CN114047317A - 一种泥水平衡盾构试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构试验技术领域，公开了一种泥水平衡盾构试验装置和试验方法，该试验装置包括泥浆模拟仓、第一驱动机构、第二驱动机构和激光多普勒测速仪，泥浆模拟仓为两端开口的环状壳体结构，两端分别设有主动活塞和刀盘以密封；泥浆模拟仓上连接给料仓、浆料仓和稀浆仓，并设有第一可视窗；连通泥浆模拟仓和浆料仓的排浆管上设有第二可视窗；激光多普勒测速仪正对第一可视窗和第二可视窗。本发明可以通过激光多普勒测速仪实时观察或监测泥浆扩散情况以及切削过程，防止堵塞；主动活塞和给料口可以分别针对块状材料和岩土料等进行进料和混合，便于实现真实情况的泥浆混合模拟，解决盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题。

Description

一种泥水平衡盾构试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及盾构试验技术领域，尤其涉及一种泥水平衡盾构试验装置和试验方法。

背景技术

在地下工程建设过程中，盾构机被广泛运用。在盾构机掘进过程中，一方面通过泥浆压力平衡使开挖面达到平衡，另一方面泥浆可作为输送介质。因此准确掌握泥浆的性能数据尤为重要。现有技术中对于泥浆的性能数据的测量存在测量误差大，测量难度高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泥水平衡盾构试验装置和试验方法，以解决盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种泥水平衡盾构试验装置，包括：

泥浆模拟仓，所述泥浆模拟仓为两端开口的环状壳体结构，两端分别设有主动活塞和刀盘以密封；所述泥浆模拟仓上设置给料口、稀浆入口和排浆口，所述给料口设置在顶部且连通给料仓，所述排浆口设置在底部且通过排浆管连通浆料仓，所述稀浆入口设置在侧壁上且通过输浆管连通稀浆仓，所述刀盘与所述稀浆入口设置在同一侧壁上，所述泥浆模拟仓作为所述主动活塞的活塞腔；所述泥浆模拟仓上还设有第一可视窗；所述排浆管上设有第二可视窗；

第一驱动机构，所述第一驱动机构的输出端连接所述主动活塞以驱动所述主动活塞在所述泥浆模拟仓内的移动；

第二驱动机构，所述第二驱动机构的输出端连接所述刀盘以驱动所述刀盘转动；

激光多普勒测速仪，设有至少两个，至少两个所述激光多普勒测速仪分别正对所述第一可视窗和所述第二可视窗。

可选地，所述第一可视窗和所述第二可视窗均采用透明有机玻璃密封。

可选地，所述第二可视窗设有至少两个，至少两个所述第二可视窗分别设于所述排浆管的入口段管路和所述排浆管的中间段管路上。

可选地，所述泥水平衡盾构试验装置还包括固定支架，所述第一驱动机构、所述泥浆模拟仓和所述第二驱动机构分别固定在所述固定支架上。

可选地，所述刀盘的转轴上设有轴向的通孔，所述输浆管穿设在所述通孔内并连通所述泥浆模拟仓。

可选地，所述刀盘上设有多个输浆管分支，所述输浆管通过多个所述输浆管分支连通所述泥浆模拟仓。

可选地，所述第一驱动机构为油缸。

可选地于，所述第二驱动机构为减速电机，所述第二驱动机构设有至少两个，互为备份或同步传动连接所述刀盘的所述转轴。

本发明还提供一种泥水平衡盾构试验方法，根据本发明提供的所述泥水平衡盾构试验装置，当需要对块状材料进行模拟试验时，所述泥水平衡盾构试验方法包括如下步骤：

S1，第一驱动机构带动主动活塞脱离泥浆模拟仓，向所述泥浆模拟仓内加入大块材料，然后通过所述第一驱动机构带动所述主动活塞密封所述泥浆模拟仓；

S2，通过所述泥浆模拟仓顶部的给料口向所述泥浆模拟仓内加入小块材料；

S3，启动第一驱动机构推动所述主动活塞压缩所述块状材料朝向刀盘方向前进；启动第二驱动机构使得刀盘切削所述块状材料，同时，通过输浆管向所述泥浆模拟仓内加入稀料，激光多普勒测速仪通过第一可视窗采集泥浆混合视频和混合速度；

