CN108444740A - 一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，包括模型箱、盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统和支护系统。试验开始之前将衬砌固定在盾壳外部，并与盾壳截面保持同心。试验开始之前将通过连接装置讲衬砌固定在盾壳上。然后启动顶进系统和切削系统，切削下来的土体流入土压舱，土压舱内建立起稳定的土压力后启动螺旋出土器排土。试验过程中通过调节在刀盘转速、顶进速度和螺旋出土器的转速使开挖面保持稳定。开挖完成后，采用固定法兰将衬砌固定在模型箱上，将盾构机撤出模型箱，衬砌留在开挖完成的隧道内。采用该模型盾构机，不仅可以进行盾构机掘进参数、及其施工对地层及既有结构影响的研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，属于盾构试验技术领域。
背景技术
盾构法修建隧道具有施工速度快、噪音小、不影响地面交通，是城市修建地铁隧道建设的首选。但盾构法施工也不可避免的对周围地层和环境产生影响，开展现场试验周期长、成本高、受地层条件影响大，因此采用模型盾构机开展隧道开挖模拟试验是一种重要的研究方法。为了在实验室中更好地研究盾构掘进施工对周围环境的影响，国内外很多学者对模型盾构试验机进行了研究，如Nomoto(1999)等人研制的可进行离心试验的小型盾构机、Champan(2006)等人建立的适用于黏土的小模型盾构机、以及国内上海隧道股份有限公司(1996)研制的小盾构模拟试验台、上海隧道股份有限公司联合浙江大学、同济大学等(2004)研制的大直径模型盾构机、同济大学(2006)研制的双壳单螺旋模型盾构、北京交通大学(2007)研制的土压平衡盾构设备、何川(2013)研制的小直径泥水平衡盾构机，山东大学(2016)研制的小直径泥水平衡盾构等，这些模型盾构试验机都可以较好的模拟盾构的掘进过程，但是不能实现盾构施工中的管片支护功能。上海大学(2013)设计了一种可实现衬砌支护功能的土压平衡盾构试验装置，但该试验系统设计较为简单，与真实盾构机相差较大，且土压舱的设计仅适用于流塑性较好的软粘土，适用范围有限。因而设计一种既能真实模拟盾构机掘进功能，又能实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供可一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，既可以真实的模拟盾构机的掘进过程，同时能实现掘进过程中的衬砌支护功能。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，包括模型箱(1)、盾壳(3)、切削系统、顶进系统、出土系统和支护系统。
模型箱(1)的前、后开挖面分别设置前预留开挖孔(26)和后预留开挖孔(27)，前预留开挖孔(26)位置处安装浮动支撑(2)。盾壳(3)的前端与隔板(4)连接，盾壳(3)的后端与盾尾连接。切削系统包括刀盘(5)、刀盘驱动轴(6)、隔板(4)和刀盘驱动电机(7)。刀盘(5)通过驱动轴主轴(6)与刀盘驱动电机(7)相连，刀盘驱动轴(6)安装在隔板(4)上，刀盘驱动电机(7)固定在盾尾。盾构机模型经过前预留开挖孔(26)后进入模型箱(1)，刀盘驱动电机(7)通过刀盘驱动主轴(6)带动刀盘(5)旋转，实现对前方土体的掘削。顶进系统包括顶进电机(8)、两根顶进丝杠(9)、两根导向光轴(10)、浮动支撑(2)、两个移动滑块(11)。移动滑块(11)固定在盾壳尾部，并与顶进丝杠(9)连接。顶进电机(8)安装在反力架(13)上，顶进电机(8)通过同步带轮(12)带动顶进丝杠(9)旋转，以此带动移动滑块(11)向前移动，从而实现盾构机模型向前顶进。导向光轴(10)的两端分别与浮动支撑(2)和反力架(13)链接，两根导向光轴(10)与隧道纵向中心线保持平行，盾构机模型沿导向光轴(10)向前掘进。出土系统包括螺旋出土器(14)、螺旋出土器驱动电机(15)、排土口(16)、渣土箱(17)。刀盘(5)、隔板(4)和衬砌(18)之间的空间构成土压舱(19)。