CN109949682A - 一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置及试验方法，所述装置包括模型槽（15）、导轨（3）、盾构装置（1）、模拟隧道管片的钢套筒（20）和护板。所述模型槽两端分别安装有垂直于平面放置第一护板（16）和第二护板（17）。模型槽内两块护板之间填充有模型土（25）；两块护板中央位置之间安装有穿过模型土的水平导轨；在模型槽两端预留盾构的进口和出口，护板与模型土之间留有容纳盾构装置的钢套筒进、出的位置。所述方法利用该装置模拟盾构隧道施工。本发明采用盾构装置的前进导轨为一根螺杆，预置在模型土中，不会对原始土压力产生较大的影响，提高了模拟精度；前进导轨两端固定，盾构装置沿导轨前行，不会发生前进方向的偏移，简化了试验装置。

Description

一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置及试验方法，属隧道盾构施工技术领域。

背景技术

隧道盾构施工过程复杂，需要考虑的因素众多，选用数值仿真的方法进行相关规律研究时，引入了较多的假设，导致数值计算结果可靠度不高。而选用现场试验的方法展开研究时，操作成本较大，因此有必要展开室内模型试验。现有技术方案中，盾构机模拟装置往往在精细模拟隧道掘进施工、管片拼装等工艺流程时，内置驱动导向装置的设置会改变原始的土压应力，公开号 CN109003528公开了一种盾构隧道施工的精细化模拟装置及方法，由于公开的试验装置需要在模型盾构机的通过位置底部，也即在模型槽中需预架设导向轨道，改变了原始的土压应力，使得模拟效果不佳。

发明内容

本发明的目的是，针对现阶段研究的不足，为了提高盾构隧道施工的模拟精度，本发明提出一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置及试验方法。

本发明实现的技术方案如下，一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置，包括模型槽、导轨、盾构装置、模拟隧道管片的钢套筒和护板；所述模型槽垂直横截面为长方形或圆形，两端分别安装有垂直于平面放置第一护板和第二护板；所述模型槽内两块护板之间填充有模型土；两块护板中央位置之间安装有穿过模型土的水平导轨；在模型槽两端预留盾构的进口和出口，护板与模型土之间留有容纳盾构装置的钢套筒进、出的位置。

所述导轨为一根带螺纹的螺杆，螺杆两端分别固定在第一护板和第二护板上，所述螺杆的直径为20mm- 50mm，预置在模型土中。

所述盾构装置包括切削土体的刀盘以及使刀盘转动的掘进驱动结构，刀盘直径按照所选定的缩尺比例进行设计；盾构装置内置横向承台和竖向支撑，电机放置于横向承台上；所述掘进驱动结构包括电机和驱动转芯，电机通过传动链条使驱动转芯发生转动；同时为了避免模型土落在横向承台上，影响传动系统的工作，在其前端设置挡板使传动系统处于封闭状态；盾构装置掘进过程通过刀盘后方的螺旋出土机出土。

所述盾构装置安装在钢套筒的前端；钢套筒通过上、下两个卡扣连接在盾构装置的尾部，并且每节钢套筒之间也通过卡扣相连，依照连接的顺序分别为第一钢套筒、第二钢套筒、第三钢套筒和第四钢套筒；钢套筒的直径与刀盘的直径保持一致。

所述刀盘与驱动转芯相连，驱动转芯的转动会带动刀盘的转动，以切削土体；所述驱动转芯内表面有与导轨螺杆相适配的内螺纹，转芯旋转的同时会顺着导轨表面螺纹方向向前移动，转芯一端卡在竖向支撑上，前进会带动竖向支撑，进而实现盾构装置切削土体的同时，向盾构方向的推进，而盾构装置通过上、下卡扣带动钢套筒的前进。