S4，切削后的泥浆通过排浆管排出，激光多普勒测速仪通过第二可视窗采集排浆视频和排浆速度；并据此调节所述输浆管的输浆量。

可选地，当需要对岩土材料进行模拟试验时，所述泥水平衡盾构试验方法包括如下步骤：

S1，将岩土或岩土与液体的混合材料通过所述给料口加入所述泥浆模拟仓；

S2，启动所述第一驱动机构使其推动所述主动活塞朝向所述刀盘前进；启动所述第二驱动机构使得所述刀盘切削所述岩土或岩土与液体的混合材料，同时，通过所述输浆管向所述泥浆模拟仓内加入稀料，所述激光多普勒测速仪通过所述第一可视窗采集泥浆混合视频和混合速度；

S4，切削后的泥浆通过所述排浆管排出，所述激光多普勒测速仪通过所述第二可视窗采集排浆视频和排浆速度；并据此调节所述输浆管的输浆量。

本发明的有益效果：

本发明的一种泥水平衡盾构试验装置，通过在泥浆模拟仓上设置第一可视窗，可以通过激光多普勒测速仪实时观察或监测泥浆扩散情况以及切削过程，便于控制刀盘转动速度和及时处理故障，防止堵塞等事故。通过设置第二可视窗，配合激光多普勒测速仪拍摄泥浆混合过程中颗粒运动情况以及排浆速度等管道内泥浆数据，实现泥水平衡试验的高效安全准确进行；通过设置泥浆模拟仓为主动活塞的活塞腔，便于大块的块状材料通过主动活塞一侧填料，以及通过给料口进行小体积块状材料的填料，输浆管提供稀浆料，便于实现真实情况的泥浆混合模拟，配合激光多普勒测速仪数据和图像，可以解决盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题。

本发明的一种泥水平衡盾构试验方法，通过采用本发明提供的泥水平衡盾构试验装置，可以分别对不同体积的块状材料进行真实模拟，以及对岩土材料和稀浆料等材料混合的真实模拟，配合激光多普勒测速仪，实现实时观察、监测和采集试验数据，防止堵塞等状况造成的事故，实现泥水平衡试验的高效安全准确进行，解决盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种泥水平衡盾构试验装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种泥水平衡盾构试验装置中固定支架的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种泥水平衡盾构试验装置中泥浆模拟仓的固定安装示意图。

图中：

1.泥浆模拟仓；11.主动活塞；12.刀盘；2.第一驱动机构；3.第二驱动机构；4.激光多普勒测速仪；5.给料仓；6.料浆仓；61.排浆管；62.第一传感器；63.第一阀门；64.第一泥浆泵；7.稀浆仓；71.输浆管；72.第二传感器；73.第二阀门；74.第二泥浆泵；8.固定支架；80.底座；81.反力架斜撑；82.横向支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

下面结合附图对本发明提供一种泥水平衡盾构试验装置和试验方法进行详细说明。

如图1-图3，本发明提供一种泥水平衡盾构试验装置，包括泥浆模拟仓1、第一驱动机构2、第二驱动机构3和激光多普勒测速仪4，泥浆模拟仓1为两端开口的环状壳体结构，两端分别设有主动活塞11和刀盘12以密封，泥浆模拟仓1上设置给料口、稀浆入口和排浆口，给料口设置在顶部且连通给料仓5，排浆口设置在底部且通过排浆管61连通浆料仓6，稀浆入口设置在侧壁上且通过输浆管71连通稀浆仓7，刀盘12与稀浆入口设置在同一侧，泥浆模拟仓1作为主动活塞11的活塞腔；泥浆模拟仓1上还设有第一可视窗；排浆管61上设有第二可视窗；第一驱动机构2的输出端连接主动活塞11以驱动主动活塞11在泥浆模拟仓1内的移动；第二驱动机构3的输出端连接刀盘12以驱动刀盘12转动；至少两个激光多普勒测速仪4分别正对第一可视窗和第二可视窗。