螺旋出土器(14)选用轴式螺旋出土器，进土口伸入土压舱(19)，出土口与盾构机后部的排土口(16)相连，渣土从排土口(16)排出后直接落入渣土箱(17)。支护系统包括衬砌(19)、浮动支撑(2)和固定法兰(20)。衬砌(18)的内径比盾壳外径大，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用拼装式套环将衬砌(18)固定在盾壳(3)外，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆。通过螺栓将拼装式套环固定，防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙。刀盘(5)的直径与衬砌(18)的直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm。刀盘(5)可自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔(27)出洞，采用固定法兰(20)将衬砌(18)固定在模型箱(1)上。将刀盘(5)和拼装式套环拆卸后，将盾构机模型原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护。
衬砌(18)选用PE管材。
模型箱(1)和盾构机底座(23)安装重型支撑脚万向轮(24)，万向轮着地时可轻松实现模型箱(1)和盾构机模型的移动。盾构机底座(23)安装重型支撑脚万向轮(24)，万向轮着地时实现盾构机模型的移动。模型箱(1)位置固定后，将盾构机模型移动至匹配位置，使支撑脚着地，通过调节支撑脚的高度使盾构机底座(23)和模型箱(1)底座保持在同一水平面上。盾构机底座(23)和模型箱(1)底座通过底座连接板(28)采用高强螺栓连接在一起。浮动支撑(2)通过浮动支撑连接板(29)与模型箱(1)连接在一起，浮动支撑连接板(29)上设置顶进丝杠安装孔(30)。盾构机底座(23)后方设置反力架(13)，反力架(13)和模型箱(1)之间设置两根导向光轴(10)，盾构机模型始发后沿导向光轴(10)向前掘进。
刀盘(5)为辐板式刀盘，开口率根据模型箱(1)内填土的类型进行设计。隔板(4)上安装土压力盒，用以监测土压舱(19)内的土压力。隔板上土压力盒(36)引线通过盾壳内部的引线管(35)引致盾构机外部，并与数据采集仪器连接。衬砌上安置压力传感器(36)和渗压计(33)，通过在衬砌上设置传感器安置孔将其镶嵌在衬砌(18)上，压应力传感器(32)、渗压计(33)引线镶嵌在衬砌上的引线槽(34)内，并在衬砌尾部将其引出并与数据采集装置连接。
拼装式套环包括前拼装式套环(21)和后拼装式套环(22)，前拼装式套环(21)通过螺栓固定在隔板(4)上，后拼装式套环(22)设置在盾尾处。
浮动支撑(2)的设置有导向光轴的安装孔(25)和顶进丝杠安装孔(30)，中心开挖孔安装五个轴承(31)，既能防止盾构机掘进方向发生偏离，同时减小掘进中的阻力。
衬砌(18)上设置三个土压力和水压力监测截面，每个监测截面上均匀布置八个压应力传感器(32)和八个渗压计(33)。在衬砌外部设置引线槽(34)，压应力传感器(32)、渗压计(33)的引线用胶固定在引线槽(34)内。
开挖系统、顶进系统和出土系统都为独立控制。开挖系统中可实时采集和记录刀盘的转速和扭矩，以刀盘转速为控制参量，刀盘可实现正反转功能。顶进系统中可实时采集和记录顶进速度、顶进位移和顶进力，以顶进速度作为控制参量，试验过程中可实现盾构机的前进、停机和后退功能。出土系统中可实时采集和记录螺旋出土器的转速，并以此作为控制参量，螺旋出土器也可实现正反转功能。各系统参数通过控制台(25)进行控制和监测。
本发明的工作过程和工作原理是：
