CN116220706A - 一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。舱壳内部设有工作舱，前隔板将工作舱划分为泥水舱和气垫舱，主轴的一端依次穿设过气垫舱、前隔板和泥水舱后与刀盘连接，主轴的另一端与驱动电机连接；舱壳中的一端与土箱的开口之间活动连接，舱壳的另一端与动力箱固定连接，动力箱固定安装在油缸上，主轴中靠近驱动电机的一侧设有扭矩传感器，泥水箱分别与泥浆泵和泥水舱连接，泥水舱还与渣土箱连接。通过操控本发明的泥水平衡盾构在土箱中掘进开挖，利用气垫舱中的气体压力将泥水舱中的泥浆压出并渗透成膜，以模拟大埋深、高水压下泥水平衡盾构渗透成膜机理，获取开挖面稳定的控制理论与技术，为跨海越江和深地盾构技术提供参考价值。
Description
技术领域
本发明属于泥水平衡盾构模型试验领域的一种泥水平衡盾构掘进试验装置及方法，尤其是涉及了一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。
背景技术
双舱式泥水平衡盾构采用泥水舱结合气垫舱的形式，将开挖面支护压力分为气体压力与泥浆自重产生的压力两部分，其中气体压力为支护压力的主导项。相比单舱式泥水平衡盾构，双舱式泥水平衡盾构的支护压力在掘进过程中更容易调控，不会受泥浆密度变化等的影响产生大幅度波动。针对大埋深、高水压下的复杂地层的隧道建设，泥浆支护压力的稳定性显得格外重要，波动过大便很容易产生盾构掌子面主动或者被动破坏的危险。
考虑实际泥水平衡盾构掌子面为对称结构，目前的模型试验大多采用“D”字形盾壳作为研究对象，这种装置结合装有透明面板的模型箱便于观测掌子面前方泥浆渗透情况和开挖面稳定性问题，但是因为边界效应的存在，这种模型不利于研究泥浆三维渗透问题以及开挖面前方的水土压力真实变化情况。加之，目前的模型试验基本都是单舱式泥水平衡盾构装置，还没有研究涉及到双舱式泥水平衡盾构。故针对大埋深、高水压复杂地层的研究，如何掌握双舱式泥水平衡盾构的支护压力控制机理是当前亟待解决的问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。本发明装置的泥水平衡盾构工作舱被前隔板分为气垫舱与泥水舱两部分，即开挖面支护压力分为气体压力与泥浆自重产生的压力两部分，气体压力大小通过保压设备进行调节，泥浆自重产生的压力通过进排浆流量进行调节。同时，间隔两舱的前隔板上设置多种管路的安装接口，可以实现进排浆、压力传递和监测设备连接等功能
本发明技术方案如下：
一、一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置：
包括土箱、盾体、盾构动力系统、进排浆系统；土箱、盾构动力系统和进排浆系统均放置在外部的底座上，土箱和盾构动力系统之间通过盾体连接，盾体还与进排浆系统相连。
所述的盾体包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘、环状的前隔板和主轴；前隔板位于舱壳的内部并将工作舱划分为泥水舱和气垫舱，刀盘位于靠近泥水舱的一侧，主轴的一端与盾构动力系统连接，主轴的另一端依次穿设过气垫舱、前隔板和泥水舱后与刀盘同轴连接；舱壳中设有泥水舱的一端与土箱的开口之间可前后移动地活动连接，舱壳中设有气垫舱的一端与盾构动力系统之间固定连接，泥水舱和刀盘均设置在土箱的开口位置处。
所述的盾构动力系统包括驱动电机、扭矩传感器、动力箱、油缸和滚珠导轨；滚珠导轨固定在底座的上表面，油缸可沿着滚珠导轨的延伸方向往复运动地安装在滚珠导轨上，动力箱固定安装在油缸上，驱动电机和扭矩传感器均设置在动力箱的内部，动力箱的侧壁通过连接法兰与舱壳的一端固定连接，动力箱中在靠近盾体一侧的侧壁上设有开口作为动力箱出口，主轴的一端穿设过动力箱出口后与驱动电机的输出轴连接，主轴中靠近驱动电机的一侧的外表面设有扭矩传感器。
所述的进排浆系统包括泥浆泵、泥水箱和渣土箱；泥浆泵、泥水箱和渣土箱均放置在底座上，泥浆泵和泥水箱的输入端之间电连接，泥水箱的输出端通过送浆管与泥水舱的输入端连接，泥水舱的输出端通过排浆管与渣土箱的输入端连接。
