CN113107505A - 一种多模式盾构掘进试验研究装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模式盾构掘进试验研究装置，其包括箱壁为透明的土样箱体，土样箱体一侧设置有直线导轨，直线导轨上活动设置有用于盾构掘进土样箱内土层的圆形盾构机和半圆形盾构机，圆形盾构机可以模拟不同模式的盾构掘进方式，用于研究盾构掘进效率、刀盘磨损、地层渗漏水等情况，模拟盾构机实际的使用情况；半圆形盾构机在盾构掘进过程中，可以直观地从土样箱体外侧观察到盾构过程中土样土层位移形变的变化情况，并通过摄像机采集土层位移形变图片，上传至数据分析终端分析；本装置可以研究多模式盾构在掘进过程中，盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，为实际工程提供参考和借鉴。
Description
技术领域
本发明涉及盾构试验设备技术领域，特别是涉及一种多模式盾构掘进试验研究装置。
背景技术
近年来，随着我国地铁建设的快速推进，国内盾构技术也得到了较为迅速的发展，尤其在盾构设计制造、管片拼装、泡沫添加剂以及壁后注浆等方面取得了突破性进展，加速了我国盾构国产化进程。可以预见，随着我国大规模基础设施项目的实施，未来50年，铁路、公路、水利、水电、煤矿隧道等大批不同断面、不同类型的隧道需要建设。采用盾构、TBM法隧道施工技术，可以达到较高的掘进速度，并且能够快速穿越不良地质段，具有很好的生态环境效益和社会效益，因而该施工技术正成为我国今后隧道建设必选的施工方法之一。
当隧道穿越复合地层时，常规盾构形式不能完全满足掘进施工要求，常常要根据相应地层情况选用2台或多台盾构，但这种方案不仅费用高，而且由于场地限制使得多台盾构难以布置。因此，多模式盾构因运而生。多模式盾构是在结构空间允许的前提下，将土压平衡盾构、泥水平衡盾构和护盾式TBM三者中的任意两者以上的功能部件同时布置在1台盾构上，在一定的条件下可以互相切换，满足盾构安全、高效施工需要。
而目前，多模式盾构掘进试验装置处于空白阶段，且现有技术中的掘进模拟试验装置，一般为土压或者泥水单模式掘进模拟试验装置，无法模拟多模式盾构的实际施工过程，无法对多模式盾构进行深入研究，无法研究多模式盾构在掘进过程中，盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，无法为实际工程提供参考和借鉴。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种多模式盾构掘进试验研究装置，填补了多模式盾构掘进试验装置的空白，解决了现有技术中的盾构试验装置，无法模拟多模式盾构的实际施工过程以及无法为实际工程提供的问题参考和借鉴的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供了一种多模式盾构掘进试验研究装置，包括箱壁为透明的土样箱体，土样箱体一侧设置有直线导轨，直线导轨上活动设置有用于盾构掘进土样箱内土层的圆形盾构机；
圆形盾构机包括圆形盾构外壳，圆形盾构外壳的外壁设置有圆形隧道衬砌，圆形盾构外壳内设置有转动的第一主轴，第一主轴的掘进端部上固定设置有圆形盾构刀盘，圆形盾构刀盘的掘进侧设置有第一土仓；第一土仓呈顶部为开口的中空圆柱结构，第一土仓的开口朝向圆形盾构刀盘；第一主轴贯穿第一土仓，第一主轴的外壁与第一土仓密封活动连接，第一土仓的底部设置有可开闭的第一土仓挡板；第一土仓挡板的侧壁上设置有用于出土的第一皮带机；
圆形盾构外壳内设置有与第一土仓连通的第一泥浆进浆管和第一螺旋出土器。
本方案中，通过控制第一土仓挡板的开闭状态、第一皮带机的启停运行、第一泥浆进浆管的输入和第一螺旋出土器的启停运行，模拟不同模式的盾构掘进方式，研究多模式盾构在掘进过程中，盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，为实际工程提供参考和借鉴。