试验开始之前先将衬砌固定在盾壳外部，使衬砌和盾壳截面保持同心。然后在模型箱内填筑配置好的土体，用以模拟不同的围岩条件。盾构机经过前预留开挖孔进入模型箱。刀盘驱动电机通过刀盘驱动轴带动刀盘旋转，实现对前方土体的切削。顶进电机通过同步带轮带动两顶进丝杠同步旋转，以此带动移动滑块向前移动，使盾构机不断向前掘进。掘进过程中切削下来的土体进入刀盘和隔板之间的土压舱，螺旋出土器的进口伸入土压舱，出口与盾构机后部的排土口相连，启动螺旋出土器使渣土从土压舱排入渣土箱。开挖完成后，盾构机前端从后预留开挖孔出洞，采用固定法兰将衬砌固定在模型箱上，然后将刀盘拆卸，使盾构机沿掘进路线原路撤回，将衬砌留在开挖完成的隧道内，以此实现试验盾构机的掘进和支护功能。
本发明的有益效果在于：
(1)本土压平衡模型盾构试验机既可以模拟掘真实盾构机的开挖掘进过程，又可以模拟盾构机掘进过程中的衬砌支护功能；
(2)采用该模型盾构机进行试验，不仅可以进行盾构机掘进参数、盾构机掘进施工对地层及既有结构影响的研究，还可以进行新建盾构隧道施工过程中及施工完成后衬砌受力、变形的研究；
(3)本土压平衡模型盾构试验机中顶进系统采用大功率电机驱动，盾构机机身长度相同时，掘进距离是以往采用液压油缸顶进的盾构机的2倍；
(4)盾构机底座安装重型支撑脚万向轮，可以方便的实现盾构机的移动、定位和找平。
附图说明：
图1是本发明所述模型盾构机三维视图；
图2是本发明所述模型盾构机和模型箱三维图；
图3是本发明所述衬砌三维视图；
图4是本发明所述盾构机剖面图；
图5是本发明所述隔板土压力盒布置图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步具体描述：
如图1～图5所示，本发明所述可实现衬砌支护功能的土压平衡式模型盾构试验机，包括模型箱、盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统和支护系统。
将模型箱(1)固定在试验指定位置后，使盾构机底座(23)的万向轮(24)着地，将盾构机移动至匹配位置，然后使支撑脚(24)着地，通过调节支撑脚(24)的高度使盾构机底座(23)和模型箱(1)底座保持在同一水平面上。通过将盾构机底座连接板(28)和浮动支撑连接板(39)将盾构机和模型箱(1)连接在一起。
试验开始之前，先将刀盘(5)拆卸，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部。分别在隔板(4)和盾尾用前、后拼装式套环(21、22)将其固定在盾壳(3)上，使衬砌(18)和盾壳(3)截面保持同心，衬砌(18)安装完成后重新安装刀盘(5)。然后在模型箱(1)内填筑配置好的土体，用以模拟不同的围岩条件。首先启动顶进系统和切削系统，待刀盘(5)到达前预留开挖面(26)位置时开始切削土体，切削下来的土体流入土压舱(19)，土压舱(19)内建立起稳定的土压力后启动螺旋出土器(14)。盾构机掘进过程中通过调节在刀盘(5)转速、顶进速度和螺旋出土器(14)的转速，使盾构机开挖面保持稳定。掘进过程中盾构机从前预留开挖孔(26)进入模型箱(1)。刀盘驱动电机(7)通过刀盘驱动轴(6)带动刀盘(5)旋转，实现对前方土体的掘削。顶进电机(8)通过同步带轮(12)带动两顶进丝杠(9)同步旋转，以此带动移动滑块(11)向前移动，从而实现盾构机向前顶进。螺旋出土器(14)的进口伸入土压舱(19)，出口与盾构机后部的排土口(16)相连，启动螺旋出土器后，土压舱(19)内的渣土从排土口(16)排出后直接落入渣土箱(17)。开挖完成后，盾构机前端从后预留开挖孔(27)出洞，采用固定法兰(20)将衬砌(20)固定在模型箱(1)上，将刀盘(5)和拼装套环(21、22)拆卸，使盾构机沿掘进路线原路撤回，将衬砌(18)留在开挖完成的隧道内，以此实现试验盾构机的掘进和支护功能。
切削系统包括刀盘(5)、刀盘驱动轴(6)、隔板(4)和刀盘驱动电机(7)。刀盘(5)通过刀盘驱动轴(6)与刀盘驱动电机(7)相连，刀盘驱动轴(6)安转在隔板(4)上，刀盘驱动电机(7)固定在盾尾。刀盘驱动电机(7)通过刀盘驱动轴(6)带动刀盘(5)旋转，实现对前方土体的掘削。切削系统中可实时采集和记录刀盘的转速和扭矩，以刀盘转速为控制参量。
