CN119321905A - 模拟超重力下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
本发明公开了模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。盾体、进排浆系统均通过底板固定，并放置在土工离心机上，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，前隔板将工作舱划分为泥水舱和气垫舱，盾构动力系统用于驱动刀盘转动，同时带动主轴向前掘进，进排浆系统用于为泥水舱和气垫舱中输送泥浆以及排出渣土。本发明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掘进开挖全过程，模拟实际盾构刀盘切削、向前掘进的动作以及精确控制泥水舱内的泥浆压力和进排浆流量大小。
Description
技术领域
本发明属于泥水平衡盾构模型试验领域，尤其是涉及了一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。
背景技术
泥水平衡盾构作为一种常见的越江跨海隧道施工工法，通过加压泥浆渗透地层，在开挖面前方形成泥膜，使得泥浆压力以面力的形式作用在泥膜上，以平衡开挖面前方的侧向水土压力，维持开挖面稳定。双舱式泥水平衡盾构的支护压力由气体压力主导，不会受泥浆密度变化等的影响产生大幅度波动，因此，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。
目前，关于泥水平衡盾构的掘进试验大多在常重力下进行。但由于常重力下的试验无法还原地层真实的应力水平和盾构真实的规模大小，进而模拟的泥水平衡盾构开挖过程和开挖面失稳模式不能确定是否符合实际工况。土工离心物理模拟作为一种能够实现在小尺度介质中还原常重力下大尺度介质应力水平的有效手段，解决了应力场不相似的问题，制造的超重力环境能够还原真实的泥水舱外部土体应力水平和水压力以及泥水舱内部呈梯度分布的泥浆压力，为模拟实际泥水平衡盾构开挖过程和开挖面失稳模式提供了可能性。然而，由于泥浆是由膨润土和水两种密度不同的物质配制而成，通过超重力离心机提高重力场强，会加剧两种物质间的相对驱动力，进而加速两种物质的相分离，导致泥浆密度不均匀，无法模拟实际的泥浆渗透规律和泥膜形成类型。超重力会加剧盾构开挖渣土的沉积和堵塞管路现象，导致排浆流量难以控制，无法准确控制泥浆压力大小。因此，针对大埋深、高水压复杂地层的研究，如何解决上述问题，还原泥水平衡盾构的开挖过程，并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，本发明的目的在于提供了一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法，以解决超重力加剧盾构开挖渣土的沉积和堵塞管路现象，导致排浆流量难以控制，无法准确控制泥浆压力大小的问题。
本发明所采用的方案如下：
一、一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置：
包括土箱、盾体、盾构动力系统和进排浆系统，土箱内存储有土体，土箱和盾构动力系统之间通过盾体连接，盾构动力系统用于驱动盾体沿着掘进方向前后移动，进而使得盾体对土箱内的土体进行掘进，盾体与进排浆系统之间相连，盾体中设置有用于平衡盾体内部气压的保压系统，土箱、盾构动力系统和进排浆系统均固定在底板上，底板放置在土工离心机的吊篮内。
所述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，盾构动力系统用于驱动刀盘转动，同时带动主轴沿着自身轴向向前掘进，泥水舱和刀盘均设置在土箱的开口位置处；前隔板上连接有连通管，连通管用于将气垫舱中的压力传递至泥水舱，盾构动力系统通过伺服阀实现闭环控制。
所述的进排浆系统包括泥水箱、泥浆泵、渣土箱、分离箱和螺旋输送设备；泥浆泵和泥水箱的输出端连接，泥浆泵通过第一进浆管与泥水舱连通，泥浆泵通过第二进浆管与气垫舱连通，第一进浆管和第二进浆管上分别设置有第一电磁球阀和第二电磁球阀，第一溢流管的一端穿过气垫舱和前隔板上的开孔后伸入到泥水舱中，第一溢流管的另一端与大气相连通，第二溢流管的一端伸入至气垫舱中，第二溢流管的另一端与大气相连通，第一溢流管和第二溢流管上分别设有第三电磁球阀和第四电磁球阀，泥水箱和泥浆泵之间还设置有旁通管，旁通管的一端与泥水箱连接，另一端分别与泥浆泵、第一进浆管和第二进浆管连通，旁通管上设置有旁通球阀；
