CN112985856A - 适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法，包括以下步骤：(a)确定缩尺比例和试验方案；(b)铺设土体；(c)处理土体始发侧坡度；(d)完成设备平台的安装；(e)将双向液压油缸缩回；(f)将模型盾构机固定到模型盾构机轨道上；(g)操纵电动绞盘；(h)启动双向液压油缸；(i)启动模型盾构机；(j)待盾构开始推进一段时间后，操作模型盾构机尾部的液压千斤顶；(k)启动双向液压油缸；(l)重复步骤(i)‑(l)；(m)当模型盾构机进入土体过2/3时，拆除盾构方向挡板；(n)继续反复以上步骤(i)‑(l)；(o)重复步骤(b)‑(n)，完成所有试验。本发明操作简便、简单易行。

Description

适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置 的操作方法

技术领域

本发明涉及适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法，适用于地面出入式盾构模型试验，属盾构试验技术领域。

背景技术

盾构法隧道建造施工方法由于自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等优点，得到了广泛的工程应用。传统的盾构施工需要预先开挖两个工作井(即盾构始发井和盾构接收井)作为盾构机进出的通道，对施工场地和环境的要求较高，可能还会涉及地上道路改道、建筑动迁等问题。而且，有较多地下隧道工程，如引水涵道、地下快速路等工程从功能上并不需要类似地铁车站这样与地面垂直联通的通道。这两方面因素制约了传统的盾构隧道施工方法在城市等地面设施密集的区域的应用与发展。地面出入式盾构解决了以上的问题，无需工作井，既避免了复杂环境的影响，还节省了成本。

盾构隧道在施工和运营中的安全一直是国内外关注的重点，模型试验作为盾构隧道研究工作中的一种手段，在模拟盾构施工中有重要的作用。传统的盾构模型试验反力架装置，一般用于模拟在井下始发，不能调节始发倾斜角度，无法适应多种盾构推进步长(环宽)，试验步骤复杂、周期长，不适用于地面出入式盾构模型试验。因此，为了克服现有的盾构模型试验反力架装置的操作方法的不足，发明了适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法。

发明内容

为了克服现有的盾构模型试验反力架装置的操作方法不能调节始发倾斜角度、无法适应多种盾构推进步长(环宽)、试验步骤复杂且周期较长等不适用于地面出入式盾构模型试验的不足，本发明提供了适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法能有效地克服上述盾构模型试验反力架装置的操作方法的缺点。本操作方法不但可以应用于任意角度的地面出入式盾构始发模型试验，而且操作简便、简单易行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法，所述方法包括以下步骤：

(a)根据地面出入式盾构始发工程的实际情况，确定缩尺比例和试验方案，选用相应的模型盾构机、盾构模型箱，盾构模型箱在始发侧(盾构推进轴线起始端)和终点侧(盾构推进轴线结束端)具有不同的高度，设备平台的高度与盾构模型箱始发侧的高度相同；

(b)铺设土体：根据试验方案计算土体始发侧高度、终点侧高度，使得土体在盾构模型箱的始发侧呈斜坡状，坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，且盾构推进轴线通过该土体斜坡。首先按照计算得到的土体终点侧高度铺设好土体，在预计的推进轴线两侧设置土压力盒，并在土体上部设置位移传感器，用于测量试验过程中的土体内部应力和位移的变化；

(c)根据试验方案处理土体始发侧坡度，将始发侧土体开挖至计算得到的土体始发侧高度，形成一个坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，坡度与试验方案一致的土体斜坡；

(d)根据地面出入式盾构模型试验的要求，将设备平台用固定螺栓固定在盾构模型箱边缘的设备基础上，完成设备平台的安装；

(e)将双向液压油缸缩回，使反力板位于反力板滑轨的尾部；

(f)将模型盾构机固定到模型盾构机轨道上，并使其尾部紧贴反力板，然后安装盾构方向挡板；

(g)根据地面出入式盾构模型试验的要求，操纵电动绞盘，使得钢索收缩，设备主体倾斜，观察角度指示器上的倾斜角度指针和刻度线，当倾斜角度指针指向当前试验方案设定的角度时，关闭电动绞盘；

