CN111829804B - 盾构推进模拟试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构推进模拟试验平台，包括：反力架，包括相对设置的前架体和后架体；多个负载千斤顶，架设于前架体的内侧，负载千斤顶的具有相对的第一端和第二端，负载千斤顶的第一端连接于前架体，负载千斤顶的第二端和所述后架体之间形成容置空间；移动式承台，设置于容置空间中；以及容置于容置空间中的待测中体，包括支承环、负载环板和多个推进千斤顶，移动式承台支撑于支承环，负载环板安装于支承环的前端，负载千斤顶的第二端顶推于负载环板，多个推进千斤顶安装于支承环的内侧，推进千斤顶伸出支承环的后端并对准于后架体。本发明解决了对于盾构机掘进负载动力学研究多为理论研究，而无法模拟地层中土体荷载的问题。

Description

盾构推进模拟试验平台

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，具体涉及一种盾构推进模拟试验平台。

背景技术

实际盾构施工中，不论何种盾构机都会依靠其后方推进系统的作用实现在地层中的掘进，并完成隧道的构筑。

现阶段，国内外有大量的研究成果针对盾构机在多种荷载条件下的负载动力学理论，亦有根据盾构机在实际工程中的掘进表现对其进行姿态的分析并进一步提出纠偏的方法。然而，理论的研究往往基于多种假定，且由于土体极为复杂的力学性质导致的土体荷载很难精确计算获得；实际工程反应的盾构机姿态表现又受限于各种地层条件以及盾构司机的操作习惯。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种盾构推进模拟试验平台，以解决对于盾构机的负载动力学研究多为理论研究，而无法模拟地层中土体荷载的问题。

为实现上述目的，提供一种盾构推进模拟试验平台，包括：

反力架，包括相对设置的前架体和后架体；

多个负载千斤顶，架设于所述前架体的内侧，所述负载千斤顶的具有相对的第一端和第二端，所述负载千斤顶的第一端连接于所述前架体，所述负载千斤顶的第二端和所述后架体之间形成容置空间；

移动式承台，设置于所述容置空间中；以及

容置于所述容置空间中的待测中体，包括支承环、负载环板和多个推进千斤顶，所述移动式承台支撑于所述支承环，所述负载环板安装于支承环的前端，所述负载千斤顶的第二端顶推于所述负载环板，多个推进千斤顶沿所述支承环的内圆周面方向间隔安装于所述支承环的内侧，所述推进千斤顶伸出所述支承环的后端并对准于所述后架体。

进一步的，所述后架体开设有贯通的管片输送洞。

进一步的，所述后架体的内侧安装有用于支撑第一环管片的受力环板，所述受力环板与所述管片输送洞同轴设置。

进一步的，还包括穿设于所述支承环中的靶杆，所述靶杆架设于所述容置空间中，所述靶杆沿所述受力环板的中轴线长度方向设置。

进一步的，还包括设置于所述前架体的内侧的支撑架，所述支撑架开设有支撑孔，所述负载千斤顶穿设于所述支撑孔中，所述前架体和所述支撑架之间连接有连系杆。

进一步的，所述前架体和所述后架体之间连接有拉结杆。

进一步的，所述拉结杆的两端与所述前架体、所述后架体之间分别连接有斜撑。

进一步的，所述移动式承台包括：

基座，所述基座安装有滚轮；

供所述支承环搁置的支承梁，可升降地安装于所述基座上；

多个调高千斤顶，多个所述调高千斤顶安装于所述基座上，多个所述调高千斤顶分别设置于所述支承梁的相对两侧。

进一步的，多个所述调高千斤顶沿所述支承梁的周向方向间隔设置。

进一步的，所述基座具有靠近所述后架体的第一侧和远离所述后架体的第二侧，所述基座的第一侧和第二侧分别安装有限位板，所述支承环的前后端分别安装有用于插设于二所述限位板之间的挡板，二所述挡板的位置与二所述限位板的位置一一对应。

