CN109973103B - 一种角度可调的盾构模拟试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角度可调的盾构模拟试验装置，其包括模型箱、盾构隧道模具、第一隧道模具固定板、第二隧道模具固定板、伸缩杆、卡槽、固定杆和卡扣；其中，第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板分别设于模型箱的一侧面的上方和下方，盾构隧道模具固定设于第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板的中间，卡槽设于模型箱外侧水平设置，固定杆的一端垂直固定设于卡槽上，另一端与盾构隧道模具的端部铰接，盾构隧道模具的端部连接伸缩杆的一端，伸缩杆的另一端连接卡扣，卡扣扣合在卡槽内。本发明有效解决了当前试验装置存在的问题，大幅度提升试验效率，为模拟盾构开挖面失稳提供了一个更加简单的操作平台。

Description

一种角度可调的盾构模拟试验装置
技术领域
本发明涉及一种角度可调的盾构模拟试验装置，属于地铁隧道盾构施工技术领域以及土工试验装置领域。
背景技术
随着社会经济的快速发展与城镇化水平的提高，城市地铁的快速崛起成为缓解交通压力的重要手段。地下空间的开发和利用已经成为世界性发展趋势。传统的地铁隧道修建方法主要包括明挖法，新奥法，新意法和矿山法等，在种类多样的地铁隧道施工方法中，盾构法具有对周围环境影响小、施工速度快、机械化和自动化程度高、复杂地质条件下安全性高等优点使其成为城市地铁隧道施工的首选方法。到目前为止，相关学者在研究砂土地层盾构开挖面稳定性时，主要针对盾构沿水平方向掘进，而实际工程中，盾构掘进绝大多数情况沿俯角或仰角的倾斜路径掘进，研究结果在实际应用时其局限性凸显。近年来，有学者采用传统试验装置研究上述问题时，定做大量不同倾角条件下的盾构隧道模具，试验过程需要反复拆卸，带来了很大不便，试验装置亟待改进。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种角度可调的盾构模拟试验装置。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种角度可调的盾构模拟试验装置，其包括模型箱、盾构隧道模具、第一隧道模具固定板、第二隧道模具固定板、伸缩杆、卡槽、固定杆和卡扣；其中，所述第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板分别设于所述模型箱的一侧面的上方和下方，所述盾构隧道模具固定设于第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板的中间，部分嵌入所述模型箱内，所述卡槽设于模型箱外侧水平设置，所述固定杆的一端垂直固定设于卡槽上，另一端与所述盾构隧道模具的端部铰接，所述盾构隧道模具的端部连接伸缩杆的一端，所述伸缩杆的另一端连接卡扣，卡扣扣合在卡槽内，卡扣可在卡槽内左右移动，带动盾构隧道模具上下移动。
在一个优选的实施方案中，所述角度可调的盾构模拟试验装置还包括位移控制器、连接杆和活塞式挡板，所述连接杆的一端固定连接位移控制器，另一端固定连接活塞式挡板，所述活塞式挡板嵌入所述盾构隧道模具内，可在盾构隧道模具中紧贴内壁自由滑动。
进一步地，所述盾构隧道模具为中空的半圆柱体，所述活塞式挡板为半圆形结构，与所述盾构隧道模具内腔相互匹配。
在一个优选的实施方案中，所述角度可调的盾构模拟试验装置还包括第一定位板、第二定位板和多个弹簧，所述第一定位板固定设于所述模型箱的一侧的上端，所述多个弹簧的一端固定连接所述第一定位板，另一端固定连接第一隧道模具固定板，同样，所述第二定位板固定设于所述模型箱的一侧的下端，所述多个弹簧的一端固定连接所述第二定位板，另一端固定连接第二隧道模具固定板，所述弹簧始终处于压缩状态。
在一个优选的实施方案中，所述第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板的上、下和左侧边缘表面均设有止水橡胶。