如图1所示，主动活塞11和刀盘12分别设置在泥浆模拟仓1的相对的两侧，当本实施例中，泥浆模拟仓1为两端开口的环状壳体结构，左侧滑动连接主动活塞11，泥浆模拟仓1作为主动活塞11的活塞腔，通过主动活塞11可以实现一端的密封，刀盘12固定的另一端同时密封泥浆模拟仓1；当主动活塞11在第一驱动机构2的驱动下在泥浆模拟仓1内朝向刀盘12的方向移动时，可以模拟盾构前进过程；反向移动时，主动活塞11可以脱离泥浆模拟仓1，泥浆模拟仓1的端部作为填料口可以加入较大体积的块状材料以便于模拟真实情况的盾构过程。在盾构混合过程中，泥浆模拟仓1内形成块状材料或岩土切削仓和岩土混合仓，给料仓5能够从上到下静态输入小体积块状材料如粗砂石和粘合胶混合物至泥浆模拟仓1，满足了各种模拟盾构机的工作过程。稀浆仓7通过输浆管71在刀盘12一侧向泥浆模拟仓1内输入稀浆料，如水，刀盘12上按需设置有至少一个第三压力传感器，用于检测泥浆模拟仓1内的压力，以便实时监测并控制主动活塞11的前进速度和刀盘12的旋转速度，实现安全盾构监测。

本发明的一种泥水平衡盾构试验装置，通过在泥浆模拟仓1上设置第一可视窗，可以观察或监测泥浆扩散情况以及盾构切削过程，便于控制刀盘12转动速度和及时处理故障。通过设置第二可视窗，配合激光多普勒测速仪4拍摄颗粒运动情况并及时处理管道内泥浆，防止堵塞，实现泥水平衡试验的高效安全准确进行，解决盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题。

可选地，第一可视窗和第二可视窗均采用透明有机玻璃密封。

结合图1，本实施例中，泥浆模拟仓1整体采用透明有机玻璃材质，排浆管61上与泥浆模拟仓1的排浆口连接的一段采用透明有机玻璃材质，相应地位置设置激光多普勒测速仪4，可以捕捉泥浆在刀盘12正面的流动状态和运动轨迹，便于观察。其中，泥浆模拟仓1上对应大体积的块状材料填料时，也可以采用法兰密封设置可开启的窗口，主动活塞11连接在该法兰上，法兰结构便于连接和密封泥浆模拟仓1。

可选地，第二可视窗设有至少两个，至少两个第二可视窗分别设于排浆管61的入口段管路和中间段管路上。

其中，如图1所示，入口段管路设置第二可视窗，便于对入口堵塞情况进行观察；中间段管路设置第二可视窗，可以通过激光多普勒测速仪4检测排浆速度，进而便于控制泥浆模拟仓1内的泥浆平衡。

可选地，泥水平衡盾构试验装置还包括固定支架8，第一驱动机构2、泥浆模拟仓1和第二驱动机构3分别固定在固定支架8上。

如图2和图3所示，固定支架8整体呈长方体框架结构，包括底座80、反力架斜撑81和横向支架82，朝向第一驱动机构2的一侧设置反力架斜撑81，在一个实施例中，第一驱动机构2采用行程400mm、直径200mm的油缸驱动主动活塞11以控制盾构切削量，主动活塞11采用钢结构直径1000mm。固定支架8的朝向第一驱动机构2的一侧设置反力架斜撑81，反力架斜撑81设置两个，间隔设置，反力架斜撑81的一端固定在底座80上，另一端铰接横向支架82，横向支架82的两端分别铰接两个反力架斜撑81，使第一驱动机构2(油缸)向右的推力成为泥水平衡盾构试验装置的内力以减小反力架斜撑81的强度。

可选地，刀盘12转轴上设有轴向通孔，输浆管71穿设在通孔内并连通泥浆模拟仓1。

如图3所示，刀盘12的背离泥浆模拟仓1的一侧通过转轴连接第二驱动机构3，刀盘12上设有多个输浆管分支，输浆管71通过多个输浆管分支连通泥浆模拟仓1，其中，各个输浆管分支一端连通输浆管71，另一端通过刀盘12上的空隙进入泥浆模拟仓1，实现在刀盘12的不同径向位置向泥浆模拟仓1内输浆，便于均匀盾构泥浆。