螺旋输送设备的一端伸入到泥水舱中，另一端通过管道与渣土箱连接，从螺旋输送设备到渣土箱的管道上依次设置有第六电磁阀、分离箱和切换阀组，泥浆泵由土工离心机的液压提供动力。
所述切换阀组主要由两根支路管道、一根进渣管道和一根出渣管道组成，进渣管道的一端与分离箱连接，进渣管道的另一端分别与两根支路管道的输入端连接，两根支路管道的输出端均与出渣管道的一端连接，出渣管道的另一端与渣土箱连接，两根支路管道上均设置有第七电磁阀和阻尼，出渣管道上设置有第二电磁流量计；
所述出渣管道中的排浆流量按照下式处理得到：
式中，Q为排浆流量；Cd为阻尼的阻尼系数；A为出渣管道截面积；ΔP为压降；ρd为混有渣土的泥浆密度。
所述分离箱内部设置有三层不同孔径的过滤网，过滤网的轴向与泥浆流向垂直，螺旋输送设备输出的泥浆从分离箱的输入端流入，依次经三层过滤网过滤后流出分离箱，三层过滤网的孔径自分离箱入口向出口方向依次减小，第三层过滤网的孔径小于第二电磁流量计所能通过的最大颗粒粒径。
所述盾体开挖面处的泥浆压力与土水压力关系满足以下表达式：
Pg+ρsg(h-D+z)≥γw(H+z)+Kaγ'(H+z)
Pg+ρsg(h-D+z)≤γw(H+z)+Kpγ'(H+z)
式中，Pg为气体压力大小；ρs为泥浆密度；g为重力加速度；h为气垫舱液位高度；D为盾构直径大小；z为开挖面的竖向坐标；γw为水的重度；H为盾构顶部埋深；γ'为土的有效重度；Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数。
所述盾构动力系统提供的推力Fd和扭矩T按照以下公式处理得到：
式中，F1为盾构掘进时的正面推进阻力；F2为盾构外壳与周边土体的摩擦力；K为侧向土压力系数；γ为土的重度；f为盾构外壳与周边土体的摩擦系数；L为盾构机的长度；W为盾构机单位长度的自重；T1为刀盘与土体之间的摩阻力扭矩；T2刀盘切削土体时的地层抗力扭矩；η为刀盘开孔率；P0为泥水舱内的泥浆压力；p为贯入度。
所述刀盘转速的表达式如下：
式中，λ(n)为超重力下刀盘转速与常重力下刀盘转速的比值；λ(v)为超重力下掘进速度与常重力下掘进速度的比值；λ(s)为超重力下掘进距离与常重力下掘进距离的比值；λ(t)为超重力下试验时间与常重力下掘进时间的比值；λ(p)为超重力下贯入度与常重力下贯入度的比值。
所述的保压系统包括进气管、排气管、压力变送器、排气阀和进气阀；所述前隔板上开设有进气口和出气口，进气管的一端穿设过进气口后与泥水舱连通，进气管的另一端与土工离心机的出气口连通，排气管的一端穿设过排气口后与泥水舱连通，排气管的另一端外接大气；进气管和排气管上分别设置有进气阀和排气阀，压力变送器连接在前隔板上，进气阀、排气阀和压力变送器均与控制系统连接。
二、一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验方法，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，并将泥浆注入到泥水箱中，将土箱从底板上拆下，然后在土箱中分层制备土样并在土样中埋设土压传感器；
步骤2：利用饱和箱对土箱中的土样进行饱和，当土样饱和完成后将土箱整体吊到土工离心机中，并将盾体推至土箱洞口内；
步骤3：打开泥浆泵使泥浆充满泥水舱，使泥浆到达气垫舱的2/3液位处，当第一溢流管和第二溢流管有泥浆渗出后关闭第三电磁球阀和第四电磁球阀，并停止进浆；
步骤4：启动土工离心机，将土工离心机的离心加速度逐渐提高至预设的Ng，当土工离心机达到目标Ng值后，控制保压系统的进气阀进气并打开第六电磁阀，控制气垫舱液位保持在2/3高度处；
步骤5：控制盾体向前掘进，当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，通过控制保压系统来实现气垫舱内的气体压力大小，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。
本发明的技术方案原理如下所示；