本发明的有益效果在于，本发明的盾构推进模拟试验平台，通过负载千斤顶精确模拟土层土体对盾构机的荷载，使得研究人员可以在特定(预设)负载条件下，模拟盾构在常规推进一定距离后的管片拼装以及盾构在推进过程中同步拼装管片的真实过程、盾构的姿态参数和推进千斤顶的油压系统参数，提高了盾构推进模拟数据的有效性、可靠性，对研究盾构推进过程中的动力学理论以及验证盾构同步推拼(在盾构推进的同时进行管片拼装)施工方法和盾构快速接头的可行性有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的结构示意图。

图2为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的主视图。

图3为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的右视图。

图4为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的左视图。

图5为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的分解示意图。

图6为本发明实施例的反力架的结构示意图。

图7为本发明实施例的支撑架的结构示意图。

图8为本发明实施例的后架体的结构示意图。

图9为本发明实施例的负载千斤顶的安装状态示意图。

图10为本发明实施例的支撑架的主视图。

图11为本发明实施例的移动式承台的结构示意图。

图12为本发明实施例的移动式承台的俯视图。

图13为本发明实施例的盾构机的中体的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的结构示意图、图2为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的主视图、图3为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的右视图、图4为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的左视图、图5为本发明实施例的盾构推进模拟试验平台的分解示意图、图6为本发明实施例的反力架的结构示意图、图7为本发明实施例的支撑架的结构示意图、图8为本发明实施例的后架体的结构示意图、图9为本发明实施例的负载千斤顶的安装状态示意图、图10为本发明实施例的支撑架的主视图、图11为本发明实施例的移动式承台的结构示意图、图12为本发明实施例的移动式承台的俯视图、图13为本发明实施例的盾构机的中体的结构示意图。

参照图1至图13所示，本发明提供了一种盾构推进模拟试验平台，包括：反力架1、负载千斤顶2、移动式承台3和待测中体5。

具体的，反力架1包括前架体11和后架体12。前架体11和后架体12相对设置。

负载千斤顶2架设于前架体11的内侧。负载千斤顶2的具有相对的第一端和第二端。负载千斤顶2的第一端连接于前架体11。负载千斤顶2的第二端和后架体12之间形成容置空间。移动式承台3设置于容置空间中。

盾构机的中体，设于盾构机的中部，用以承受地层压力、推进千斤顶推力及其他施工荷载的钢圆环。在本实施例中，待测中体5用于模拟盾构机的中体。具体的，待测中体5包括支承环51、负载环板52、推进千斤顶53和管片拼装机54。支承环通常用钢板卷焊而成，必要时可附加肋筋，加大刚度。支承环51内设有用于盾构推进的推进千斤顶53、液压动力设备、操纵控制台。支承环51的前端(即面向前架体的一端)安装有负载环板52，支承环51的后端安装有管片拼装机54。负载环板呈环形，负载千斤顶2的数量为多个，多个负载千斤顶沿负载环板的圆周方向等间距设置。负载千斤顶的第二端压抵于负载环板上。推进千斤顶53即为待测推进千斤顶。推进千斤顶的数量为多个，多个推进千斤顶53安装于支承环51的内侧，且多个推进千斤顶沿支承环的内圆周面方向间隔等间距设置。每一个推进千斤顶则沿支承环的轴向方向设置，推进千斤顶伸出支承环的后端并对准于后架体。推进千斤顶用于推抵后架体或管片。

在试验时，待测中体吊装至容置空间中并放置于移动式承台上。移动式承台支撑于支承环的下部。负载千斤顶的第二端用于向后顶推待测中体的负载环板，即对待测中体施加朝向后架体的推力。在负载千斤顶向后推顶待测中体以及待测中体的推进千斤顶推顶后架体模拟掘进时，移动式承台3跟随待测中体一同移动。

