CN108776032B - 一种模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,包括驱动控制单元、液压收缩机构和模型分段连接;驱动控制单元包括液压缸和支撑架,液压缸通过支撑架固定在底座上;在单位矩形盾构机的两端分别安装有液压收缩机构,每组液压收缩机构包括抬升的液压缸和横向的液压缸,抬升的液压缸连接垂直推杆,横向的液压缸连接水平推杆,推杆通过凹型框架内的滚轮与外壳滑动连接;外壳由壳体片和底座连接组成,壳体片之间通过凹槽结构连接,且相邻两个壳体片之间有活动间隙,壳体片通过独立的卡槽滑块与底座两端卡槽连接。本发明的有益效果是:本发明使用液压系统,采用刚性机械结构及外壳,有效的抗压防止形变,使数据更精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟矩形盾构分段式开挖的试验装置,属于地下工程技术领域。
背景技术
近年来随着地铁建设如火如荼的开展,盾构法以掘进速度快,自动化程度高以及受环境条件影响小等优点被广泛应用于隧道施工中。而矩形隧道断面相较于圆形隧道断面具有空间使用率高、可进行浅覆土施工的特点,因此矩形盾构在施工以及使用过程中较圆形盾构更具优势,有必要进行深入研究。
在研究过程中,考虑到现场测试存在的不确定因素和经济性,故采用室内缩尺寸模型试验。鉴于试验的需要,一种模拟盾构分段式开挖的试验装置能更便于试验的进行,为获得的试验数据能为将来实际施工提供有效帮助。
目前对矩形盾构机的缩尺寸模型实验较少,且多数土体模拟实验存在以下不足:
(1)只有单节的盾构机模型进行收缩和扩张模拟,仅研究二维土体变形;
(2)现有的多数矩形模拟盾构机不够精细,较为粗糙,对数据准确性有一定的影响;或是手动运行的,操作比较繁琐。
(3)对于大型模型试验或现场实验而言,其费用较高。
如上海盾构设计实验研究中心有限公司所做的矩形盾构机模拟掘进实验研究,其中使用了截面尺寸为1200mm×1000mm的试验用矩形盾构机,该试验机采用十字形结构切削刀具掘削、两组减速机与油马达驱动装置驱动,另外还设计了集中润滑系统,该模型试验系统也对实际盾构机构造进行缩尺寸。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足,提供一种模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置。
这种模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,包括驱动控制单元、液压收缩机构和模型分段连接;驱动控制单元包括液压缸和支撑架,液压缸通过支撑架固定在底座上;在单位矩形盾构机的两端分别安装有液压收缩机构,每组液压收缩机构包括抬升的液压缸和横向的液压缸,抬升的液压缸连接垂直推杆,横向的液压缸连接水平推杆,推杆通过凹型框架内的滚轮与外壳滑动连接;外壳由壳体片和底座连接组成,壳体片之间通过凹槽结构连接,且相邻两个壳体片之间有活动间隙,壳体片通过独立的卡槽滑块与底座两端卡槽连接;每个单位矩形盾构机皆分别与控制端相连形成模型分段连接。
作为优选:相邻两个单位矩形盾构机之间通过橡皮膜套连接。
作为优选:液压缸三个为一组,每组液压收缩机构包括一个抬升的液压缸和两个横向的液压缸。
作为优选:外壳由两个壳体片和一个底座连接组成。
本发明的有益效果是:
(1)使用液压系统,采用刚性机械结构及外壳,有效的抗压防止形变,使数据更精确。
(2)采用分段控制,更加符合实际模拟中的数据变化。
(3)装置的控制可完全由电脑或电子控制端进行控制,使操作方便稳定,能更好的模拟多项实验。
(4)采用液压缸控制收缩幅度,易于控制且稳定,可先收缩后扩张,完全模拟盾构机开挖土体损失的过程。
(5)采用多个单位盾构机组合,可以调整单位盾构机数量在多个模型箱内进行不同长度的模拟,且单位盾构机与单位盾构机间组合方便。
(6)本发明装置简单方便,同时考虑了盾构机在运行过程中对土体损失的影响,采用的液压控制也能更好地进行相关室内模型试验。
附图说明
图1是本发明的剖视结构示意图。
图2为本发明的立体图。
图3为本发明的三视图。
图4为本发明装置收缩前的结构示意图。
图5为本发明装置收缩后的结构示意图。
图6为本装置收缩前后的面积差示意图。
附图标记说明:液压缸1、水平推杆2、垂直推杆3、卡槽滑块4、外壳5、支撑架6、滚轮7、凹型框架8。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明提供了一种模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,提出了1:20的缩尺寸矩形盾构模型机,通过分段式的设计,从而考虑三维土体变形,采用液压系统控制盾构机,运行方便,节约试验时间,同时采用了刚性外壳的收缩模型机以达到模拟盾构机运行造成土体损失的目的,还能控制较高精度的土体损失和更加吻合实际情况的土体变形,为隧道施工与设计提供更真实、准确的实验数据,以保证城市盾构隧道建设的高效与安全。