所述前隔板的底部开设有排浆管口，排浆管的一端穿设过排浆管口后与泥水舱连通，排浆管的另一端与渣土箱的输入端连通，排浆管中设有无轴螺旋。
所述的气垫舱中设有气体压力监测设备和液位监测设备，进气管的一端和排气管的一端均与气垫舱连通，气体压力监测设备、液位监测设备、进气管的另一端和排气管的另一端均外接调压设备。
所述刀盘中靠近泥水舱的一侧固定连接有搅拌棒，搅拌棒穿设过舱壳上的开孔后伸入到泥水舱中。
二、一种进行双舱式泥水平衡盾构掘进的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：按照预设比例的膨润土和水制备泥浆，然后将泥浆注入到泥水箱中，通过泥浆泵将泥浆持续注入到工作舱中，当泥水舱充满泥浆且气垫舱中的液位达到舱壳管径的2/3液位处后进行步骤2；
步骤2：将土箱从底座上拆下，然后在土箱中分层制备土样并在土样中埋设传感器，并采用钢丝刷对土样顶部进行抛毛处理；
步骤3：将土箱放置在外部的饱和箱中，通过抽真空的方式将饱和箱中的无气水抽至土箱内，无气水抽取完毕后将土箱重新固定在底座上；
步骤4：利用盾构动力系统控制盾体向前稳定掘进，同时利用保压设备将工作舱中的泥浆挤压渗透到土箱的土样中；
步骤6：盾体向前稳定掘进预设的时间段后，利用盾构动力系统控制盾体停止掘进，然后利用气体压力监测设备实时监测气垫舱中的气体压力大小，并通过进气管和排气管对气体压力大小进行调节，并利用液位监测设备监测气垫舱中的液位高度，同时观察盾体和土样之间接触面的破坏情况，来模拟真实工况下泥水平衡盾构开挖面发生主、被动破坏时的工况，进而获取泥水平衡盾构开挖面的稳定性规律。
盾体(盾构掘进系统)利用前隔板将工作舱分为气垫舱与泥水舱两部分，前隔板上设置多种管路安装接口，可以实现进排浆、压力传递和监测设备连接等功能，盾构动力系统集合在动力箱内，利用油缸提供动力，伴随着刀盘切削向前前进，进排浆系统与气压系统共同控制掌子面支护压力大小，通过调节进排浆流速与气体压力的大小实现开挖面的稳定性。通过操控本发明的泥水平衡盾构在土箱中掘进开挖，利用气垫舱中的气体压力将泥水舱中的泥浆压出并渗透成膜，过程中实时采集土箱中传感器的监测数据，以模拟大埋深、高水压下泥水平衡盾构渗透成膜机理，获取开挖面稳定的控制理论与技术，为跨海越江和深地盾构技术提供参考价值。
本发明的有益效果为：
1、将盾构工作舱分为气垫舱与泥水舱两部分，会造成开挖面支护压力分为气体压力与泥浆自重产生的压力两部分，气体压力大小通过保压设备进行调节，泥浆自重产生的压力通过进排浆流量进行调节。掘进过程中相比其它试验装置更容易实现支护压力的调控，不至于产生较大的波动，影响开挖面的稳定性。
2、间隔两舱的前隔板上设置多种管路的安装接口，可以实现进排浆、压力传递和监测设备连接等功能。
3、本发明装置机械化程度更高，对于泥水平衡盾构掘进过程的还原度也更高，可以模拟大埋深、高水压下盾构掘进和泥浆渗透的全过程。
附图说明
图1为本发明装置的结构图；
图2为本发明装置的俯视图；
图3为本发明的盾体内部结构示意图；
图4为本发明的泥水箱结构示意图；
图中：1、土箱；2、盾体；3、刀盘；4、泥水舱；5、前隔板；6、气垫舱；7、主轴；8、无轴螺旋；9、支撑管路；10、进浆管；11、排浆管；12、泥浆泵；13、驱动电机；14、扭矩传感器；15、动力箱；16、单级油缸；17、滚珠导轨；18、底座；19、泥水箱；20、渣土箱；21、连接法兰；22、气体压力监测设备；23、进气管；24、排气管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图2所示，包括土箱1、盾体2、盾构动力系统、进排浆系统；土箱1、盾构动力系统和进排浆系统均放置在外部的底座18上，土箱1和盾构动力系统之间通过盾体2连接，盾体2还与进排浆系统相连。
土箱1中靠近盾体2的一侧设有开口，土箱1用于放置土样，土样中埋设有孔隙水压力计，装置的前方向为装置中靠近土箱1的方向，装置的后方向为装置中靠近盾构动力系统的方向。