在一个优选的实施方案中，所述第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板上远离与盾构隧道模具卡接部位的一侧设有多个滑轮，所述滑轮嵌入滑道内，所述滑道垂直固定设于第一定位板和第二定位板上。
在一个优选的实施方案中，所述卡槽上设有刻度-60°～60°，刻度表示沿盾构隧道模具的延长线与水平面的夹角，与固定杆的连接处标记为0°。
在一个优选的实施方案中，所述伸缩杆设有锁扣，按下锁扣，伸缩杆可实现伸长与收缩，松开锁扣，伸缩杆的长度固定。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的一种角度可调的盾构模拟试验装置，是对传统的盾构试验模型进行改进，在模型箱内部上下端各安装一个固定板，固定板可以上下移动，从而实现任意盾构隧道模具倾斜角度的调节，在模型箱外部上端安装可滑动的卡扣，从而实现盾构隧道模具转动角度的控制与转至预定角度后的固定。本发明简化了盾构隧道模具的拆卸与拼装过程，可以直接调节盾构隧道模具转动角度，有效解决了当前试验装置存在的问题，大幅度提升试验效率，为模拟盾构不同掘进方向时开挖面失稳提供了一个更加简单的操作平台。
附图说明
图1为盾构模拟实验装置结构图；
图2为隧道模具固定板的结构示意图；
图3为卡槽的结构示意图。
【附图标记说明】
1：模型箱；
2：盾构隧道模具；
3：活塞式挡板；
4：位移控制器；
5：第一隧道模具固定板；
6：第二隧道模具固定板；
7：第一定位板；
8：第二定位板；
9：钢板；
10：滑道；
11：卡扣；
12：卡槽；
13：连接杆；
14：伸缩杆；
15：弹簧；
16：固定杆；
17：转轴；
18：锁扣；
19：止水橡胶；
20：滑轮。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
一种角度可调的盾构模拟试验装置，其包括模型箱、盾构隧道模具、活塞式挡板、第一隧道模具固定板、第二隧道模具固定板、伸缩杆、卡槽、固定杆和卡扣；其中，第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板分别设于模型箱的一侧面的上方和下方，盾构隧道模具固定设于第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板的中间，第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板下边缘表面设置5mm厚止水橡胶，一方面用来固定盾构隧道模具，一方面实现固定板与盾构隧道模具紧贴防止箱内细砂漏出，盾构隧道模具的部分嵌入模型箱内。盾构隧道模具的形状是半圆柱体用来模拟盾构施工已建成的隧道，卡槽设于盾构隧道模具上方，模型箱外侧左上角处水平设置，固定杆的一端垂直固定设于卡槽上，另一端与盾构隧道模具的端部铰接，盾构隧道模具可绕着固定杆转动，在盾构隧道模具的端部固定连接伸缩杆的一端，伸缩杆的另一端与卡扣铰接，卡扣扣合在卡槽内，卡扣可在卡槽内左右移动，带动盾构隧道模具的一端上下移动。
为了模拟盾构机掘进时，掌子面失稳过程设置有位移控制器、连接杆和活塞式挡板，连接杆的一端固定连接位移控制器，另一端固定连接活塞式挡板，活塞式挡板嵌入盾构隧道模具内，可在在盾构隧道模具中紧贴内壁自由滑动。角度可调的盾构模拟试验装置还包括位第一定位板、第二定位板和多个弹簧，第一定位板固定设于所述模型箱的一侧的上端，第一定位板的下端固定有多个弹簧，弹簧的另一端固定连接第一隧道模具固定板，同样，所述模型箱的一侧的下端固定设有第二定位板固定，第二定位板上固定连接多个弹簧，弹簧的另一端固定连接第二隧道模具固定板，弹簧始终处于压缩状态，这样使得第一、第二隧道模具固定板与盾构隧道模具紧密卡合，便于让定位板紧贴盾构隧道模具表面(压缩的弹簧具有弹力，始终把定位板压向盾构隧道模具表面。