一种模拟隧道盾构掘进施工的试验方法，包括以下步骤：

（1）试验装置安装，在模型槽中安装护板和导轨，放置模型土；在第一钢套筒内安装盾构装置；在模型土体表面及内部布置相应传感器、应变片，监控掘进过程中土体的动力响应；

（2）取下进口端的盖板，开启掘进驱动装置，电机运转带动盾构装置沿导轨在模型土体中开始掘进；同时传感器、应变片量测在盾构施工过程中的相关响应参数；

（3）待第一钢套筒即将进入土体，连接第二钢套筒，其中钢套筒之间均通过上、下卡扣相连；同理第二钢套筒即将进入土体时续接第三钢套筒，进而第四钢套筒的连接；

（4）在盾构装置掘进至出口端时，取下盖板，盾构装置顶出模型槽，盾构装置完全脱离模型槽时，盾构完成，拆除盾构装置，仅留钢套筒在模型槽中模拟隧道管片。

本发明的有益效果是，本发明采用盾构装置的前进导轨为一根带螺纹的螺杆，直径较小，预置在模型土中，不会对原始土压力产生较大的影响，提高了模拟精度；前进导轨两端固定，盾构装置沿导轨前行，不会发生前进方向的偏移，因此不必额外设计掘进姿态的控制装置，在一定程度上简化了试验装置。

附图说明

图1为本发明所述盾构装置、钢套筒的连接示意图；

图2 为本发明中刀盘总成结构示意图；

图3为本发明中驱动转芯结构示意图；

图4为本发明盾构装置横截面的结构示意图；

图5为本发明中连接卡扣的结构示意图；

图6为本发明中模型槽的结构示意图；

图7为本发明中盾构装置掘进前的结构示意图；

图8为本发明盾构过程中续接钢护筒的示意图；

图9为本发明盾构装置顶出模型槽时的结构示意图；

图10为本发明拆除盾构装置后隧道的结构示意图；

图中，1为盾构装置；2为竖向支撑；3为导轨；4为刀盘；5为驱动转芯；6为挡板；7为螺旋出土机；8为横向承台；9为钢套筒；10为卡扣；11为电机；12为传动链条；13为限位柱；14为弹簧；15为模型槽；16第一护板；17为第二护板；18为盖板；19为固定螺栓；20为第一钢套筒；21为第二钢套筒；22为第三钢套筒；23为第四钢套筒；24为下一节钢套筒；25为模型土。

具体实施方式

本发明一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置如图7所示，包括模型槽15、导轨3、盾构装置1、模拟隧道管片的第一钢套筒20和护板；所述模型槽垂直横截面为圆形，两端分别安装有垂直于平面放置第一护板16和第二护板17；所述模型槽内两块护板之间填充有模型土25；两块护板中央位置之间安装有穿过模型土的水平导轨3；在模型槽两端预留盾构的进口和出口，护板与模型土之间留有容纳盾构装置1的第一钢套筒20进、出的位置。模型槽如图6所示。

本实施例中导轨3为一根带螺纹的螺杆，螺杆两端分别固定在第一护板16和第二护板17上，所述螺杆的直径为40mm，预置在模型土中。

本实施例试验装置中的盾构装置与钢套筒的连接如图1所示。本实施例中盾构装置1安装在第一钢套筒20的筒内前端，盾构装置内置横向承台8和竖向支撑2；竖向支撑2位于第一钢套筒20水平轴线的垂线上，竖向支撑2的中部穿过导轨3；掘进驱动结构包括电机11和驱动转芯5，电机11放置于横向承台8上，电机通过传动链条使驱动转芯发5生转动；所述驱动转芯5安装在导轨3上，依靠其上的内螺纹，能在导轨3上做直线运动；如图4所示。

为了避免模型土落在横向承台8上，影响传动系统的工作，在其前端设置挡板6使传动系统处于封闭状态。盾构装置1掘进过程通过刀盘4后方的螺旋出土机7出土。

如图2和图3所示，刀盘4与驱动转芯5相连，驱动转芯5的转动会带动刀盘4的转动，以切削土体。所述驱动转芯内表面有与前进导轨螺杆相适配内螺纹，驱动转芯转动的同时会顺着导轨螺杆的延伸方向向前移动，驱动转芯一端卡在竖向支撑上，前进会带动竖向支撑，进而实现盾构装置切削土体的同时，向盾构方向的推进，而盾构装置通过上、下卡扣带动钢套筒的前进。

如图5所示，卡扣10包括弹簧14和限位柱13。钢套筒通过上、下两个卡扣10连接在盾构装置的尾部，并且每节钢套筒之间也通过卡扣10相连，依照连接的顺序分别为第一钢套筒20、第二钢套筒21、第三钢套筒23和第四钢套筒24。钢套筒的直径与刀盘4的直径保持一致。