如图3所示，盾体2包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘3、环状的前隔板5和主轴7；前隔板5位于舱壳的内部并将舱壳内部的工作舱划分为泥水舱4和气垫舱6两个部分，泥水舱4位于靠近土箱1的一侧，气垫舱6位于靠近盾构动力系统的一侧，刀盘3位于靠近泥水舱4的一侧，主轴7的一端与盾构动力系统连接，主轴7的另一端依次穿设过气垫舱6、前隔板5中间的通孔和泥水舱4后与刀盘3同轴连接；舱壳中设有泥水舱4的一端与土箱1的开口之间可前后移动地活动连接，舱壳中设有气垫舱6的一端与盾构动力系统之间固定连接，泥水舱4和刀盘3均设置在土箱1的开口位置处。
盾构动力系统包括驱动电机13、扭矩传感器14、动力箱15、油缸16和滚珠导轨17；滚珠导轨17固定在底座18的上表面，油缸16可沿着滚珠导轨17的延伸方向往复运动地安装在滚珠导轨17上，动力箱15固定安装在油缸16上，驱动电机13和扭矩传感器14均设置在动力箱15的内部，动力箱15的侧壁通过连接法兰21与舱壳的一端固定连接，动力箱15中在靠近盾体2一侧的侧壁上设有开口作为动力箱出口，主轴7的一端穿设过动力箱出口后与驱动电机13的输出轴连接，主轴7中靠近驱动电机13的一侧的外表面设有扭矩传感器14。
驱动电机13通过主轴7带动刀盘3旋转切削土样，切削土样的过程中利用扭矩传感器14实时获得刀盘3的转动参数。驱动电机13和扭矩传感器14置于动力箱15内，动力箱15通过油缸16提供的推力在滚珠导轨17前进，并带动盾体2在土样中掘进。
如图1和图4所示，进排浆系统包括泥浆泵12、泥水箱19和渣土箱20；泥浆泵12、泥水箱19和渣土箱20均放置在底座18上，泥水箱19用于储存泥浆，泥浆泵12和泥水箱19的输入端之间电连接，泥水箱19的输出端通过送浆管10与泥水舱4的输入端连接，泥水舱4的输出端通过排浆管11与渣土箱20的输入端连接。
前隔板5的底部开设有排浆管口，排浆管11的一端穿设过排浆管口后与泥水舱4连通，排浆管11的另一端与渣土箱20的输入端连通，排浆管11中设有无轴螺旋8。
泥浆泵12用于驱动泥水箱19，使得泥水箱19中的泥浆通过送浆管10运输到泥水舱4中。排浆管11贯通至泥水舱4且不与气垫舱6连通，通过无轴螺旋8将掘进过程中在泥水舱4中产生的渣土排出至渣土箱20中。
所述的气垫舱6中设有气体压力监测设备22和液位监测设备，进气管23的一端和排气管24的一端均与气垫舱6连通，气体压力监测设备22、液位监测设备、进气管23的另一端和排气管24的另一端均外接调压设备。
通过气体压力监测设备22监测气垫舱6液位上部的气体压力大小，同时利用进气管23和排气管24控制压缩气体的进排放量，从而实现气垫舱6中气体压力的设定。具体地，气体压力监测设备22用于可以实时测量气垫舱6中的气压并通过电信号反馈给与调压设备连接的电控系统，利用调压设备调控进气管23和排气管24的进排放量。当气垫舱6内压力小于预设的气压设定值时，打开控制进气管23的进气阀，对气垫舱6进气；当气垫舱6内压力大于气压设定值时，打开控制排气管23的排气阀，对气垫舱6排气。
刀盘3中靠近泥水舱4的一侧固定连接有搅拌棒，搅拌棒穿设过舱壳上的开孔后伸入到泥水舱4中。
舱壳的两侧均设有若干个通孔，用于穿设搅拌棒和主轴7等。
前隔板5中开设有进浆口，送浆管10穿设过进浆口后将泥水舱4和气垫舱6连通，前隔板5中开设有用于贯通排浆管11的排浆口、若干个备用进出口，试验前将不用的进出口采用O型圈和密封管螺纹进行开口防渗，前隔板5中还开设有泥水舱测压口和摄像头接口，泥水舱测压口用于实时检测泥水舱4中的泥浆压力，摄像头接口连接摄像头用于记录实验过程。前隔板5上开设的孔洞中有连通孔，连通孔通过装设连通管以实现气体压力的传递。泥水舱4和气垫舱6均设有若干个环状的支撑管路9，支撑管路9用于保护送浆管10和排浆管11，防止管路发生过大变形与断裂。根据地层要求选用不同开口率的刀盘3安装在盾体2前端，刀盘3考虑多种开口率，并在刀盘3的后端设有搅拌棒，通过搅拌棒的搅拌作用防止泥浆离析与沉淀，刀盘3采用切刀与贝克刀组合的形式，可以从主轴7上拆卸更换。油缸16采用两根单级油缸，可以通过调节掘进速度改变推力大小，带动动力箱15在滚珠导轨17上前进，进而实现盾体2向前掘进。泥浆泵12采用螺杆泵，以实现精确控制进、排浆流量，精确反馈压力、流量状态。泥水箱4内设有搅拌棒，用来防止泥浆沉淀，输送泥浆密度不均匀的现象出现。装置和外部的底座18之间通过螺栓连接，可以拆卸自由，并实现装置的整体迁移。