(h)启动双向液压油缸，推动模型盾构机，直至模型盾构机的刀盘紧贴盾构模型箱中始发侧倾斜的始发土坡，关闭双向液压油缸；

(i)启动模型盾构机，盾构开始推进时，模型盾构机尾部的液压千斤顶紧贴反力板；

(j)待盾构开始推进一段时间后，模型盾构机尾部的液压千斤顶到达其行程时，关闭模型盾构机，将液压千斤顶泄压，使得液压千斤顶回缩；

(k)启动双向液压油缸，将反力板沿反力板滑轨推进至模型盾构机的尾部，关闭双向液压油缸；

(l)再次启动模型盾构机，继续盾构推进；

(m)重复步骤(i)-(l)，使得模型盾构机分步进入土体；

(n)当模型盾构机进入土体过2/3时，土体对模型盾构机的盾构方向已有充分的保持作用，此时拆除盾构方向挡板，防止其接触土体；

(o)继续反复以上步骤(i)-(l)，最终使得模型盾构机完全进入土体，收集土压力盒和位移传感器的数据，一个试验周期结束；

(p)根据试验方案，重复步骤(b)-(o)，完成所有试验，对试验数据进行分析和总结，归纳出应力和沉降符合施工质量要求的方案，并对这些方案进行经济性评估，最终揭示最优的盾构始发角度，指导隧道的设计与施工。

进一步，所述地面出入式盾构模型试验反力架装置包括设备基础、设备平台、转轴、模型盾构机轨道、反力板滑轨、倾斜角度指针、模型盾构机、液压油缸固定底座、双向液压油缸、反力板、盾构方向挡板、角度指示器、钢索、电动绞盘、绞盘架、刻度线、土体和盾构模型箱；

所述盾构模型箱固定在设备基础上，所述设备平台与设备基础固定连接，模型盾构机轨道通过转轴与设备平台连接，所述反力板导轨与模型盾构机轨道固定连接；倾斜角度指针固定在模型盾构机轨道上，并穿过角度指示器，使指针正常指向刻度线；所述模型盾构机放置在模型盾构机轨道的凹槽中，与凹槽紧贴；所述液压油缸固定底座与模型盾构机轨道固定连接；所述双向液压油缸与液压油缸固定底座固定连接；所述反力板与反力板导轨通过卡槽连接，所述反力板与双向液压油缸固定连接，并可由双向液压油缸推动沿着反力板导轨滑动；所述盾构方向挡板与反力板固定连接；所述角度指示器与设备平台固定连接；所述钢索一端与模型盾构机轨道连接，所述钢索另一端与电动绞盘连接；所述电动绞盘与绞盘架固定连接；所述绞盘架与设备平台固定连接；所述刻度线印刷于角度指示器上。

本发明的有益效果主要表现在：(1)盾构始发角度可调节。本装置采用了转轴和电动绞盘组成的角度调节系统，可以根据试验设计的需要调节始发角度，角度调节方式为无级调节，倾斜角通过角度指示器显示。(2)盾构推进步长无级调节。本装置中反力板可以在滑轨上自由移动，并可通过控制液压油缸的推进和倒退来实现移动定位，因此能够在盾构机尾部千斤顶收回的同时推动反力板前进，使得反力板始终紧贴盾尾千斤顶，进而实现了盾构推进每环宽度的自由调节，具有强大的适应能力。(3)操作简便，试验周期短。本装置始发倾斜角度通过角度指示器实时显示，并可通过电动绞盘实时控制，液压油缸与电动绞盘的操作较为简便，且本装置具有用于保持盾构角度稳定的挡板，始发模拟精度较高。

附图说明

图1是适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的左视图。

图2是适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的主视图。

图3是适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的右视图。

图4是水平始发的示意图。

图5是倾斜始发的示意图。

图6是液压油缸推进的示意图。

图7是模型盾构机推进的示意图。

图8是反力系统的主视图。

图9是反力系统的右视图。

图10是角度指示器的示意图。

图11是盾构模型箱的示意图。

图12是实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图12，一种适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法，包括以下步骤：

(a)根据地面出入式盾构始发工程的实际情况，确定缩尺比例为1:20，选用直径为320mm、长度为1200mm的模型盾构机8。为消除边界效应的影响，选用长a＝4000mm、宽b＝2500mmm、盾构模型箱始发侧(盾构推进轴线起始端)的高度为1400mm、盾构模型箱终点侧(盾构推进轴线结束端)的高度为2200mm的盾构模型箱19，盾构模型箱19的底板的始发侧在长度方向上向外延伸1500mm作为本装置的设备基础1。设备平台3的高度与盾构模型箱始发侧的高度相同。

(b)铺设土体。根据试验方案计算得到土体18始发侧高度为1300mm，终点侧高度为1800mm，使得土体在盾构模型箱的始发侧呈斜坡状，坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，且盾构推进轴线通过该土体斜坡。首先按照计算得到的土体终点侧高度铺设好土体，土层参数如表1所示，土样均取自工程施工现场。如图所示，在设置土体的同时，在预计的推进轴线两侧设置土压力盒，并在土体上部设置位移传感器，用于测量试验过程中的土体内部应力和位移的变化。

