CN109949682B - 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22和第四钢套筒23。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 (3)

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；

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。

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。

3.采用如权利要求1-2任一项所述一种模拟盾构隧道施工的简易试验装置的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。