对于原型土样：σ＝ρgh’
对于1/N倍的缩尺模型：σ1＝ρ·g·h’/N
对于N倍超重力下1/N倍的缩尺模型：σ2＝ρ·Ng·h’/N＝ρg h’
其中，σ表示原型土样的应力，ρ表示土体的天然密度，g表示重力加速度，h’表示地层深度，σ1表示1/N倍的缩尺模型的应力，σ2表示N倍超重力下1/N倍的缩尺模型的应力，N表示土工离心机的离心加速度与重力加速度的比值；
容易看出，σ＝σ2，即原型土样与N倍超重力下1/N倍的缩尺模型的应力水平相等，即可以在超重力下复制原型的应力场，从而大幅度提高泥水平衡盾构掘进试验相似性。
本发明的盾体、进排浆系统均通过底板固定，并放置在土工离心机上，通过离心旋转制造超重力场，还原真实的盾构开挖过程。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。考虑升g过程中泥浆在管路中循环，刀盘连接有环状搅拌棒，泥水箱中设计有叶片式搅拌棒，以避免泥浆在超重力下发生离析、沉淀。在排浆管路上设置分离箱，拟在超重力下将大颗粒保留在分离箱内，避免颗粒堵塞电磁流量计和管路。g值稳定后，通过操控泥水平衡盾构掘进开挖土箱中的地层土样，过程中实时采集传感器的监测数据，以模拟实际盾构掘进过程中泥膜的动态切削过程以及土体扰动情况；盾体向前稳定掘进预设的时间段后，为模拟盾构开挖面失稳的工况，利用盾构动力系统控制盾体停止掘进，采用保压系统调节气体压力，通过压力传递的方法，精确控制泥浆压力大小，进而获取极限支护压力和开挖面稳定性规律。
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系统进行调节，泥浆自重产生的压力通过进排浆流量进行调节。本发明利用土工离心机产生的超重力环境，根据相似比尺关系，可以使盾体还原真实的泥水平衡盾构规模，地层的应力水平以及泥浆梯度压力大小还原真实情况，这样就可以还原实际工程中泥水平衡盾构掘进开挖的工况。
本发明的有益效果为：
1、本发明机械化程度和还原度高，能够模拟实际盾构刀盘切削、向前掘进的动作以及精确控制泥水舱内的泥浆压力和进排浆流量大小。
2、利用N倍超重力环境进行1/N倍的泥水平衡盾构掘进开挖与开挖面稳定性试验，大大提高了模型试验的相似性。
3、本发明通过在刀盘上和泥水箱中设计不同类型的搅拌棒，并在升g过程中设计了管路泥浆循环流动的方法，避免了超重力效应对泥浆离析沉淀的影响。
4、本发明针对排浆管路设计了分离箱和阻尼。通过设计不同阻尼的组合来实现对管路中排浆压力的调控，进而控制排浆流量大小，通过设计分离箱来过滤大颗粒，以避免大颗粒堵塞电磁流量计和管路。
附图说明
图1为本发明装置的结构图；
图2为本发明装置的内部结构示意图；
图3为本发明的盾体内部结构示意图；
图4为进排浆系统的示意图；
图5为分离箱的示意图；
图6为液压系统的示意图；
图7为保压系统的示意图；
图8为刀盘的结构图；
图9为螺旋输送设备的结构示意图；
图10为泥水箱的示意图；
图11为土工离心机示意图。
图中：1、土箱；2、盾体；3、泥水箱；4、渣土箱；5、动力箱；6、驱动电机；7、泥浆泵；8、分离箱；9、螺旋输送设备；10、底板；11、刀盘；12、泥水舱；13、前隔板；14、气垫舱；15、主轴；16、扭矩传感器；17、第一进浆管；18、第二进浆管；19、第一电磁流量计；20、保压系统；21、滚珠导轨；22、油缸；23、第二电磁流量计；24、第七电磁阀；25、土工离心机；26、控制系统；27、薄铝板；28、第一溢流管；29、第一溢流管；30、连通管；31、第三电磁球阀；32、第一电磁球阀；33、第四电磁球阀；34、第五电磁球阀；35、第二电磁球阀；36、旁通球阀；37、第六电磁阀；38、泥浆罐；39、第三进浆管；40、切换阀组；41、阻尼；201、压力变送器；202、排气阀；203、进气阀；301、搅拌电机；302、搅拌叶片；701、齿轮流量计；702、第一比例调速阀；703、第二比例调速阀；704、换向阀；705、减压阀；706、二位二通电磁球阀；707、第二球阀；708、第三回转接头；709、第四回转接头；801、过滤网；901、硬管筒体；902、软管筒体；903、动态扭矩传感器；904、减速机；905、伺服电机；111、搅拌棒；221、伺服阀；222、单向阀；223、过滤器；224、第一回转接头；225、第一球阀；251、第一吊篮；252、配重块；253、第二吊篮；254、转臂；255、出气口；256、出油口；257、摄像头；258、电缆；259、回油口。