进一步地，为了直观地从土样箱体外侧观察到盾构过程中土样土层位移形变的变化情况，直线导轨上活动设置有半圆形盾构机，半圆形盾构机与圆形盾构机并列设置，半圆形盾构机包括半圆形盾构外壳，半圆形盾构外壳外壁上设有半圆隧道衬砌，半圆隧道衬砌的平面侧壁为透明材料，半圆隧道衬砌的平面侧壁与土样箱体的箱壁接触；
半圆形盾构外壳内设置有第二主轴，第二主轴的掘进端部上固定设置有半圆盾构刀盘，第二主轴上设置有转动的偏心轮；偏心轮通过第二主轴带动半圆盾构刀盘周期往复运动；实现半圆形盾构机的盾构掘进工作。
第二主轴上设置有第二土仓，第二土仓呈顶部为开口的中空半圆柱结构，第二土仓的开口朝向半圆盾构刀盘，第二土仓的底部设置有可开闭的第二土仓挡板；半圆形盾构外壳内设置有与第二土仓连通的第二皮带机、第二泥浆进浆管和第二螺旋出土器。
进一步地，为了实现圆形盾构机和半圆形盾构机直线运动以及实现驱动第一主轴和偏心轮转动，确保掘进试验装置运行稳定，直线导轨上设置有用于驱动圆形盾构机和半圆形盾构机直线运动的驱动装置以及用于驱动第一主轴和偏心轮转动的动力装置。
进一步地，作为驱动装置的一种具体实施结构，直线导轨上滑动设置有安装座，圆形盾构机和半圆形盾构机均固定设置在安装座上；驱动装置包括油缸，油缸的缸体固定设置在安装座上，油缸的活塞端与土样箱体外壁固定连接。
油缸上可以设置拉压传感器，拉压传感器可以测得盾构机受到的油缸的拉力，即为盾构机所需的掘进力；油缸的活塞端的位移变化量即为圆形盾构机和半圆形盾构机的掘进位移量。
进一步地，作为动力装置的一种具体实施结构，动力装置设置在安装座上，动力装置包括传动箱，传动箱内设置有两根分别与第一主轴和偏心轮转动连接的驱动轴，驱动轴上还可以设置有扭矩传感器，方便直接分别获取圆形盾构机和半圆形盾构机的扭矩力。
进一步地，土样箱体侧壁上设置有用于采集半圆形盾构机掘进时土样土层位移形变的摄像机，摄像机可以采集土样土层位移形变图像，并可以将图像上传至数据分析终端，如上传至计算机上，计算机上的分析软件可以根据土层位移形变图像判断分析出盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，为实际工程提供参考和借鉴。
进一步地，作为实现第一土仓挡板开闭的一种具体结构，第一土仓挡板包括圆形固定板和圆形转动板，圆形固定板呈扇叶结构，圆形固定板与第一土仓挡板底部固定连接，圆形转动板呈扇叶结构，圆形转动板与圆形固定板转动连接，圆形转动板的转动实现第一土仓挡板的开闭。
进一步地，为了确定土样箱体内的水位高度，土样箱体上设置有水位观测管。
进一步地，为了改变土样箱体土层之间的压力，模拟不同埋深情况下模式转换过程土体稳定性情况，土样箱体顶部设置有密封挡板，密封挡板上表面设置有拉环和向土样方向施加压力的千斤顶。
本发明的有益效果为：
1、本方案中的圆形盾构机，可以模拟不同模式的盾构掘进方式，用于研究盾构掘进效率、刀盘磨损、地层渗漏水等情况，模拟盾构机实际的使用情况；半圆形盾构机在盾构掘进过程中，可以直观地从土样箱体外侧观察到盾构过程中土样土层位移形变的变化情况，并通过摄像机采集土层位移形变图片，上传至数据分析终端分析；本装置可以研究多模式盾构在掘进过程中，盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，为实际工程提供参考和借鉴。
2、本方案中可以通过千斤顶向密封挡板施加向下的压力，改变改变土样箱体土层之间的压力，使得圆形盾构机和半圆形盾构机本装置中模拟不同埋深情况下模式转换过程土体稳定性情况，提高适用范围。
附图说明
图1为一种多模式盾构掘进试验研究装置的结构示意图。
图2为圆形盾构机和半圆形盾构机的安装结构示意图。
图3为圆形盾构机的内部结构示意图。
图4为第一土仓挡板的结构示意图。
图5为半圆形盾构机的内部结构示意图。
图6为半圆形盾构机的第二主轴的连接结构示意图。