为了减缓第一、第二隧道模具固定板与盾构隧道模具的作用力，在第一、第二隧道模具固定板上远离与盾构隧道模具卡接部位的另一侧面设有多个滑轮，滑道设固定设于第一定位板和第二定位板上的，滑道与第一定位板和第二定位板垂直，滑轮在滑道内滑动，使得盾构隧道模具作用更加灵活。进步为了便于了解盾构隧道模具倾斜角度的调节，根据固定杆的长度及与伸缩杆与卡槽交点处，在卡槽上标记有刻度；为了使测量结果更加准确，在伸缩杆上还设有锁扣，按下锁扣，伸缩杆可实现伸长与收缩，松开锁扣，伸缩杆的长度固定。
实施例2
本实施例的盾构模拟试验装置实在实施例1的基础上，具体如图1所示，包括有模型箱1、盾构隧道模具2、活塞式挡板3、位移控制器4、第一隧道模具固定板5、第二隧道模具固定板6、卡扣11、卡槽12、伸缩杆14、固定杆16、弹簧15等。下面对盾构模拟实验装置的关键部件进行详细描述：
模型箱1，其基本构造为四周及底部由机玻璃板拼装，顶部露空的立方体箱，安装隧道模具一侧的有机玻璃板预留尺寸略大于盾构隧道模具的孔洞；
盾构隧道模具2，其基本构造为由Q235钢材做成的半圆柱体其横截面是半个圆，紧贴有机玻璃放置，模拟已经建成的盾构隧道。
活塞式挡板3，其基本构造为半圆形结构，活塞式挡板3固定连接连接杆13，连接杆13的另一端固定连接在位移控制器4上，活塞式挡3板嵌入在盾构隧道模具2中，可以在盾构隧道模具2中紧贴内壁自由滑动。
位移控制器4，其中心与连接杆13连接，与连接杆13垂直安装其通过连接杆13与活塞式挡板3连接，通过设定连接杆13的移动速率，拉动活塞式挡板3，使活塞式挡板3紧贴盾构隧道模具2内壁滑动，以此模拟隧道开挖面失稳过程。
第一隧道模具固定板5，第一隧道模具固定板5靠近模型箱1内一侧且位于盾构隧道模具2上方，第一隧道模具固定板5上、下和左侧边缘表面设置5mm厚密闭止水橡胶19，如图2所示，保证第一隧道模具固定板5与盾构隧道模具2和第二隧道模具固定板6接触面紧贴且防止箱内细砂漏出。在模型箱1设有第一、第二隧道模具固定板5和6的一侧面上下端，固定设有第一定位板7和第二定位板8，钢板9是数值方向设置，上下焊接在第一定位板7和第二定位板8上，第一隧道模具固定板5与第一定位板7通过弹簧15连接，第二隧道模具固定板6通过弹簧与第二定位板8连接。钢板9上设有滑道10，在第一隧道模具固定板5右侧设有四个滑轮20，嵌入在滑道10内，可以沿滑道10上下滑动。隧道模具固定板可以通过滑轮20，在滑道上滑动。其中，弹簧15始终处于压缩状态，实现第一隧道模具固定板5上下滑动位移的控制，同时保证第一隧道模具固定板5的开口处边缘与盾构隧道模具2和第二隧道模具固定板6接触表面紧贴。
第二隧道模具固定板6，其基本作用和安装同第一隧道模具固定板5，对称设置。
伸缩杆14，如图3所示，其由不锈钢制成，原始长度为l1，伸缩杆14上设有锁扣18，按住锁扣18，伸缩杆14可实现伸长与收缩，松开锁扣18后，伸缩杆14便固定。其用于调节盾构隧道模具2与第一、第二隧道模具固定板5的位置关系，使两者充分闭合。
卡槽12，卡槽12焊接在模型箱1外面，设于盾构隧道模具上方，模型箱外侧左上角处水平设置，卡槽12上标有刻度-60°～60°，刻度表示盾构隧道模具水平方向的延长线与水平面的夹角，其中正值为仰角，负值为俯角。
固定杆16的一端焊接在卡槽12的0°刻度处，一端通过转轴与盾构隧道模具2的端部进行铰接，盾构隧道模具2通过转轴17可绕着固定杆转动。
卡扣11，将其嵌入卡槽12内，并在卡槽12上自由滑动，并通过伸缩杆14与盾构隧道模具2相连接，伸缩杆14与卡扣11采用铰接，实现伸缩杆在卡扣11上自由转动。
本实施例在模型箱内部上下端各安装一个固定板，固定板将半圆形盾构隧道模具卡住，且固定板可以上下移动，从而实现任意盾构隧道模具倾斜角度的调节，在模型箱外部上端安装可滑动的卡扣，从而实现盾构隧道模具转动角度的控制与转至预定角度后的固定。
上述盾构模拟实验装置的使用方法如下：
本发明旨在实现不同倾角条件下的盾构开挖面稳定研究。首先在模型箱一边内侧安装隧道模具固定板并在外侧安装安装卡槽和卡扣。固定杆的长度为l1，卡槽上刻度位置距离卡槽中心(0°刻度)距离的距离为l2，则该刻度对应的隧道模具与水平面夹角角度为arctan(l1/l2)，利用这一原则，在卡槽上标注-60°～60°刻度以显示隧道模具试验中的实际倾角。