本发明装置进行双舱式泥水平衡盾构掘进的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：将装置中的各个部件进行通电自检，且不启动任何的运动部件，检查各个传感器的初始状态和泥水舱4中的视频信号；然后将装置进行空载运行检查：利用驱动电机18以慢速旋转刀盘3，将动力箱15伸缩推进10mm左右，然后外部的电控系统旋转排浆管11中的无轴螺旋8，检查上述各个运动部件的运动状态及电控系统控制台各参数显示数值情况是否出现异常，若出现异常则暂缓试验，及时检修，检修完成后重新开始试验。
传感器包括气垫舱6中的气体压力监测设备、液位监测设备以及进排浆系统的泥浆流量计，预备放置在土样中的孔隙水压力计、土压计和弯曲元，以及预备放置在土样上部的激光位移计。
按照预设比例的膨润土和水制备泥浆，然后将泥浆注入到泥水箱19中，通过泥浆泵12将泥浆持续注入到工作舱中，当泥水舱4充满泥浆且气垫舱6中的液位达到舱壳管径的2/3液位处后，进行步骤2；
步骤2：将土箱1从底座18上拆下，然后在土箱1中分层制备土样并在土样中分层埋设传感器，制备土样过程中将土样进行分层密实，并采用钢丝刷对土样顶部进行2mm深度的抛毛处理；
步骤3：将制备好土样的土箱1放置在外部的饱和箱中，通过抽真空的方式将饱和箱中提前制备好的的无气水抽至土箱1内以对土样进行饱和，无气水的用量根据土样的孔隙比和预设水位高度确定，无气水抽取完毕后将土箱1重新固定在底座18上；
步骤4：为确保开始对土样进行掘进时掌子面的稳定性，利用盾构动力系统控制盾体2向前稳定掘进(推进)，同时利用保压设备22将工作舱中的泥浆挤压渗透到土箱1的土样中；
步骤4过程中，利用气体压力监测设备22实时监测气垫舱6中的气体压力大小，并通过进气管23和排气管24调节气垫舱6中的气压恒定，利用盾构动力系统中的泥浆泵12、油缸16和扭矩传感器14外接的电控系统分别控制进排浆流量、盾体2掘进速度和刀盘转速。
步骤6：盾体2向前稳定掘进预设的时间段后，利用盾构动力系统控制盾体2停止掘进，然后利用气体压力监测设备22实时监测气垫舱6中的气体压力大小，并通过进气管23和排气管24对气体压力大小进行调节，并利用液位监测设备监测气垫舱6中的液位高度，同时观察盾体2和土样之间接触面的破坏情况，来模拟真实工况下泥水平衡盾构开挖面发生主、被动破坏时的工况，进而获取泥水平衡盾构开挖面的稳定性规律即泥水平衡盾构开挖面稳定的控制理论与技术。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
包括土箱(1)、盾体(2)、盾构动力系统、进排浆系统；土箱(1)、盾构动力系统和进排浆系统均放置在外部的底座(18)上，土箱(1)和盾构动力系统之间通过盾体(2)连接，盾体(2)还与进排浆系统相连。
2.根据权利1所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
所述的盾体(2)包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘(3)、环状的前隔板(5)和主轴(7)；前隔板(5)位于舱壳的内部并将工作舱划分为泥水舱(4)和气垫舱(6)，刀盘(3)位于靠近泥水舱(4)的一侧，主轴(7)的一端与盾构动力系统连接，主轴(7)的另一端依次穿设过气垫舱(6)、前隔板(5)和泥水舱(4)后与刀盘(3)同轴连接；舱壳中设有泥水舱(4)的一端与土箱(1)的开口之间可前后移动地活动连接，舱壳中设有气垫舱(6)的一端与盾构动力系统之间固定连接，泥水舱(4)和刀盘(3)均设置在土箱(1)的开口位置处。