本发明的盾构推进模拟试验平台的盾构推进模拟试验方法，包括以下步骤：

S1：盾构推进模拟试验平台的拼装，并使得负载千斤顶呈收缩状态。

S2：将移动式承台定位设置于盾构推进模拟试验平台的容置空间中的预设位置，以便能够稳定支撑待测中体。

S3：吊装待测中体至容置空间中，且将待测中体的支承环搁置于移动式承台上并使得待测中体的支承环的前端的负载环板对准于多个负载千斤顶。

前期可以通过调整移动式承台的高度，使得搁置于移动式承台上的待测中体的姿态达到盾构机正常姿态(待测中体沿水平方向设置，即中体的中轴线沿水平方向设置)。

S4：负载千斤顶伸出并向后(基于前架体为前方、后架体为后方的方向基准)推动待测中体的支承环的负载环板，使得待测中体的后端的推进千斤顶压抵于后架体上。

S5：待测中体的推进千斤顶伸至一定行程后静止，管片拼装机完成常规一环管片(第一环管片)的拼装。

S6：待测中体往前运动并同步拼装第二环管片，模拟盾构机在推进过程中同步拼装管片。

具体的，模拟盾构机在推进过程中的同步拼装管片，即同步推拼。同步推拼，即将多个推进千斤顶划分为多个区段，包括回缩区段和顶伸区段。回缩区段的多个推进千斤顶回缩，顶伸区段的多个推进千斤顶继续顶伸，使得待测中体向前推进，而在待测中体向前推进的同时管片拼装机开始回缩区段的位置对应的管片的拼装。

在待测中体推进一段距离后，即拼装完成预设环数的管片后，测定待测中体的中轴线的位置与该待测中体的初始状态下的中轴线的位置的偏差。

本发明的盾构推进模拟试验平台，通过负载千斤顶精确模拟土层土体对盾构机的荷载，使得研究人员可以在特定(预设)负载条件下，模拟盾构在常规推进一定距离后的管片拼装以及盾构在推进过程中同步拼装管片的真实过程、盾构的姿态参数和推进千斤顶的油压系统参数，提高了盾构推进模拟数据的有效性、可靠性，对研究盾构推进过程中的动力学理论以及验证盾构同步推拼(在盾构推进的同时进行管片拼装)施工方法和盾构快速接头的可行性有重要意义。

作为一种较佳的实施方式，本发明的盾构推进模拟试验平台还包括控制器和连接于控制器的多个压力传感器。控制器连接于管片拼装机。多个压力传感器分别设置于待测中体的多个推进千斤顶中，用于监测每一个推进千斤顶的压力。控制器分别信号连接于多个推进千斤顶。

在本实施例中，待测中体的多个推进千斤顶沿支承环的圆周方向均匀的间隔设置。在拼装每一块管片时，将多个推进千斤顶划分为多个顶伸区段和一回缩区段，即相邻的两块管片拼装时划分的顶伸区段以及回缩区段的位置是不相同的。

多个顶伸区段的推进千斤顶的实时推力之和以及产生的合力矩分别等于多个推进千斤顶的常规推力之和与产生的合力矩。多个推进千斤顶的常规推力之和与产生的合力矩，即在常规模式下，推进千斤顶先推进后停止，再进行管片拼装，如此交替进行的模式下的多个推进千斤顶的推力之和与产生的合力矩。

待测中体的每个推进千斤顶都能被控制器独立控制推力大小。

每一个顶伸区段中的多个推进千斤顶以相同压力(油压开度值)同步动作。控制器则控制回缩区段的推进千斤顶回缩，同时控制其余的顶伸区段的推进千斤顶伸出，使得盾构机保持以原速度和姿态进行推行，同时控制器控制管片拼装机拼装该回缩区段的管片，再依次完成一整环管片拼装。

在本实施例中，后架体12开设有贯通的管片输送洞。管片输送洞对准于待测中体的后端。管片通过所述管片输送洞输送至管片拼装机。

具体的，后架体12的内侧安装有受力环板121。受力环板121用于支撑第一环管片6的受力环板121。受力环板121与管片输送洞同轴设置。受力环板的尺寸适配于盾构机中体的后端的尺寸。