盾构隧道模具结构水平放置时(模拟盾构机水平掘进)，卡扣对应卡槽上刻度为0°处，0°左边为负数，右边为正数。当需要调节角度时，拔出伸缩杆的锁扣调节其长度并同时滑动卡扣，当调节到目标角度后，按下伸缩杆的锁扣，将伸缩杆固定。当刻度为正数时，盾构隧道模具向上倾斜，与水平面夹角即为对应刻度值(模拟盾构机仰角掘进)，此时，隧道模具固定板a沿着滑道向上滑动，上弹簧向上收缩，隧道模具固定板b沿着滑道向上滑动，下弹簧向上身伸长，隧道模具固定板与盾构模具外表面始终保持紧密接触。同理，当刻度为负数时，盾构隧道模具向下倾斜，与水平面夹角即为对应刻度值(模拟盾构机俯角掘进)，隧道模具固定板a沿着滑道向下滑动，上弹簧向下伸长，隧道模具固定板b沿着滑道向下滑动，下弹簧向下收缩，隧道模具固定板与盾构模具外表面始终保持紧密接触。
通过位移控制器控制活塞挡板的位移，实现隧道模具开挖面处的土体失稳，进而研究土体的失稳破坏形态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种角度可调的盾构模拟试验装置，其特征在于，其包括模型箱、盾构隧道模具、第一隧道模具固定板、第二隧道模具固定板、伸缩杆、卡槽、固定杆和卡扣；其中，所述第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板分别设于所述模型箱的一侧面的上方和下方，所述盾构隧道模具固定设于第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板的中间，部分嵌入所述模型箱内，所述卡槽设于模型箱外侧水平设置，所述固定杆的一端垂直固定设于卡槽上，另一端与所述盾构隧道模具的端部铰接，所述盾构隧道模具的端部连接伸缩杆的一端，所述伸缩杆的另一端连接卡扣，卡扣扣合在卡槽内，卡扣可在卡槽内左右移动，带动盾构隧道模具上下移动。
2.如权利要求1所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述角度可调的盾构模拟试验装置还包括位移控制器、连接杆和活塞式挡板，所述连接杆的一端固定连接位移控制器，另一端固定连接活塞式挡板，所述活塞式挡板嵌入所述盾构隧道模具内，可在盾构隧道模具中紧贴内壁自由滑动。
3.如权利要求2所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述盾构隧道模具为中空的半圆柱体，所述活塞式挡板为半圆形结构，与所述盾构隧道模具内腔相互匹配。
4.如权利要求1所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述角度可调的盾构模拟试验装置还包括第一定位板、第二定位板和多个弹簧，所述第一定位板固定设于所述模型箱的一侧的上端，所述多个弹簧的一端固定连接所述第一定位板，另一端固定连接第一隧道模具固定板，同样，所述第二定位板固定设于所述模型箱的一侧的下端，所述多个弹簧的一端固定连接所述第二定位板，另一端固定连接第二隧道模具固定板，所述弹簧始终处于压缩状态。
5.如权利要求1所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板的上、下和左侧边缘表面均设有止水橡胶。
6.如权利要求4所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述第一隧道模具固定板和第二隧道模具固定板上远离与盾构隧道模具卡接部位的一侧设有多个滑轮，所述滑轮嵌入滑道内，所述滑道垂直固定设于第一定位板和第二定位板上。
7.如权利要求1所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述卡槽上设有刻度-60°～60°，刻度表示沿盾构隧道模具的延长线与水平面的夹角，与固定杆的连接处标记为0°。
8.如权利要求1所述的盾构模拟试验装置，其特征在于，所述伸缩杆设有锁扣，按下锁扣，伸缩杆可实现伸长与收缩，松开锁扣，伸缩杆的长度固定。
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