其中，1、土样箱体；2、直线导轨；3、圆形盾构机；4、圆形隧道衬砌；5、第一主轴；6、圆形盾构刀盘；7、第一土仓；8、第一土仓挡板；801、圆形固定板；802、圆形转动板；9、第一皮带机；10、第一泥浆进浆管；11、第一螺旋出土器；12、半圆形盾构机；13、半圆隧道衬砌；14、第二主轴；15、半圆盾构刀盘；16、偏心轮；17、第二土仓；18、第二皮带机；19、第二泥浆进浆管；20、第二螺旋出土器；21、安装座；22、油缸；23、传动箱；24、摄像机；25、水位观测管；26、密封挡板；27、千斤顶；28、第二土仓挡板。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～6所示，本发明提供了一种多模式盾构掘进试验研究装置，其包括箱壁为透明的土样箱体1，土样箱体1的尺寸可以为1600mm×1600mm×1600mm，土样箱体1外壁采用有机玻璃制成，可以从外部观察土体变形情况。
土样箱体1内装有土样层，土样箱体1上设置有水位观测管25，可以确定土样箱体1内的水位高度。
土样箱体1顶部设置有密封挡板26，密封挡板26上表面设置有拉环和向土样方向施加压力的千斤顶27，可以改变土样箱体1土层之间的压力，模拟不同埋深情况下模式转换过程土体稳定性情况。
土样箱体1一侧设置有直线导轨2，直线导轨2上活动设置有用于盾构掘进土样箱内土层的圆形盾构机3；
圆形盾构机3包括圆形盾构外壳，圆形盾构外壳的外壁设置有圆形隧道衬砌4，圆形盾构外壳的直径为400mm，长1700mm，用有机玻璃板制成；圆形隧道衬砌4的内径为400mm，外径为420mm，用不锈钢板制成；圆形盾构机3在模拟施工过程中，圆形隧道衬砌4对土体的支撑作用，也保护盾构机主体结构不受水土入侵。
圆形盾构外壳内设置有转动的第一主轴5，第一主轴5的掘进端部上固定设置有圆形盾构刀盘6，圆形盾构刀盘6的直径Φ398mm；圆形盾构刀盘6的掘进侧设置有第一土仓7；第一土仓7呈顶部为开口的中空圆柱结构，第一土仓7的开口朝向圆形盾构刀盘6；第一主轴5贯穿第一土仓7，第一主轴5的外壁与第一土仓7密封活动连接，第一土仓7的底部设置有可开闭的第一土仓挡板8；第一土仓挡板8的侧壁上设置有用于出土的第一皮带机9；圆形盾构外壳内设置有与第一土仓7连通的第一泥浆进浆管10和第一螺旋出土器11。
第一主轴5的外壁与第一土仓7密封活动连接的具体实施方式为：第一主轴5进入第一土仓7时采用高性能橡胶以及油脂轴承密封，保证使用土压模式和泥水模式掘进过程中土仓压力、泥水压力、气压的稳定性。
如图3和图4所示，作为实现第一土仓挡板8开闭的一种具体结构，第一土仓挡板8包括圆形固定板801和圆形转动板802，圆形固定板801呈扇叶结构，圆形固定板801与第一土仓挡板8底部固定连接，圆形转动板802呈扇叶结构，圆形转动板802与圆形固定板801转动连接，圆形转动板802的转动实现第一土仓挡板8的开闭。
第一土仓挡板8的材质可以优选为不锈钢材质，圆形固定板801上设置有6个等间距的扇形叶片，圆形转动板802上也设置有6个等间距的扇形叶片，圆形转动板802在圆形固定板801上转动，使其12个扇形叶片完全隔离第一土仓7的底部，当6个扇形叶片重合时，打开第一土仓7的底部。
如图1、图5和图6所示，直线导轨2上活动设置有半圆形盾构机12，半圆形盾构机12与圆形盾构机3并列设置，半圆形盾构机12包括半圆隧道衬砌13，半圆隧道衬砌13的平面侧壁为透明材料，半圆隧道衬砌13的平面侧壁与土样箱体1的箱壁接触；
半圆隧道衬砌13内设置有第二主轴14，第二主轴14的掘进端部上固定设置有半圆盾构刀盘15，第二主轴14上设置有转动的偏心轮16；偏心轮16通过第二主轴14带动半圆盾构刀盘15周期往复运动；
第二主轴14上设置有第二土仓17，第二土仓17呈顶部为开口的中空半圆柱结构，第二土仓17的开口朝向半圆盾构刀盘15，第二土仓17的底部设置有可开闭的第二土仓挡板28；半圆隧道衬砌13内设置有与第二土仓17连通的第二皮带机18、第二泥浆进浆管19和第二螺旋出土器20；半圆形盾构机12的设置，可以方便试验人员直观地从土样箱体1外侧观察到盾构过程中土样土层位移形变的变化情况，可以研究盾构掘进对地层稳定性的影响。