图7为本实施例盾构装置掘进前的结构示意图；图8为本实施例盾构装置盾构过程中续接钢护筒的示意图；图9为本实施例盾构装置顶出模型槽时的结构示意图；图10为本实施例拆除盾构装置后隧道的结构示意图。

如图7~图10所示，本实施例一种模拟隧道盾构掘进施工的试验方法，具体包括以下几个步骤：

（1）试验装置安装，在模型槽中安装护板和导轨，放置模型土；在第一钢套筒内安装盾构装置；在模型土体表面及内部布置相应传感器、应变片，监控掘进过程中土体的动力响应。

（2）取下进口端的盖板，开启掘进驱动装置，电机运转带动盾构装置在土体中开始掘进，同时传感器、应变片量测在盾构施工过程中的相关响应参数。

（3）第一钢套筒即将进入土体，连接第二钢套筒，其中钢套筒之间均通过上、下卡扣相连。同理第二钢套筒即将进入土体时续接第三钢套筒，进而第四钢套筒的连接。

（4）在盾构装置掘进至出口端时，取下盖板，盾构装置顶出模型槽，盾构装置完全脱离模型槽时，盾构完成，拆除盾构装置，仅留钢套筒在模型槽中模拟隧道管片。

Claims (6)

1.一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置，包括盾构装置和模型槽，其特征在于，所述装置还包括导轨、模拟隧道管片的钢套筒和护板；所述模型槽两端分别安装有垂直于平面放置第一护板和第二护板；所述模型槽内两块护板之间填充有模型土；两块护板中央位置之间安装有穿过模型土的水平导轨；在模型槽两端预留盾构的进口和出口，护板与模型土之间留有容纳盾构装置的钢套筒进、出的位置。

2.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置，其特征在于，所述导轨为一根带螺纹的螺杆，螺杆两端分别固定在第一护板和第二护板上，所述螺杆的直径为20mm- 50mm，预置在模型土中。

3.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置，其特征在于，所述盾构装置包括切削土体的刀盘以及使刀盘转动的掘进驱动结构，刀盘直径按照所选定的缩尺比例进行设计；盾构装置内置横向承台和竖向支撑，电机放置于横向承台上；所述掘进驱动结构包括电机和驱动转芯，电机通过传动链条使驱动转芯发生转动；同时为了避免模型土落在横向承台上，影响传动系统的工作，在其前端设置挡板使传动系统处于封闭状态；盾构装置掘进过程通过刀盘后方的螺旋出土机出土。

4.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置，其特征在于，所述盾构装置安装在钢套筒的前端；钢套筒通过上、下两个卡扣连接在盾构装置的尾部，并且每节钢套筒之间也通过卡扣相连，依照连接的顺序分别为第一钢套筒、第二钢套筒、第三钢套筒和第四钢套筒；钢套筒的直径与刀盘的直径保持一致。

5.根据权利要求3所述的一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置，其特征在于，所述刀盘与驱动转芯相连，驱动转芯的转动会带动刀盘的转动，以切削土体；所述驱动转芯内表面有与导轨螺杆相适配的内螺纹，转芯旋转的同时会顺着导轨表面螺纹方向向前移动，转芯一端卡在竖向支撑上，前进会带动竖向支撑，进而实现盾构装置切削土体的同时，向盾构方向的推进，而盾构装置通过上、下卡扣带动钢套筒的前进。

6.一种模拟隧道盾构掘进施工的试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）试验装置安装，在模型槽中安装护板和导轨，放置模型土；在第一钢套筒内安装盾构装置；在模型土体表面及内部布置相应传感器、应变片，监控掘进过程中土体的动力响应；

（2）取下进口端的盖板，开启掘进驱动装置，电机运转带动盾构装置沿导轨在模型土体中开始掘进；同时传感器、应变片量测在盾构施工过程中的相关响应参数；

（3）待第一钢套筒即将进入土体，连接第二钢套筒，其中钢套筒之间均通过上、下卡扣相连；同理第二钢套筒即将进入土体时续接第三钢套筒，进而第四钢套筒的连接；

（4）在盾构装置掘进至出口端时，取下盖板，盾构装置顶出模型槽，盾构装置完全脱离模型槽时，盾构完成，拆除盾构装置，仅留钢套筒在模型槽中模拟隧道管片。