CN113391051A - 一种刀盘开口率可调泥水盾构模拟试验装置及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刀盘开口率可调泥水盾构模拟试验装置及其模拟方法，包括模型箱、试验台架、盾构掘进系统、泥浆循环系统、监测系统以及控制系统；盾构掘进系统包括一种开口率可调的刀盘结构，刀盘结构由面板、鱼尾刀、刀座和切削刀组成，刀座与面板之间形成开口，开口外呈对角线布置一对扇形的辐条；刀盘结构还包括一种辐条旋转驱动机构，其包括固定在辐条中心的主齿轮，与主齿轮啮合传动的驱动齿轮以及与驱动齿轮连接的驱动装置。本发明不仅有效的解决了在地质参数相近的地层中研究刀盘最佳开口率时刀盘需要反复拆卸的问题，同时实现了泥水盾构在地质参数跨度较大的地层模拟掘进过程中适时对刀盘开口率进行调节，从而达到地层适应性的要求。
Description
技术领域
本发明属于地下工程试验领域，尤其涉及一种刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置及其模拟方法。
背景技术
近些年来，泥水盾构隧道技术在我国城市地铁和大型越江海隧道建设中应用越来越广泛。由于我国地域辽阔，不同地区的水文地质条件各不相同，对盾构掘进参数也应进行相应调整，而开口率作为刀盘结构中与地质条件密切相关的参数，在盾构掘进过程中，如果刀盘开口率设计偏小，则不利于排渣，影响掘进效率；如果刀盘开口率设计偏大，虽然提高了排渣效率，但不利于开挖面的稳定，因此刀盘开口率是盾构选型时需要考虑的重要指标之一。一般情况下，在地质参数相近的地层中，要提前通过模型试验为刀盘选择最佳开口率；在地质参数跨度较大的地层中，模拟掘进过程中刀盘开口率应适时进行调节从而使盾构获得较为宽泛的地质适应能力。有学者采用传统试验装置研究上述问题时，盾构模型在掘进过程中刀盘开口率通常是不可改变的，需要定做大量不同开口率的刀盘，试验过程中需要反复拆卸，带来了很大不便，试验装置亟待改进。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于克服传统模型试验刀盘开口率固定不变的缺点，提供一种可在掘进过程中适时进行刀盘开口率调节的一种泥水盾构模拟试验装置及其模拟方法。
本发明为实现其发明目的所采用的技术方案是：一种刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，包括模型箱、试验台架、盾构掘进系统、泥浆循环系统、监测系统以及控制系统；其特征在于：所述盾构掘进系统包括一种开口率可调的刀盘结构，所述刀盘由面板、鱼尾刀、刀座和切削刀组成，所述刀座与所述面板之间形成开口，开口外呈对角线布置一对扇形的辐条；所述刀盘结构还包括一种所述辐条旋转驱动机构，其包括固定在所述辐条中心的主齿轮，与所述主齿轮啮合传动的驱动齿轮以及与所述驱动齿轮连接的驱动装置。
进一步地，所述辐条的外端插入盾壳预制好的槽内，保证所述辐条旋转时与所述刀盘保持同心；所述辐条采用薄钢板制成，其厚度为3mm。
进一步地，所述驱动齿轮与小型电机相连，所述小型电机位于盾壳内隔板后方的电机支座上。
进一步地，所述刀盘的后端通过主轴与驱动刀盘转动的电动机和减速器相连，所述刀盘和主轴通过螺纹连接，所述电动机和减速器的后端与水平设置在试验台架后端的液压油缸的伸缩杆相连，所述液压油缸与千斤顶相连。
进一步地，所述模型箱由角钢、槽钢、铁板以及钢化玻璃拼装而成。
进一步地，所述试验台架通过升降螺丝来调整高度，确保模型泥水盾构保持水平状态；所述试验台架设有平行滑轨、控制箱、泥浆槽a和泥浆槽b，所述平行滑轨上设有两个支座和推板，所述推板上设有驱动刀盘转动的电动机和减速器；所述控制箱设有变频器和控制系统。
进一步地，所述泥浆循环系统包括刀盘和隔板之间形成的泥水舱、泥浆槽a、泥浆槽b、泥浆泵a、泥浆泵b、泥浆泵c、空气压缩机和流量计，通过隔板固定气压管、进浆管和出浆管，所述泥水舱通过进浆管与泥浆槽a相连、通过出浆管与泥浆槽b相连、通过气压管与空气压缩机相连，进浆管和出浆管均设有流量计，所述泥浆槽a和泥浆槽b通过管路相连。