顶进系统包括顶进电机(8)、两根顶进丝杠(9)、两根导向光轴(10)、浮动支撑(2)、两个移动滑块(11)。移动滑块(11)固定在盾壳(3)尾部，并与顶进丝杠(9)连接。顶进电机(8)安装在反力架(13)上，顶进电机(8)通过同步带轮(12)带动顶进丝杠(9)同步旋转，以此带动移动滑块(11)向前移动，从而实现盾构机向前顶进。顶进系统中可实时采集和记录顶进速度、顶进位移和顶进力，以顶进速度作为控制参量。
出土系统包括螺旋出土器(14)、螺旋出土器驱动电机(15)、排土口(16)、渣土箱(17)。刀盘(5)和隔板(4)之间的空间构成土压舱(19)，螺旋出土器(14)选用轴式，进土口伸入土压舱(19)，出土口与盾构机后部的排土口(16)相连，渣土从排土口(16)排出后直接落入渣土箱(17)。出土系统中可实时采集和记录螺旋出土器的转速，并以此作为控制参量。
支护系统包括衬砌(18)、浮动支撑(2)和固定法兰(20)。衬砌(18)选用PE管材，内径比盾壳外径稍大，将衬砌(184)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用螺栓，通过拼装套环(21、22)将衬砌固定在盾壳(3)上，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆。衬砌(18)和盾壳(3)连接处设置拼装式套环(21、22)，可以防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙。刀盘(5)直径与衬砌(18)直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm。刀盘(5)可自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔(27)出洞，采用固定法兰(20)将衬砌(18)固定在模型箱(1)上。将刀盘(5)和拼装式套环(21、22)拆卸后，将盾构机原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护。
Claims (8)
1.一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，包括模型箱(1)、盾壳(3)、切削系统、顶进系统、出土系统和支护系统；其特征在于：
模型箱(1)的前、后开挖面分别设置前预留开挖孔(26)和后预留开挖孔(27)，前预留开挖孔(26)位置处安装浮动支撑(2)；盾壳(3)的前端与隔板(4)连接，盾壳(3)的后端与盾尾连接；切削系统包括刀盘(5)、刀盘驱动轴(6)、隔板(4)和刀盘驱动电机(7)；刀盘(5)通过驱动轴主轴(6)与刀盘驱动电机(7)相连，刀盘驱动轴(6)安装在隔板(4)上，刀盘驱动电机(7)固定在盾尾；盾构机模型经过前预留开挖孔(26)后进入模型箱(1)，刀盘驱动电机(7)通过刀盘驱动主轴(6)带动刀盘(5)旋转，实现对前方土体的掘削；顶进系统包括顶进电机(8)、两根顶进丝杠(9)、两根导向光轴(10)、浮动支撑(2)、两个移动滑块(11)；移动滑块(11)固定在盾壳尾部，并与顶进丝杠(9)连接；顶进电机(8)安装在反力架(13)上，顶进电机(8)通过同步带轮(12)带动顶进丝杠(9)旋转，以此带动移动滑块(11)向前移动，从而实现盾构机模型向前顶进；导向光轴(10)的两端分别与浮动支撑(2)和反力架(13)链接，两根导向光轴(10)与隧道纵向中心线保持平行，盾构机模型沿导向光轴(10)向前掘进；出土系统包括螺旋出土器(14)、螺旋出土器驱动电机(15)、排土口(16)、渣土箱(17)；刀盘(5)、隔板(4)和衬砌(18)之间的空间构成土压舱(19)；螺旋出土器(14)选用轴式螺旋出土器，进土口伸入土压舱(19)，出土口与盾构机后部的排土口(16)相连，渣土从排土口(16)排出后直接落入渣土箱(17)；支护系统包括衬砌(19)、浮动支撑(2)和固定法兰(20)；衬砌(18)的内径比盾壳外径大，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用拼装式套环将衬砌(18)固定在盾壳(3)外，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆；通过螺栓将拼装式套环固定，防