所述的模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,由若干个单位矩形盾构机依次连接而成,相邻两个单位矩形盾构机之间通过橡皮膜套连接。每个单位矩形盾构机均包括两组液压收缩机构和外壳5,在单位矩形盾构机的两端分别安装有液压收缩机构,每组液压收缩机构包括一个抬升的液压缸1和两个横向的液压缸1,抬升的液压缸1连接垂直推杆3,横向的液压缸1连接水平推杆2,推杆通过凹型框架8内的滚轮7与外壳5滑动连接,液压缸1通过支撑架6固定在底座上。外壳5由两个壳体片和一个底座连接组成,两个壳体片之间通过凹槽结构镶嵌,且相邻两个弧形片之间保持有活动间隙,壳体片通过独立的卡槽滑块4与底座两端卡槽连接。
所述模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置由三部分组成:a、驱动控制单元b、液压收缩机构c、模型分段连接。其工作过程和工作原理是:在实验土槽中安装放置本模型,然后进行填土模拟出真实施工环境中的实际土体压力,将模型埋入土中,在控制端的控制下,模型体积收缩,实现模拟矩形盾构机在开挖隧道中的土体损失现象。
驱动控制单元:本模型装置利用多个液压缸1组成的液压系统驱动,液压缸1三个为一组,每个单位矩形盾构机上有一个抬升液压缸1和两个横向液压缸1,并配有支撑架6。液压系统运作使升降机构和水平收缩机构运动,为使停止运动后固定体积并保持稳定,这里换向阀采用的中位机能为O型。液压系统与外部控制端相连,控制端则可以分别控制每组液压缸1,而两组液压缸1控制一个单位矩形盾构机的运动,从而使模型实现分段控制。
液压收缩机构:盾构机两端均有液压收缩机构,液压收缩机构分为升降机构和水平收缩机构。升降机构:通过驱动抬升液压缸1,带动垂直推杆3,使外壳5进行垂直运动,改变矩形盾构机的高度;水平收缩机构:通过驱动横向液压缸1,带动水平推杆2,使外壳5进行水平收缩,改变矩形盾构机的宽度。为改变截面的面积,达到改变柱体体积来达到模拟矩形盾构机造成土地损失的目的,通过液压系统驱动使升降机构和水平收缩机构运动,改变该模型的高与宽,并因为摩擦力,外压力等各种因素下,外壳5几乎不会顺逆时针大幅度转动,在机构的作用下向内收缩,收缩前后,矩形截面的面积发生了变化,如图6所示,从而使得体积之改变,按计算要求为缩小了5%。外壳5则由两个壳体片和一个底座连接组成,其接缝处利用镶嵌式结构防止沙土进入缝内导致卡死或者不能收缩,并在外层安装挡泥板。
面积损失公式为(高与宽为固定比例):
1.3225c=23Δx+Δx2;0<c<5
x为水平宽度,y为垂直高度,Δx为水平宽度改变量,Δy为垂直高度改变量,C为面积损失百分比。
模型分段连接:以液压系统、两组液压收缩机构及外壳5组合构成一个单位矩形盾构机,每个单位矩形盾构机皆分别与控制端相连,使控制端可以按特定顺序分别控制每个单位矩形盾构机的收缩,达到分段控制的目的,使检测得到的数据多段化,产生类似于矩形盾构机向前推进过程中土体损失的模拟。每个单位矩形盾构机正下方皆安装水平校准及支撑装置,单位矩形盾构机与单位矩形盾构机间用橡皮膜套相连,使每个单位矩形盾构机不会偏移,提高三维精度。
通过上述装置的协调运作,使控制端可以按特定顺序分别控制每个单位矩形盾构机的收缩,使土体损失逐步进行,实现对于真实隧道施工中土体损失的完整模拟,配合其他监测器材,使土体变化数据化。
Claims (4)
1.一种模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,其特征在于:包括驱动控制单元、液压收缩机构和模型分段连接;驱动控制单元包括液压缸(1)和支撑架(6),液压缸(1)通过支撑架(6)固定在底座上;在单位矩形盾构机的两端分别安装有液压收缩机构,每组液压收缩机构包括抬升的液压缸(1)和横向的液压缸(1),抬升的液压缸(1)连接垂直推杆(3),横向的液压缸(1)连接水平推杆(2),垂直推杆(3)通过凹型框架(8)内的滚轮(7)与外壳(5)滑动连接,水平推杆(2)通过凹型框架(8)内的滚轮(7)与外壳(5)滑动连接;外壳(5)由壳体片和底座连接组成,壳体片之间通过凹槽结构连接,且相邻两个壳体片之间有活动间隙,壳体片通过独立的卡槽滑块(4)与底座两端卡槽连接;每个单位矩形盾构机皆分别与控制端相连形成模型分段连接。
2.根据权利要求1所述的模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,其特征在于:相邻两个单位矩形盾构机之间通过橡皮膜套连接。
3.根据权利要求1所述的模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,其特征在于:液压缸(1)三个为一组,每组液压收缩机构包括一个抬升的液压缸(1)和两个横向的液压缸(1)。
4.根据权利要求1所述的模拟矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置,其特征在于:外壳(5)由两个壳体片和一个底座连接组成。
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