进一步地，所述泥浆槽a和泥浆槽b中分别设置一个挡板，分为左右两个槽；所述泥水舱中的渣土会通过所述出浆管和所述泥浆泵b进入到所述泥浆槽b中，所述泥浆槽b左面的槽用于沉淀渣土，上层的浆液会通过所述挡板溢到右面的槽中，并通过所述泥浆泵c送入所述泥浆槽a右面的槽中，再次过滤后通过所述泥浆泵a送入所述进浆管并达到循环使用。
进一步地，所述监测系统位于模型箱内，所述模型箱上方设有可移动位移传感器支架，所述位移传感器支架两端设有螺丝口，通过调节螺丝来控制位移传感器高度。
一种刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置进行盾构掘进的模拟方法，所述方法包括以下步骤：
①配置好所需模型土，将量测装置按试验设计要求提前布置到位，并对土体逐层夯实至指定强度，通过支架固定位移传感器，并通过升降螺丝调节位移传感器和试验台架高度，然后根据地层需要的开口率，预制对应面积的辐条；
②模拟掘进，将预先配置好的泥浆装入泥浆槽a中，通过流量计控制泥浆流速，并调节泥水舱压力至预定的开挖面支护力；根据地层需要的开口率，开启电动机和小型电机，保证相同的转速分别带动刀盘和条幅转动，此时刀盘开口率保持不变；逐步通过千斤顶施加刀盘顶推力，当推进一定距离时，安装盾构管片，管片与前部管片通过螺栓连接为整体，管片可以随前端刀盘向前移动；为研究地质参数跨度相近的地层中最佳开口率或者当前方遇到地质参数跨度较大的地层需要改变刀盘开口率时，通过控制系统调整辐条的转速来调整至预定的开口率，当辐条转速较刀盘快或慢时，此时刀盘开口率会发生改变，从而实现盾构掘进的模拟；
③对试验过程中不同刀盘开口率下水土压力监测及地表位移监测数据进行采集，掘进结束后，可挖掘地层观察开挖面泥膜特征。
本发明的原理是：根据刀盘和辐条转速的不同来调节刀盘开口率，通过电动驱动装置来控制刀盘和辐条的转速，当刀盘和辐条的转速相同时，此时开口率保持不变，当刀盘和辐条的转速不同时，刀盘开口率发生改变，根据地层需要的开口率，预制对应面积的辐条，当辐条和刀盘重合时，此时刀盘开口率最大，当辐条和刀盘分离时，此时刀盘开口率最小，从而实现灵活调节刀盘开口率的目的。
本发明的有益效果是：本发明的一种刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置及其模拟方法，不仅有效的解决了地质参数相近的地层中研究刀盘最佳开口率时刀盘需要反复拆卸的问题，同时实现了泥水盾构在地质参数跨度较大的地层模拟掘进过程中可适时对刀盘开口率进行调节，从而达到地层适应性的要求。本发明通过调节刀盘和辐条的转速达到调节刀盘开口率的效果，有效的解决了当前试验装置存在的问题，大幅度提升试验效率。
附图说明
图1为本发明的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟掘进装置的结构原理图。
图2是本发明设计的一种开口率可调的刀盘结构正面图。
图3是本发明设计的一种开口率可调的刀盘结构反面图。
图4是本发明设计的一种开口率可调的刀盘结构侧面图。
图5是本发明的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟掘进装置实物图。
图中：1、模型箱；2、试验台架；3、刀盘；4、盾壳；5、隔板；6、主轴；7、电动机；8、减速器；9、液压油缸；10、伸缩杆；11、千斤顶；12、铁板；13、钢化玻璃；14、升降螺丝；15、平行滑轨；16、控制箱；17、泥浆槽a；18、泥浆槽b；19、支座；20、推板；21、变频器；22、泥水舱；23、泥浆泵a；24、泥浆泵b；25、泥浆泵c；26、空气压缩机；27、流量计；28、气压管；29、进浆管；30、出浆管；31、挡板；32、位移传感器支架；33、面板；34、鱼尾刀；35、刀座；36、切削刀；37、辐条；38、主齿轮；39、驱动齿轮；40、小型电机；41、电机支座。
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。
如图所示，本发明的刀盘开口率可调的泥水盾构室内模拟掘进装置，它包括模型箱1、试验台架2、盾构掘进系统、泥浆循环系统、监测系统以及控制系统；所述盾构掘进系统包括一种开口率可调的刀盘结构，所述刀盘结构由面板33、鱼尾刀34、刀座35和切削刀36组成，所述刀座35与所述面板33之间形成开口，开口外呈对角线设置一对扇形的辐条37；所述刀盘结构还包括一种所述辐条37旋转驱动机构，其包括固定在所述辐条37中心的主齿轮38，与所述主齿轮38啮合传动的驱动齿轮39以及与所述驱动齿轮39连接的驱动装置。