在实施步骤S4时，负载千斤顶伸并向后推动待测中体的负载环板，使得待测中体的后端的推进千斤顶压抵于后架体的受力环板121上。

作为一种较佳的实施方式，前架体11和后架体12之间连接有拉结杆13。拉结杆13的两端与前架体11、后架体12之间分别连接有斜撑14。

具体的，前架体11和后架体12为尺寸相同的架体。

前架体11由型钢焊接形成井字形结构，在其中心处设置洞圈，并在洞圈周围表面焊接固定板，固定板连接于负载千斤顶的第一端，用于支撑负载千斤。

后架体12由型钢焊接成矩形框架，依靠四边焊接受力环板121，作为盾构机中体的推进千斤顶(或推进油缸)或者第一环管片的后支承。

拉结杆13连接前架体11和后架体12的四个角部对应位置，以形成闭合框架，即反力架1。

拉结杆与其两侧的前架体11、后架体12的角部位置之间连接有斜撑，以起到保持整个反力架形状的作用。

作为一种较佳的实施方式，本发明的盾构推进模拟试验平台还包括支撑架21。支撑架21设置于前架体11的内侧(即前架体的面向后架体的一侧)。支撑架21开设有支撑孔，负载千斤顶2穿设于支撑孔中。在本实施例中，负载千斤顶的数量为多个，用于模拟盾构机推进地质层的阻力。支撑孔的位置以及数量，与多个负载千斤顶的位置以及数量相适配。前架体11和支撑架21之间连接有连系杆22。

在本实施例中，支撑架包括竖向设置的板块和支撑于板块下方的支脚。板块开设有多个支撑孔。负载千斤顶一一对应地穿设于板块的支撑孔中。板块呈矩形，板块的四个角都分别通过一连系杆连接于前架体。

作为一种较佳的实施方式，移动式承台3包括：基座31、支承梁32和多个调高千斤顶33。

基座31的底部安装有滚轮312。滚轮的数量为多组。

支承梁32通过顶升千斤顶321可升降地安装于基座31上。支承梁3用于支撑于盾构机中体5的底部。

在实施步骤S3时，可以通过调节支承梁的高度以调节盾构机中体的初始姿态。

多个调高千斤顶33安装于基座31上。多个调高千斤顶33分别设置于支承梁32的相对两侧。进一步的，在本实施例中，多个调高千斤顶33沿支承梁32的周向方向间隔设置。

在实施步骤S3时，待负载千斤顶将待测中体的推进千斤顶推至压抵于后架体后，通过压力传感器监测获得的基座的四个角部的调高千斤顶的油压值，并换算成顶力(即对待测中体的支承环的支撑力)。然后，升高支承梁以等量的支撑力支撑于待测中体的支承环的底部。在支承梁稳定支撑于支承环后，调高千斤顶回缩一距离，在本实施例中，回缩的距离为10mm，使多个调高千斤顶的顶端脱离待测中体的支承环，由于调高千斤顶并未远离待测中体的支承环，多个调高千斤顶起到防止待测中体倾倒的保险作用。

作为一种较佳的实施方式，基座31具有靠近后架体12的第一侧和远离后架体12的第二侧。基座31的第一侧和第二侧分别安装有限位板311，待测中体5的支承环的前后端分别安装有挡板511。二挡板511的位置与二限位板311的位置一一对应。在实施步骤S3时，将待测中体的支承环搁置于多个调高千斤顶或支承梁上口，二挡板511插设于二限位板311之间，并与二限位板311的位置一一对应。

在待测中体推进过程中或被负载千斤顶推顶过程中，待测中体与移动式承台之间产生相对错动至10mm，待测中体的底部的挡板压抵于基座第一侧或第二侧的限位板上，进而继续带动移动式承台跟随待测中体一起同向运动。