可选地，第一驱动机构2为油缸；第二驱动机构3为减速电机，第二驱动机构3设有至少两个，互为备份或同步传动连接刀盘12的转轴。

本实施例中，油缸的本体固定在固定支架8上，活塞端连接主动活塞11，能够为主动活塞11提供驱动力。减速电机用于驱动刀盘12在竖直面内的转动切削，利于岩土粗颗粒与稀浆的充分混合。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，排浆管61上设有第一压力传感器62、第一阀门63和和泥浆泵64，输浆管71上设有第二压力传感器72、第二阀门73和第二泥浆泵74。其中，第一压力传感器62和第二压力传感器72分别设有多个，在排浆管61和输浆管71上间隔设置，分别检测排浆管61和输浆管71上不同位置的压力，以监测稀浆和料浆的流动情况。

本发明还提供一种泥水平衡盾构试验方法，根据上述实施例提供的泥水平衡盾构试验装置，当需要对块状材料进行模拟试验时，泥水平衡盾构试验方法包括如下步骤：

S1，第一驱动机构2带动主动活塞11脱离泥浆模拟仓1，向泥浆模拟仓1内加入大块材料，然后通过第一驱动机构2带动主动活塞11密封泥浆模拟仓1；

当主动活塞11通过法兰盘连接泥浆模拟仓1时，只需要在法兰盘处开启泥浆模拟仓1进行填料，利于提高填料效率。

S2，通过泥浆模拟仓1顶部的给料口向泥浆模拟仓1内加入小块材料；

本发明中提及的大块材料和小块材料为相对量，通常是采用通过给料口给料的方式，当给料口的开口面积不足以加入大体积的块体材料时，便通过主动活塞11侧的开口填料，以满足实际中存在整体块状材料的模拟切削。

S3，启动第一驱动机构2推动主动活塞11压缩块状材料朝向刀盘12方向前进；启动第二驱动机构3使得刀盘12切削块状材料，同时，通过输浆管71向泥浆模拟仓1内加入稀料，激光多普勒测速仪4通过第一可视窗采集泥浆混合视频和混合速度；

S4，切削后的泥浆通过排浆管61排出，激光多普勒测速仪4通过第二可视窗采集排浆视频和排浆速度；并据此调节输浆管71的输浆量。

通过上述方法，可以实现不同体积的块状材料的泥浆混合模拟，模拟过程可视，便于得到安全监测和速度测试，得到可靠的盾构模拟试验数据。

当需要对岩土材料进行模拟试验时，泥水平衡盾构试验方法包括如下步骤：

S1，将岩土或岩土与液体的混合材料，并通过给料口加入泥浆模拟仓1；

S2，启动第一驱动机构2使其推动主动活塞1朝向刀盘12前进；启动第二驱动机构3使得刀盘12切削岩土或岩土与液体的混合材料，同时，通过输浆管71向泥浆模拟仓1内加入稀料，激光多普勒测速仪4通过第一可视窗采集泥浆混合视频和混合速度；

S4，切削后的泥浆通过排浆管61排出，激光多普勒测速仪4通过第二可视窗采集排浆视频和排浆速度；并据此调节输浆管71的输浆量。

本实施例中的岩土材料是相对于块状材料而言的，一般为黏土土块或砂砾等硬度和体积较小的材料，直接加入泥浆模拟仓1后通过输浆管71输浆进行混合排浆；也可以在模拟之前就对岩土材料进行浆液混合，模拟泥浆地质情况的盾构过程，同时通过输浆管71输浆可以加速盾构过程。

本发明提供的上述试验装置和试验方法，具备完整的块状材料、岩土和浆料混合情况的盾构模拟，可实现全工况的稀浆调节。通过设置第一可视窗和第二可视窗，通过激光多普勒测速仪4拍摄得到可视化实验结果，包括视频和图片等资料，还包括速度等数据，同时设置块状材料和岩土材料两种给料方法，块状材料兼顾两种粗料类型，实现了高效安全准确的泥水平衡试验。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，包括：