3.根据权利2所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
所述的盾构动力系统包括驱动电机(13)、扭矩传感器(14)、动力箱(15)、油缸(16)和滚珠导轨(17)；滚珠导轨(17)固定在底座(18)的上表面，油缸(16)可沿着滚珠导轨(17)的延伸方向往复运动地安装在滚珠导轨(17)上，动力箱(15)固定安装在油缸(16)上，驱动电机(13)和扭矩传感器(14)均设置在动力箱(15)的内部，动力箱(15)的侧壁通过连接法兰(21)与舱壳的一端固定连接，动力箱(15)中在靠近盾体(2)一侧的侧壁上设有开口作为动力箱出口，主轴(7)的一端穿设过动力箱出口后与驱动电机(13)的输出轴连接，主轴(7)中靠近驱动电机(13)的一侧的外表面设有扭矩传感器(14)。
4.根据权利2所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
所述的进排浆系统包括泥浆泵(12)、泥水箱(19)和渣土箱(20)；泥浆泵(12)、泥水箱(19)和渣土箱(20)均放置在底座(18)上，泥浆泵(12)和泥水箱(19)的输入端之间电连接，泥水箱(19)的输出端通过送浆管(10)与泥水舱(4)的输入端连接，泥水舱(4)的输出端通过排浆管(11)与渣土箱(20)的输入端连接。
5.根据权利4所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
所述前隔板(5)的底部开设有排浆管口，排浆管(11)的一端穿设过排浆管口后与泥水舱(4)连通，排浆管(11)的另一端与渣土箱(20)的输入端连通，排浆管(11)中设有无轴螺旋(8)。
6.根据权利2所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
所述的气垫舱(6)中设有气体压力监测设备(22)和液位监测设备，进气管(23)的一端和排气管(24)的一端均与气垫舱(6)连通，气体压力监测设备(22)、液位监测设备、进气管(23)的另一端和排气管(24)的另一端均外接调压设备。
7.根据权利2所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：
所述刀盘(3)中靠近泥水舱(4)的一侧固定连接有搅拌棒，搅拌棒穿设过舱壳上的开孔后伸入到泥水舱(4)中。
8.一种应用于权利要求1-7任一所述装置进行双舱式泥水平衡盾构掘进的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照预设比例的膨润土和水制备泥浆，然后将泥浆注入到泥水箱(19)中，通过泥浆泵(12)将泥浆持续注入到工作舱中，当泥水舱(4)充满泥浆且气垫舱(6)中的液位达到舱壳管径的2/3液位处后进行步骤2；
步骤2：将土箱(1)从底座(18)上拆下，然后在土箱(1)中分层制备土样并在土样中埋设传感器，并采用钢丝刷对土样顶部进行抛毛处理；
步骤3：将土箱(1)放置在外部的饱和箱中，通过抽真空的方式将饱和箱中的无气水抽至土箱(1)内，无气水抽取完毕后将土箱(1)重新固定在底座(18)上；
步骤4：利用盾构动力系统控制盾体(2)向前稳定掘进，同时利用保压设备(22)将工作舱中的泥浆挤压渗透到土箱(1)的土样中；
步骤6：盾体(2)向前稳定掘进预设的时间段后，利用盾构动力系统控制盾体(2)停止掘进，然后利用气体压力监测设备(22)实时监测气垫舱(6)中的气体压力大小，并通过进气管(23)和排气管(24)对气体压力大小进行调节，并利用液位监测设备监测气垫舱(6)中的液位高度，同时观察盾体(2)和土样之间接触面的破坏情况，来模拟真实工况下泥水平衡盾构开挖面发生主、被动破坏时的工况，进而获取泥水平衡盾构开挖面的稳定性规律。
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