表1

(c)根据试验方案处理土体始发侧坡度，试验方案如表2所示。将始发侧土体开挖至计算得到的土体始发侧高度，形成一个坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，坡度与试验方案一致的土体斜坡。

序号	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧
									坡角(°)	0	5	10	15	20	25	30	35

表2

(d)根据地面出入式盾构模型试验的要求，将设备平台3用固定螺栓2固定在盾构模型箱边缘的设备基础1上，完成设备平台的安装。

(e)将双向液压油缸10缩回，使反力板11位于反力板滑轨6的尾部。

(f)将模型盾构机8固定到模型盾构机轨道5上，并使其尾部紧贴反力板11，然后安装盾构方向挡板12。

(g)根据地面出入式盾构模型试验的要求，操纵电动绞盘15，使得钢索14收缩，设备主体倾斜，观察角度指示器13上的倾斜角度指针7和刻度线17，当倾斜角度指针7指向当前试验设定的角度(见表1)时，关闭电动绞盘15。

(h)启动双向液压油缸10，推动模型盾构机8，直至模型盾构机8的刀盘紧贴盾构模型箱中始发侧倾斜的始发土坡，关闭双向液压油缸10。

(i)启动模型盾构机8，盾构开始推进时，模型盾构机8尾部的液压千斤顶紧贴反力板11。

(j)待盾构开始推进一段时间后，模型盾构机8尾部的液压千斤顶到达其行程时，关闭模型盾构机8，将液压千斤顶泄压，使得液压千斤顶回缩。

(k)启动双向液压油缸10，将反力板11沿反力板滑轨6推进至模型盾构机8的尾部，关闭双向液压油缸10。

(l)再次启动模型盾构机8，继续盾构推进；

(m)重复步骤(i)-(l)，使得模型盾构机8分步进入土体。

(n)当模型盾构机8进入土体过2/3时，土体对模型盾构机8的盾构方向已有充分的保持作用，此时拆除盾构方向挡板12，防止其接触土体。

(o)继续反复以上步骤(i)-(l)，最终使得模型盾构机8完全进入土体，收集土压力盒和位移传感器的数据，一个试验周期结束。

(p)根据试验方案，重复步骤(b)-(o)，完成表3所述的所有试验，对试验数据进行分析和总结，归纳出应力和沉降符合施工质量要求的方案，并对这些方案进行经济性评估，最终揭示最优的盾构始发角度，指导隧道的设计与施工。

某地面出入式盾构始发工程，采用一台φ6380mm GPST专用土压平衡盾构机施工，盾构推进步长(环宽)为1.2m，工程勘察得到的土层参数如表1所示。为了寻求施工质量与经济效益的平衡，揭示最优的盾构始发角度，开展一系列地面出入式盾构始发模型试验。而传统的盾构模型试验反力架无法满足地面出入式盾构模型试验始发的实际要求，采用适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法可以方便、快速、精确地实现角度无级调节的地面出入式盾构模型试验始发的要求。

本实施例的地面出入式盾构模型试验反力架装置包括设备基础1、固定螺栓2、设备平台3、转轴4、模型盾构机轨道5、反力板滑轨(卡口)6、倾斜角度指针7、模型盾构机8、液压油缸固定底座9、双向液压油缸10、反力板11、盾构方向挡板12、角度指示器13、钢索14、电动绞盘15、绞盘架16、刻度线17、土体18和盾构模型箱19。

其中，设备基础1一般采用混凝土浇筑，并与盾构模型箱19浇筑为一体；设备平台3与设备基础1通过固定螺栓2连接；模型盾构机轨道5通过转轴4与设备平台3连接，并可以以转轴4为轴旋转；反力板导轨(卡口)6与模型盾构机轨道5通过热焊连接；倾斜角度指针7通过粘合剂粘在模型盾构机轨道5上，并穿过角度指示器13，使指针正常指向刻度线17；模型盾构机8放置在模型盾构机轨道5的凹槽中，与凹槽紧贴；液压油缸固定底座9与模型盾构机轨道5通过热焊连接；双向液压油缸10与液压油缸固定底座9通过热焊连接；反力板11与反力板导轨(卡口)6通过卡槽连接，与双向液压油缸10通过热焊连接，并可由双向液压油缸10推动沿着反力板导轨(卡口)6滑动；盾构方向挡板12与反力板11通过热焊连接；角度指示器13与设备平台3通过粘合剂连接；钢索14一端与模型盾构机轨道5连接，一端与电动绞盘15连接；电动绞盘15与绞盘架16焊接连接；绞盘架16与设备平台3焊接连接；刻度线17印刷于角度指示器13上。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种适用于角度无级调节的地面出入式盾构模型试验反力架装置的操作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)根据地面出入式盾构始发工程的实际情况，确定缩尺比例和试验方案，选用相应的模型盾构机、盾构模型箱，盾构模型箱在始发侧和终点侧具有不同的高度，设备平台的高度与盾构模型箱始发侧的高度相同；

