速度，能够模拟不同施工时机、掘进速度对豆砾石层变形迁移机制、分布特征以及管片结构受力的影响。

3、本发明在模拟不同豆砾石吹填顺序条件下豆砾石施工过程时，通过调整本发明中的管片结构模拟装置上单环管片中各吹填孔开闭的先后吹填顺序，能够实现模拟不同施工顺序对豆砾石层变形迁移机制、管片结构受力的影响。

4、本发明在模拟不同豆砾石级配曲线条件下豆砾石施工过程时，通过调整本发明中豆砾石吹填模拟装置上的钢制喷枪上部的喷料罐中不同豆砾石模拟试验材料，能够实现模拟不同豆砾石级配曲线对豆砾石层变形迁移机制、管片结构受力的影响。

5、本发明在模拟不同豆砾石吹填压力条件下豆砾石施工过程时，通过调整本发明中豆砾石吹填模拟装置上的真空压缩机的压力值，能够实现模拟不同豆砾石吹填压力对豆砾石层变形迁移机制、管片结构受力的影响。

6、本发明模拟豆砾石吹填的喷枪装置可以根据吹填方式不同，根据需要设置多把喷枪，如在真空压缩机上安装两把喷枪条件下可以实现豆砾石施工时，以两把在不同位置进行吹填施工方式的模拟，研究多种不同吹填方式条件下豆砾石层变形迁移机制、管片结构受力特征变化规律，以实现模拟不同吹填方式的豆砾石施工过程。

综上所述，本发明首次实现了在不同管片结构拼装方式、不同掘进速度、不同豆砾石层颗粒级配、不同吹填顺序、不同吹填时机、不同吹填方式条件下模拟豆砾石吹填施工过程，研究不同影响因素条件下豆砾石层的分布规律、作用机制以及管片结构的受力特征，实现全面系统地模拟不同影响因素条件下护盾式TBM隧道豆砾石施工过程，完善护盾式TBM隧道豆砾石施工设计理论体系、优化护盾式TBM隧道施工工艺，为隧道的设计、施工安全性提供更加可靠的试验数据，从而更好地保证护盾式TBM隧道掘进施工的安全和经济。

附图说明：

图1是本发明整体结构等轴测示意图；

图2是本发明整体结构主视图；

图3是本发明整体结构后视图；

图4是本发明整体结构左视图；

图5是本发明整体结构俯视图；

图6是本发明主体试验箱拆解示意图；

图7是本发明主体试验箱主视图；

图8是本发明主体试验箱左视图；

图9是本发明护盾式TBM掘进模拟装置拆解示意图；

图10是本发明护盾式TBM掘进模拟装置俯视图；

图11是本发明护盾式TBM掘进模拟装置主视图；

图12是本发明围岩、管片结构模拟装置拆解示意图

图13是本发明围岩结构模拟装置、管片结构模拟装置主视图；

图14是本发明围岩结构模拟装置、管片结构模拟装置左视图；

图15是图14中A部放大等轴测示意图。

图中附图标记：

1-主体试验箱，2-护盾式TBM掘进模拟装置，3-管片结构模拟装置，4-围岩结构模拟装置，5-豆砾石吹填模拟装置，6-试验架，7-金属圆环，8-金属圆形盖板，9-支撑柱，10-螺纹导向柱，11-联接轴承，12-木质U型槽，13-半圆金属箍，14-金属角钢，15-金属底板，16-短柱，17-中心螺纹孔，18-手动摇柄。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图1—图15，本发明提供一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其包括主体试验箱1、护盾式TBM掘进模拟装置2、管片结构模拟装置3、围岩结构模拟装置4、豆砾石吹填模拟装置5、试验架6、金属底板15和检测装置，所述的主体试验箱1和豆砾石吹填模拟装置5固定于试验架6上，试验架6通过螺栓固结于地面，管片结构模拟装置3、围岩结构模拟装置4固定于主体试验箱1上。

所述主体试验箱1由两组对称设置，分别由木质U型槽12、半圆金属箍13、金属角钢14组成，半圆金属箍13采用不锈钢制成，木质U型槽12通过金属角钢14采用螺栓固结于试验架6上。管片结构模拟装置3、围岩结构模拟装置4通过半圆金属箍13固结于主体试验箱1的木质U型槽12上。

所述的围岩结构模拟装置4、管片结构模拟装置3均为有机玻璃圆筒，如采用亚克力圆筒组成，均为透明材料制成的内部可视结构，可直观实时地观察试验过程中豆砾石吹填质量。管片结构模拟装置3和围岩结构模拟装置4共用金属底板15，金属底板15中心开孔，设置有中心螺纹孔17，金属底板15上按管片结构模拟装置3和围岩结构模拟装置4的直径设置有内、外两圈环型插槽，设置环型插槽以方便定位固定，环型插槽底部开孔，管片结构模拟装置3和围岩结构模拟装置4通过螺栓分别固定于金属底板15的环型插槽内。所述管片结构模拟装置3可选择不同型式管片拼装方式，并按模型试验所需单环管片结构长度、分块，在管片结构模拟装置3上进行划线区分；根据单环管片开孔特征，进行开设数个吹填孔，以满足管片结构吹填孔模拟所需要求。开孔后采用等直径、等高度亚克力有机玻璃的短柱16对吹填孔进行封堵，按需进行各吹填孔的开合，通过控制内部吹填孔的开合，以实现不同管片拼装方式、不同豆砾石吹填方式、不同豆砾石吹填顺序进行模拟。