本发明所述辐条37的外端插入盾壳4预制好的槽内，保证所述辐条37旋转时与所述刀盘3保持同心；所述辐条37采用薄钢板制成，其厚度为3mm。
本发明所述驱动齿轮39与小型电机40相连，所述小型电机40位于盾壳4内隔板5后方的电机支座41上。
本发明所述刀盘3的后端通过主轴6与驱动刀盘转动的电动机7和减速器8相连，所述刀盘3和主轴6通过螺纹连接，所述电动机7和减速器8的后端与水平设置在试验台架后端的液压油缸9的伸缩杆10相连，所述液压油缸与千斤顶11相连。
本发明所述模型箱1由角钢、槽钢、铁板12以及钢化玻璃13拼装而成。
本发明所述试验台架通过升降螺丝14来调整高度，确保模型泥水盾构保持水平状态；所述试验台架设有平行滑轨15、控制箱16、泥浆槽a 17和泥浆槽b 18，所述平行滑轨15上设有两个支座19和推板20，所述推板20上设有驱动刀盘转动的电动机7和减速器8；所述控制箱设有变频器21和控制系统。
本发明所述泥浆循环系统包括刀盘3和隔板5之间形成的泥水舱22、泥浆槽a 17、泥浆槽b 18、泥浆泵a 23、泥浆泵b 24、泥浆泵c 25、空气压缩机26、流量计27，通过隔板5固定气压管28、进浆管29和出浆管30，所述泥水舱通过进浆管29与泥浆槽a 17相连、通过出浆管30与泥浆槽b 18相连、通过气压管28与空气压缩机26相连，进浆管29和出浆管30均设有流量计27，所述泥浆槽a 17和泥浆槽b 18通过管路相连。
本发明所述泥浆槽a 17和泥浆槽b 18中分别设置一个挡板31，分为左右两个槽；所述泥水舱22中的渣土会通过所述出浆管30和所述泥浆泵b 24进入到所述泥浆槽b 18中，所述泥浆槽b 18中左面的槽用于沉淀渣土，上层的浆液会通过所述挡板28溢到右面的槽中，并通过所述泥浆泵c 25送入所述泥浆槽a 17右面的槽中，再次过滤后通过所述泥浆泵a23送入所述进浆管29并达到循环使用。
本发明所述监测系统位于模型箱内，所述模型箱上方设有可移动位移传感器支架32，所述位移传感器支架两端设有螺丝口，通过调节螺丝来控制位移传感器高度。
利用本实施例的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置及其模拟方法包括以下步骤：
①配置好所需模型土，将量测装置按试验设计要求提前布置到位，并对土体逐层夯实至指定强度，通过支架固定位移传感器，并通过升降螺丝调节位移传感器和试验台架高度，然后根据地层需要的开口率，预制对应面积的辐条；
②模拟掘进，将预先配置好的泥浆装入泥浆槽a中，通过流量计控制泥浆流速，并调节泥水舱压力至预定的开挖面支护力；根据地层需要的开口率，开启电动机和小型电机，保证相同的转速分别带动刀盘和条幅转动，此时刀盘开口率保持不变；逐步通过千斤顶施加刀盘顶推力，当推进一定距离时，安装盾构管片，管片与前部管片通过螺栓连接为整体，管片可以随前端刀盘向前移动；为研究地质参数跨度相近的地层中最佳开口率或者当前方遇到地质参数跨度较大的地层需要改变刀盘开口率时，通过控制系统调整辐条的转速来调整至预定的开口率，当辐条转速较刀盘快或慢时，此时刀盘开口率会发生改变，从而实现盾构掘进的模拟；
③对试验过程中不同刀盘开口率下水土压力监测及地表位移监测数据进行采集，掘进结束后，可挖掘地层观察开挖面泥膜特征。
更具体地说：根据刀盘和辐条转速的不同来调节刀盘开口率，通过电动驱动装置来控制刀盘和辐条的转速，当刀盘和辐条的转速相同时，此时开口率保持不变，当刀盘和辐条的转速不同时，刀盘开口率发生改变，根据地层需要的开口率，预制对应面积的辐条，当辐条和刀盘重合时，此时刀盘开口率最大，当辐条和刀盘分离时，此时刀盘开口率最小，从而实现灵活调节刀盘开口率的目的。
Claims (10)