(b)铺设土体：根据试验方案计算土体始发侧高度、终点侧高度，使得土体在盾构模型箱的始发侧呈斜坡状，坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，且盾构推进轴线通过该土体斜坡；首先按照计算得到的土体终点侧高度铺设好土体，在预计的推进轴线两侧设置土压力盒，并在土体上部设置位移传感器，用于测量试验过程中的土体内部应力和位移的变化；

(c)根据试验方案处理土体始发侧坡度，将始发侧土体开挖至计算得到的土体始发侧高度，形成一个坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，坡度与试验方案一致的土体斜坡；

(d)根据地面出入式盾构模型试验的要求，将设备平台用固定螺栓固定在盾构模型箱边缘的设备基础上，完成设备平台的安装；

(e)将双向液压油缸缩回，使反力板位于反力板滑轨的尾部；

(f)将模型盾构机固定到模型盾构机轨道上，并使其尾部紧贴反力板，然后安装盾构方向挡板；

(g)根据地面出入式盾构模型试验的要求，操纵电动绞盘，使得钢索收缩，设备主体倾斜，观察角度指示器上的倾斜角度指针和刻度线，当倾斜角度指针指向当前试验方案设定的角度时，关闭电动绞盘；

(h)启动双向液压油缸，推动模型盾构机，直至模型盾构机的刀盘紧贴盾构模型箱中始发侧倾斜的始发土坡，关闭双向液压油缸；

(i)启动模型盾构机，盾构开始推进时，模型盾构机尾部的液压千斤顶紧贴反力板；

(j)待盾构开始推进一段时间后，模型盾构机尾部的液压千斤顶到达其行程时，关闭模型盾构机，将液压千斤顶泄压，使得液压千斤顶回缩；

(k)启动双向液压油缸，将反力板沿反力板滑轨推进至模型盾构机的尾部，关闭双向液压油缸；

(l)再次启动模型盾构机，继续盾构推进；

(m)重复步骤(i)-(l)，使得模型盾构机分步进入土体；

(n)当模型盾构机进入土体过2/3时，土体对模型盾构机的盾构方向已有充分的保持作用，此时拆除盾构方向挡板，防止其接触土体；

(o)继续反复以上步骤(i)-(l)，最终使得模型盾构机完全进入土体，收集土压力盒和位移传感器的数据，一个试验周期结束；

(p)根据试验方案，重复步骤(b)-(o)，完成所有试验，对试验数据进行分析和总结，归纳出应力和沉降符合施工质量要求的方案，并对这些方案进行经济性评估，最终揭示最优的盾构始发角度，指导隧道的设计与施工。

2.如权利要求1所述的操作方法，其特征在于，所述地面出入式盾构模型试验反力架装置包括设备基础、设备平台、转轴、模型盾构机轨道、反力板滑轨、倾斜角度指针、模型盾构机、液压油缸固定底座、双向液压油缸、反力板、盾构方向挡板、角度指示器、钢索、电动绞盘、绞盘架、刻度线、土体和盾构模型箱；

所述盾构模型箱固定在设备基础上，所述设备平台与设备基础固定连接，模型盾构机轨道通过转轴与设备平台连接，所述反力板导轨与模型盾构机轨道固定连接；倾斜角度指针固定在模型盾构机轨道上，并穿过角度指示器，使指针正常指向刻度线；所述模型盾构机放置在模型盾构机轨道的凹槽中，与凹槽紧贴；所述液压油缸固定底座与模型盾构机轨道固定连接；所述双向液压油缸与液压油缸固定底座固定连接；所述反力板与反力板导轨通过卡槽连接，所述反力板与双向液压油缸固定连接，并可由双向液压油缸推动沿着反力板导轨滑动；所述盾构方向挡板与反力板固定连接；所述角度指示器与设备平台固定连接；所述钢索一端与模型盾构机轨道连接，所述钢索另一端与电动绞盘连接；所述电动绞盘与绞盘架固定连接；所述绞盘架与设备平台固定连接；所述刻度线印刷于角度指示器上。

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