泥浆模拟仓(1)，所述泥浆模拟仓(1)为两端开口的环状壳体结构，两端分别设有主动活塞(11)和刀盘(12)以密封；所述泥浆模拟仓(1)上设置给料口、稀浆入口和排浆口，所述给料口设置在顶部且连通给料仓(5)，所述排浆口设置在底部且通过排浆管(61)连通浆料仓(6)，所述稀浆入口设置在侧壁上且通过输浆管(71)连通稀浆仓(7)，所述刀盘(12)与所述稀浆入口设置在同一侧，所述泥浆模拟仓(1)作为所述主动活塞(11)的活塞腔；所述泥浆模拟仓(1)上还设有第一可视窗；所述排浆管(61)上设有第二可视窗；

第一驱动机构(2)，所述第一驱动机构(2)的输出端连接所述主动活塞(11)以驱动所述主动活塞(11)在所述泥浆模拟仓(1)内的移动；

第二驱动机构(3)，所述第二驱动机构(3)的输出端连接所述刀盘(12)以驱动所述刀盘(12)转动；

激光多普勒测速仪(4)，设有至少两个，至少两个所述激光多普勒测速仪(4)分别正对所述第一可视窗和所述第二可视窗。

2.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，所述第一可视窗和所述第二可视窗均采用透明有机玻璃密封。

3.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于：所述第二可视窗设有至少两个，至少两个所述第二可视窗分别设于所述排浆管(61)的入口段管路和所述排浆管(6)的中间段管路上。

4.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，还包括固定支架(8)，所述第一驱动机构(2)、所述泥浆模拟仓(1)和所述第二驱动机构(3)分别固定在所述固定支架(8)上。

5.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，所述刀盘(12)的转轴上设有轴向的通孔，所述输浆管(71)穿设在所述通孔内并连通所述泥浆模拟仓(1)。

6.根据权利要求5所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，所述刀盘(12)上设有多个输浆管分支，所述输浆管(71)通过多个所述输浆管分支连通所述泥浆模拟仓(1)。

7.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，所述第一驱动机构(2)为油缸。

8.根据权利要求5所述的泥水平衡盾构试验装置，其特征在于，所述第二驱动机构(3)为减速电机，所述第二驱动机构(3)设有至少两个，互为备份或同步传动连接所述刀盘(12)的所述转轴。

9.一种泥水平衡盾构试验方法，其特征在于，根据权利要求1-8中任意一项所述泥水平衡盾构试验装置，当需要对块状材料进行模拟试验时，所述泥水平衡盾构试验方法包括如下步骤：

S1，第一驱动机构(2)带动主动活塞(11)脱离泥浆模拟仓(1)，向所述泥浆模拟仓(1)内加入大块材料，然后通过所述第一驱动机构(2)带动所述主动活塞(11)密封所述泥浆模拟仓(1)；

S2，通过所述泥浆模拟仓(1)顶部的给料口向所述泥浆模拟仓(1)内加入小块材料；

S3，启动第一驱动机构(2)推动所述主动活塞(1)压缩所述块状材料朝向刀盘(12)方向前进；启动第二驱动机构(3)使得刀盘(12)切削所述块状材料，同时，通过输浆管(71)向所述泥浆模拟仓(1)内加入稀料，激光多普勒测速仪(4)通过第一可视窗采集泥浆混合视频和混合速度；

S4，切削后的泥浆通过排浆管(61)排出，激光多普勒测速仪(4)通过第二可视窗采集排浆视频和排浆速度；并据此调节所述输浆管(71)的输浆量。

10.根据权利要求9所述的一种泥水平衡盾构试验方法，其特征在于，当需要对岩土材料进行模拟试验时，所述泥水平衡盾构试验方法包括如下步骤：

S1，将岩土或岩土与液体的混合材料通过所述给料口加入所述泥浆模拟仓(1)；

S2，启动所述第一驱动机构(2)使其推动所述主动活塞(1)朝向所述刀盘(12)前进；启动所述第二驱动机构(3)使得所述刀盘(12)切削所述岩土或岩土与液体的混合材料，同时，通过所述输浆管(71)向所述泥浆模拟仓(1)内加入稀料，所述激光多普勒测速仪(4)通过所述第一可视窗采集泥浆混合视频和混合速度；

S4，切削后的泥浆通过所述排浆管(61)排出，所述激光多普勒测速仪(4)通过所述第二可视窗采集排浆视频和排浆速度；并据此调节所述输浆管(71)的输浆量。

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