1.一种刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，包括模型箱、试验台架、盾构掘进系统、泥浆循环系统、监测系统以及控制系统；其特征在于：所述盾构掘进系统包括一种开口率可调的刀盘结构，所述刀盘结构由面板、鱼尾刀、刀座和切削刀组成，所述刀座与所述面板之间形成开口，开口外呈对角线布置一对扇形的辐条；所述刀盘结构还包括一种所述辐条旋转驱动机构，其包括固定在所述辐条中心的主齿轮，与所述主齿轮啮合传动的驱动齿轮以及与所述驱动齿轮连接的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述辐条的外端插入盾壳预制好的槽内，保证所述辐条旋转时与所述刀盘保持同心；所述辐条采用薄钢板制成，其厚度为3mm。
3.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述驱动齿轮与小型电机相连，所述小型电机位于盾壳内隔板后方的电机支座上。
4.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述刀盘的后端通过主轴与驱动刀盘转动的电动机和减速器相连，所述刀盘和主轴通过螺纹连接，所述电动机和减速器的后端与水平设置在试验台架后端的液压油缸的伸缩杆相连，所述液压油缸与千斤顶相连。
5.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述模型箱由角钢、槽钢、铁板以及钢化玻璃拼装而成。
6.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述试验台架通过升降螺丝来调整高度，确保模型泥水盾构保持水平状态；所述试验台架设有平行滑轨、控制箱、泥浆槽a和泥浆槽b，所述平行滑轨上设有两个支座和推板，所述推板上设有驱动刀盘转动的电动机和减速器；所述控制箱设有变频器和控制系统。
7.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述泥浆循环系统包括刀盘和隔板之间形成的泥水舱、泥浆槽a、泥浆槽b、泥浆泵a、泥浆泵b、泥浆泵c、空气压缩机和流量计，通过隔板固定气压管、进浆管和出浆管，所述泥水舱通过进浆管与泥浆槽a相连、通过出浆管与泥浆槽b相连、通过气压管与空气压缩机相连，进浆管和出浆管均设有流量计，所述泥浆槽a和泥浆槽b通过管路相连。
8.根据权利要求7所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述泥浆槽a和泥浆槽b中分别设置一个挡板，分为左右两个槽；所述泥水舱中的渣土会通过所述出浆管和所述泥浆泵b进入到所述泥浆槽b中，所述泥浆槽b左面的槽用于沉淀渣土，上层的浆液会通过所述挡板溢到右面的槽中，并通过所述泥浆泵c送入所述泥浆槽a右面的槽中，再次过滤后通过所述泥浆泵a送入所述进浆管并达到循环使用。
9.根据权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置，其特征在于：所述监测系统位于模型箱内，所述模型箱上方设有可移动位移传感器支架，所述位移传感器支架两端设有螺丝口，通过调节螺丝来控制位移传感器高度。
10.一种利用权利要求1所述的刀盘开口率可调的泥水盾构模拟试验装置进行盾构掘进的模拟方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤:
①配置好所需模型土，将量测装置按试验设计要求提前布置到位，并对土体逐层夯实至指定强度，通过支架固定位移传感器，并通过升降螺丝调节位移传感器和试验台架高度，然后根据地层需要的开口率，预制对应面积的辐条；
②模拟掘进，将预先配置好的泥浆装入泥浆槽a中，通过流量计控制泥浆流速，并调节泥水舱压力至预定的开挖面支护力；根据地层需要的开口率，开启电动机和小型电机，保证相同的转速分别带动刀盘和条幅转动，此时刀盘开口率保持不变；逐步通过千斤顶施加刀盘顶推力，当推进一定距离时，安装盾构管片，管片与前部管片通过螺栓连接为整体，管片可以随前端刀盘向前移动；为研究地质参数跨度相近的地层中最佳开口率或者当前方遇到地质参数跨度较大的地层需要改变刀盘开口率时，通过控制系统调整辐条的转速来调整至预定的开口率，当辐条转速较刀盘快或慢时，此时刀盘开口率会发生改变，从而实现盾构掘进的模拟；
③对试验过程中不同刀盘开口率下水土压力监测及地表位移监测数据进行采集，掘进结束后，可挖掘地层观察开挖面泥膜特征。
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