管片结构模拟装置3、围岩结构模拟装置4之间空隙吹填灌注豆砾石模拟材料。

所述的豆砾石模拟材料包括：粗、中、细三种石英砂，可通过调整三种石英砂不同的配合比模拟不同级配曲线的豆砾石层吹填材料。

所述的护盾式TBM掘进模拟装置2由金属圆形盖板8、螺纹导向柱10、金属圆环7、支撑柱9、联接轴承11、手动摇柄18组成。金属圆环7、支撑柱9、和手动摇柄18采用不锈钢制成。金属圆形盖板8、金属圆环7采用支撑柱9相互联接固结，金属圆形盖板8中心开孔，螺纹导向柱10穿过金属圆形盖板8的中心孔并采用联接轴承11使其固结于金属圆形盖板8上。手动摇柄18固结于螺纹导向柱10的顶端，螺纹导向柱10穿过金属底板15的中心螺纹孔17，金属圆环7模拟护盾式TBM盾尾，通过调整手动摇柄18转动速度以实现不同护盾式TBM掘进速度，通过调整金属圆环7与金属底板15的距离，以实现豆砾石层吹填时机的模拟。

豆砾石吹填模拟装置5由真空压缩机、钢制喷枪组成，两者采用橡胶软管联接，钢制喷枪上部设置有喷料罐，内装根据不同级配曲线的豆砾石模拟材料，以实现模拟不同级配曲线的豆砾石施工过程。通过调整真空压缩机压力值，模拟不同豆砾石吹填压力条件下豆砾石层施工过程。通过设置多把钢制喷枪，如在真空压缩机上安装两把喷枪条件下可以实现豆砾石施工时以两把喷枪同时进行吹填豆砾石施工作业，以实现不同豆砾石吹填方式的模拟。

管片结构模拟装置3的内、外两侧可埋设、贴设检测装置的检测端元器件，检测装置可以是试验用微型压力计，或者应变花，或者两者同时使用；用静态应变仪或者动态应变仪采集仪采集记录试验过程中管片结构模拟装置3的接触压力、自身结构内力应变的变化规律。

具体使用本发明时，按照需求将主体试验箱1、围岩结构模拟装置4、管片结构模拟装置3、护盾式TBM掘进模拟装置2、豆砾石吹填模拟装置5设置完毕后，按需求速度旋转手动摇柄18，模拟护盾式TBM所需掘进速度，按所需吹填时机、吹填方式进行豆砾石吹填施工作业，实时观察豆砾石层吹填质量，采集仪收集管片所受接触压力及管片结构内力。

Claims (8)

1.一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，包括主体试验箱(1)、护盾式TBM掘进模拟装置(2)、管片结构模拟装置(3)、围岩结构模拟装置(4)、豆砾石吹填模拟装置(5)、试验架(6)、金属底板(15)和检测装置，其特征是：所述的主体试验箱(1)和豆砾石吹填模拟装置(5)固定于试验架(6)上，试验架(6)固结于地面，管片结构模拟装置(3)、围岩结构模拟装置(4)固定于主体试验箱(1)上；

所述的主体试验箱(1)由两组对称设置，分别由木质U型槽(12)、半圆金属箍(13)、金属角钢(14)组成，木质U型槽(12)通过金属角钢(14)采用螺栓固结于试验架(6)上；管片结构模拟装置(3)、围岩结构模拟装置(4)通过半圆金属箍(13)固结于主体试验箱(1)的木质U型槽(12)上；

所述的管片结构模拟装置(3)、围岩结构模拟装置(4)之间的空隙吹填灌注豆砾石模拟材料；

所述的管片结构模拟装置(3)和围岩结构模拟装置(4)共用金属底板(15)，金属底板(15)中心开孔，设置有中心螺纹孔(17)，管片结构模拟装置(3)和围岩结构模拟装置(4)固定于金属底板(15)上，在管片结构模拟装置(3)上按单环管片结构长度、分块进行划线，并在管片结构模拟装置(3)上开设吹填孔，吹填孔采用短柱(16)进行封堵；

所述护盾式TBM掘进模拟装置(2)由金属圆形盖板(8)、螺纹导向柱(10)、金属圆环(7)、支撑柱(9)、联接轴承(11)、手动摇柄(18)组成，金属圆形盖板(8)、金属圆环(7)采用支撑柱(9)相互联接固结，金属圆形盖板(8)中心开孔，螺纹导向柱(10)穿过金属圆形盖板(8)的中心孔并采用联接轴承(11)使其固结于金属圆形盖板(8)上；手动摇柄(18)固结于螺纹导向柱(10)的顶端，螺纹导向柱(10)穿过金属底板(15)的中心螺纹孔(17)；

所述的豆砾石吹填模拟装置(5)由真空压缩机、钢制喷枪组成，两者采用橡胶软管联接，钢制喷枪上部设置有喷料罐；

所述的管片结构模拟装置(3)的内、外两侧埋设、贴设检测装置的检测端元器件。

2.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的金属底板(15)上按管片结构模拟装置(3)和围岩结构模拟装置(4)的直径设置有内、外两圈环型插槽，环型插槽底部开孔，管片结构模拟装置(3)和围岩结构模拟装置(4)分别通过螺栓固定于金属底板(15)的环型插槽内。

3.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的管片结构模拟装置(3)为有机玻璃圆筒。

4.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的围岩结构模拟装置(4)为有机玻璃圆筒。

5.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的短柱(16)等直径、等高度，采用亚克力有机玻璃制成。

6.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的豆砾石模拟材料为粗、中、细三种石英砂。

7.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的检测装置为试验用微型压力计、应变花。

8.根据权利要求1所述的一种护盾式TBM隧道豆砾石施工模拟装置，其特征是：所述的金属圆环(7)、支撑柱(9)、半圆金属箍(13)和手动摇柄(18)采用不锈钢制成。