土样箱体1侧壁上设置有摄像机24，摄像机24用于采集半圆形盾构机12掘进时土样土层位移形变图像，并可以将图像上传至数据分析终端，如上传至计算机上，计算机上的分析软件可以根据土层位移形变图像判断分析出盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，为实际工程提供参考和借鉴。
为了实现圆形盾构机3和半圆形盾构机12直线运动以及实现驱动第一主轴5和偏心轮16转动，确保掘进试验装置运行稳定，直线导轨2上设置有用于驱动圆形盾构机3和半圆形盾构机12直线运动的驱动装置以及用于驱动第一主轴5和偏心轮16转动的动力装置。
作为驱动装置的一种具体实施结构，直线导轨2上滑动设置有安装座21，圆形盾构机3和半圆形盾构机12均固定设置在安装座21上；驱动装置包括油缸22，油缸22的缸体固定设置在安装座21上，油缸22的活塞端与土样箱体1外壁固定连接。油缸22上可以设置拉压传感器，拉压传感器可以测得盾构机受到的油缸22的拉力，即为盾构机所需的掘进力；油缸22的活塞端的位移变化量即为圆形盾构机3和半圆形盾构机12的掘进位移量。
作为动力装置的一种具体实施结构，动力装置设置在安装座21上，动力装置包括传动箱23，传动箱23内设置有两根分别与第一主轴5和偏心轮16转动连接的驱动轴，驱动轴上还可以设置有扭矩传感器，方便直接分别获取圆形盾构机3和半圆形盾构机12的扭矩力。
圆形盾构机3的多模式盾构掘进过程为：圆形盾构机3模拟土压模式或泥水模式时，转动圆形转动板802，使得12个扇形叶片完全隔离第一土仓7的底部，将土体隔离在第一土仓7内部，避免掘进的土层穿过第一土仓挡板8进入圆形盾构机3内部，土体只能从第一螺旋出土器11出土，模拟土压模式或泥水模式掘进盾构模式。
圆形盾构机3模拟TBM敞开模式时，转动圆形转动板802，使得其上的6个扇形叶片与圆形固定盘上的扇形叶片重合，打开第一土仓7的底部，同时关闭第一螺旋出土器11，此时第一土仓7内的土体只能从第一皮带机9出土，模拟TBM敞开模式掘进盾构。
泥水模式转换为土压模式过程中，第一土仓挡板8保持封闭不动，泥浆进浆管关闭，第一土仓7内泥浆土体混合物逐渐转变为开挖渣土。土压模式转换泥水模式过程中，第一土仓挡板8保持封闭，第一泥浆进浆管10打开，从外设泥水池中不断抽送浆液至第一土仓7中，使第一土仓7内土体逐渐转变为泥浆土体混合物，保持第一土仓7内的水土压力。土压模式转换TBM模式过程中，转动圆形转动板802，使得其上的6个扇形叶片与圆形固定板802上的扇形叶片重合，打开第一土仓挡板8，形成50％的开口，第一螺旋出土器11停转，第一皮带机9运转，土体落至皮第一皮带机9并运送至盾构机外部。TBM模式转换土压模式过程中，第一土仓挡板8旋转封闭，使第一土仓7底部封闭，第一皮带机9停转，第一螺旋出土器11开启，开挖土体从第一螺旋出土器11排出圆形盾构机3。
半圆形盾构机12的多模式盾构掘进方式和圆形盾构机3相同，在此不一一赘述。
综上，本方案中的圆形盾构机3，可以模拟不同模式的盾构掘进方式，用于研究盾构掘进效率、刀盘磨损、地层渗漏水等情况，模拟盾构机实际的使用情况；半圆形盾构机12在盾构掘进过程中，可以直观地从土样箱体1外侧观察到盾构过程中土样土层位移形变的变化情况，并通过摄像机24采集土层位移形变图片，上传至数据分析终端分析；本装置可以研究多模式盾构在掘进过程中，盾构的掘进参数、掘进模式与地层变形特征的联系，为实际工程提供参考和借鉴。
Claims (9)
1.一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，包括箱壁为透明的土样箱体(1)，所述土样箱体(1)一侧设置有直线导轨(2)，所述直线导轨(2)上活动设置有用于盾构掘进土样箱内土层的圆形盾构机(3)；