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙；刀盘(5)的直径与衬砌(18)的直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm；刀盘(5)可自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔(27)出洞，采用固定法兰(20)将衬砌(18)固定在模型箱(1)上；将刀盘(5)和拼装式套环拆卸后，将盾构机模型原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护。
2.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：衬砌(18)选用PE管材。
3.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：模型箱(1)和盾构机底座(23)安装重型支撑脚万向轮(24)，万向轮着地时可轻松实现模型箱(1)和盾构机模型的移动；盾构机底座(23)安装重型支撑脚万向轮(24)，万向轮着地时实现盾构机模型的移动；模型箱(1)位置固定后，将盾构机模型移动至匹配位置，使支撑脚着地，通过调节支撑脚的高度使盾构机底座(23)和模型箱(1)底座保持在同一水平面上；盾构机底座(23)和模型箱(1)底座通过底座连接板(28)采用高强螺栓连接在一起；浮动支撑(2)通过浮动支撑连接板(29)与模型箱(1)连接在一起，浮动支撑连接板(29)上设置顶进丝杠安装孔(30)；盾构机底座(23)后方设置反力架(13)，反力架(13)和模型箱(1)之间设置两根导向光轴(10)，盾构机模型始发后沿导向光轴(10)向前掘进。
4.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：刀盘(5)为辐板式刀盘，开口率根据模型箱(1)内填土的类型进行设计；隔板(4)上安装土压力盒，用以监测土压舱(19)内的土压力；隔板上土压力盒(36)引线通过盾壳内部的引线管(35)引致盾构机外部，并与数据采集仪器连接；衬砌上安置压力传感器(36)和渗压计(33)，通过在衬砌上设置传感器安置孔将其镶嵌在衬砌(18)上，压应力传感器(32)、渗压计(33)引线镶嵌在衬砌上的引线槽(34)内，并在衬砌尾部将其引出并与数据采集装置连接。
5.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：拼装式套环包括前拼装式套环(21)和后拼装式套环(22)，前拼装式套环(21)通过螺栓固定在隔板(4)上，后拼装式套环(22)设置在盾尾处。
6.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：浮动支撑(2)的设置有导向光轴的安装孔(25)和顶进丝杠安装孔(30)，中心开挖孔安装五个轴承(31)，既能防止盾构机掘进方向发生偏离，同时减小掘进中的阻力。
7.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：衬砌(18)上设置三个土压力和水压力监测截面，每个监测截面上均匀布置八个压应力传感器(32)和八个渗压计(33)；在衬砌外部设置引线槽(34)，压应力传感器(32)、渗压计(33)的引线用胶固定在引线槽(34)内。
8.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：开挖系统、顶进系统和出土系统都为独立控制；开挖系统中可实时采集和记录刀盘的转速和扭矩，以刀盘转速为控制参量，刀盘可实现正反转功能；顶进系统中可实时采集和记录顶进速度、顶进位移和顶进力，以顶进速度作为控制参量，试验过程中可实现盾构机的前进、停机和后退功能；出土系统中可实时采集和记录螺旋出土器的转速，并以此作为控制参量，螺旋出土器也可实现正反转功能；各系统参数通过控制台(25)进行控制和监测。
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