在本实施例中，在支承环51的底部连接有二凸块，二凸块沿支承环的轴向方向间隔设置。在支承梁支撑于待测中体的支承环后，支承梁位于二凸块之间。在待测中体与移动式承台之间产生错位后，支承梁压抵于二凸块中的一凸块，使得移动式承台跟随待测中体一起同向运动。

作为一种较佳的实施方式，本发明的盾构推进模拟试验平台的还包括靶杆4。靶杆4架设于容置空间中，靶杆4沿受力环板121的中轴线长度方向设置。

在待测中体吊装至容置空间后，靶杆4穿设于待测中体5的支承环中。通过调高千斤顶调整待测中体的位置，使得待测中体的支承环的中轴线与靶杆的中轴线重合。

具体的，可以通过实时监测待测中体的支承环的中轴线的空间位置与靶杆的两端(靶点)的空间位置，从而以靶杆为参照物换算得到待测中体的支承环的姿态参数，若待测中体的支承环的中轴线与靶杆的中轴线之间的俯仰角超过0.5°，试验暂停，待重新调试后再进行试验。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。

Claims (9)

1.一种盾构推进模拟试验平台，其特征在于，包括：

反力架，包括相对设置的前架体和后架体；

多个负载千斤顶，架设于所述前架体的内侧，所述负载千斤顶的具有相对的第一端和第二端，所述负载千斤顶的第一端连接于所述前架体，所述负载千斤顶的第二端和所述后架体之间形成容置空间；

移动式承台，设置于所述容置空间中；以及

容置于所述容置空间中的待测中体，包括支承环、负载环板和多个推进千斤顶，所述移动式承台支撑于所述支承环，所述负载环板安装于支承环的前端，所述负载千斤顶的第二端顶推于所述负载环板，多个推进千斤顶沿所述支承环的内圆周面方向间隔安装于所述支承环的内侧，所述推进千斤顶伸出所述支承环的后端并对准于所述后架体；

所述移动式承台包括：

基座，所述基座安装有滚轮；

供所述支承环搁置的支承梁，可升降地安装于所述基座上；

多个调高千斤顶，多个所述调高千斤顶安装于所述基座上，多个所述调高千斤顶分别设置于所述支承梁的相对两侧；

在负载千斤顶向后推顶待测中体以及待测中体的推进千斤顶推顶后架体模拟掘进时，移动式承台跟随待测中体一同移动；

通过负载千斤顶精确模拟土层土体对盾构机的荷载，在预设负载条件下，模拟盾构在常规推进一定距离后的管片拼装以及盾构在推进过程中同步拼装管片的真实过程、盾构的姿态参数和推进千斤顶的油压系统参数。

2.根据权利要求1所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，所述后架体开设有贯通的管片输送洞。

3.根据权利要求2所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，所述后架体的内侧安装有用于支撑第一环管片的受力环板，所述受力环板与所述管片输送洞同轴设置。

4.根据权利要求3所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，还包括穿设于所述支承环中的靶杆，所述靶杆架设于所述容置空间中，所述靶杆沿所述受力环板的中轴线长度方向设置。

5.根据权利要求1所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，还包括设置于所述前架体的内侧的支撑架，所述支撑架开设有支撑孔，所述负载千斤顶穿设于所述支撑孔中，所述前架体和所述支撑架之间连接有连系杆。

6.根据权利要求1所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，所述前架体和所述后架体之间连接有拉结杆。

7.根据权利要求6所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，所述拉结杆的两端与所述前架体、所述后架体之间分别连接有斜撑。

8.根据权利要求1所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，多个所述调高千斤顶沿所述支承梁的周向方向间隔设置。

9.根据权利要求8所述的盾构推进模拟试验平台，其特征在于，所述基座具有靠近所述后架体的第一侧和远离所述后架体的第二侧，所述基座的第一侧和第二侧分别安装有限位板，所述支承环的前后端分别安装有用于插设于二所述限位板之间的挡板，二所述挡板的位置与二所述限位板的位置一一对应。

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