所述圆形盾构机(3)包括圆形盾构外壳，圆形盾构外壳的外壁设置有圆形隧道衬砌(4)，圆形盾构外壳内设置有转动的第一主轴(5)，所述第一主轴(5)的掘进端部上固定设置有圆形盾构刀盘(6)，所述圆形盾构刀盘(6)的掘进侧设置有第一土仓(7)；第一土仓(7)呈顶部为开口的中空圆柱结构，第一土仓(7)的开口朝向圆形盾构刀盘(6)；第一主轴(5)贯穿第一土仓(7)，第一主轴(5)的外壁与第一土仓(7)密封活动连接，第一土仓(7)的底部设置有可开闭的第一土仓挡板(8)；所述第一土仓挡板(8)的侧壁上设置有用于出土的第一皮带机(9)；
圆形盾构外壳内设置有与第一土仓(7)连通的第一泥浆进浆管(10)和第一螺旋出土器(11)。
2.根据权利要求1所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述直线导轨(2)上活动设置有半圆形盾构机(12)，所述半圆形盾构机(12)与所述圆形盾构机(3)并列设置，半圆形盾构机(12)包括半圆形盾构外壳，半圆形盾构外壳外壁上设有半圆隧道衬砌(13)，半圆隧道衬砌(13)的平面侧壁为透明材料，半圆隧道衬砌(13)的平面侧壁与所述土样箱体(1)的箱壁接触；
半圆形盾构外壳内设置有第二主轴(14)，所述第二主轴(14)的掘进端部上固定设置有半圆盾构刀盘(15)，第二主轴(14)上设置有转动的偏心轮(16)；偏心轮(16)通过第二主轴(14)带动半圆盾构刀盘(15)周期往复运动；
第二主轴(14)上设置有第二土仓(17)，所述第二土仓(17)呈顶部为开口的中空半圆柱结构，第二土仓(17)的开口朝向半圆盾构刀盘(15)，第二土仓(17)的底部设置有可开闭的第二土仓(17)挡板；半圆形盾构外壳内设置有与第二土仓(17)连通的第二皮带机(18)、第二泥浆进浆管(19)和第二螺旋出土器(20)。
3.根据权利要求2所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述直线导轨(2)上设置有用于驱动所述圆形盾构机(3)和半圆形盾构机(12)(3)直线运动的驱动装置以及用于驱动所述第一主轴(5)和偏心轮(16)转动的动力装置。
4.根据权利要求2所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述直线导轨(2)上滑动设置有安装座(21)，所述圆形盾构机(3)和半圆形盾构机(12)均固定设置在所述安装座(21)上；
驱动装置包括油缸(22)，所述油缸(22)的缸体固定设置在安装座(21)上，油缸(22)的活塞端与所述土样箱体(1)外壁固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，动力装置设置在所述安装座(21)上，动力装置包括传动箱(23)，所述传动箱(23)内设置有两根分别与所述第一主轴(5)和所述偏心轮(16)转动连接的驱动轴。
6.根据权利要求2所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述土样箱体(1)侧壁上设置有用于采集所述半圆形盾构机(12)掘进时土样土层位移形变的摄像机(24)。
7.根据权利要求2所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述第一土仓挡板(8)包括圆形固定板(801)和圆形转动板(802)，所述圆形固定板(801)呈扇叶结构，圆形固定板(801)与第一土仓挡板(8)底部固定连接，所述圆形转动板(802)呈扇叶结构，圆形转动板(802)与圆形固定板(801)转动连接，圆形转动板(802)的转动实现第一土仓挡板(8)的开闭。
8.根据权利要求1所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述土样箱体(1)上设置有水位观测管(25)。
9.根据权利要求1所述的一种多模式盾构掘进试验研究装置，其特征在于，所述土样箱体(1)顶部设置有密封挡板(26)，所述密封挡板(26)上表面设置有拉环和向土样方向施加压力的千斤顶(27)。
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