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所示，装置包括土箱1、盾体2、盾构动力系统和进排浆系统，土箱1内存储有土体，土箱1和盾构动力系统之间通过盾体2连接，盾构动力系统用于驱动盾体2沿着掘进方向前后移动，进而使得盾体2对土箱1内的土体进行掘进，盾体2与进排浆系统之间相连，进排浆系统内储存的泥浆经管道注入盾体2中，装置掘进过程中产生的渣土自盾体2经管道排出至进排浆系统中，盾体2中设置有用于平衡盾体2内部气压的保压系统20，保压系统20用于控制和调节气垫舱14中的气体压力大小，土箱1、盾构动力系统和进排浆系统均固定在底板10上，底板10放置在土工离心机25的吊篮内，保压系统20、盾构动力系统和进排浆系统均与外部的控制系统26之间电连接。
如图11所示，土工离心机25包括第一吊篮251、第二吊篮253和离心机机座；第一吊篮251和第二吊篮253通过转臂254分别固定安装在离心机机座的两侧，第一吊篮251内部放置有配重块252，底板10固定安装在第二吊篮253上，第二吊篮253和离心机机座连接的转臂254上安装有摄像头257，转臂254上设置有出气口255、出油口256和回油口259。
如图2-图3所示，盾体2包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘11、环状的前隔板13和主轴15；前隔板13位于舱壳内部并将工作舱划分为泥水舱12和气垫舱14，刀盘11位于靠近泥水舱12的一侧，主轴15的一端与盾构动力系统连接，主轴15的另一端依次穿设过气垫舱14、前隔板13和泥水舱12后与刀盘11同轴连接；舱壳中设有泥水舱12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14的一端与盾构动力系统之间固定连接，盾构动力系统用于驱动刀盘11转动，同时带动主轴15沿着自身轴向向前掘进，泥水舱12和刀盘11均设置在土箱1的开口位置处；前隔板13上连接有连通管30，连通管30用于将气垫舱14中的压力传递至泥水舱12，盾构动力系统中的油缸22通过控制系统26中的伺服阀221实现闭环控制。
前隔板13中靠近泥水舱12的一侧布设有压力传感器，压力传感器将采集的泥浆压力信号传输至控制系统26。前隔板13上开设有用于安装连通管30的连通管口，连通管30的两端口分别与泥水舱12和气垫舱14连通，连通管30的设置使得气垫舱14和泥水舱12之间的气体导通。
盾构动力系统包括动力箱5、驱动电机6、滚珠导轨21和油缸22；滚珠导轨21固定在底板10上，油缸22可沿着滚珠导轨21的延伸方向往复运动地安装在滚珠导轨21上，动力箱5固定安装在油缸22上，驱动电机6设置在动力箱5内部，动力箱5的侧壁与舱壳的一端固定连接，动力箱5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15的一端穿设过动力箱出口后与驱动电机6的输出轴连接，主轴15中靠近驱动电机6一侧的外表面设有扭矩传感器16；扭矩传感器16将采集的扭矩信号传输至控制系统26，油缸22与土工离心机25的出油口256连接。驱动电机6根据扭矩传感器16的电信号使主轴15达到设定的扭矩值，扭矩通过主轴15再传递给刀盘11，油缸22推动动力箱5向前运动，动力箱5通过主轴15再将推力传递给刀盘11。油缸22与出油口256和回油口259之间通过管线连接。
如图4-图6所示，进排浆系统包括泥水箱3、泥浆泵7、渣土箱4、分离箱8和螺旋输送设备9；泥浆泵7和泥水箱3的输出端连接，泥浆泵7通过第一进浆管17与泥水舱12连通，泥浆泵7通过第二进浆管18与气垫舱14连通，第一进浆管17和第二进浆管18上分别设置有第一电磁球阀32和第二电磁球阀35，第二进浆管18上还设置有第一电磁流量计19，第一溢流管28的一端穿过气垫舱14和前隔板13上的开孔后伸入到泥水舱12中，第一溢流管28的另一端与大气相连通，第二溢流管29的一端伸入至气垫舱14中，第二溢流管29的另一端与大气相连通，第一溢流管28和第二溢流管29上分别设有第三电磁球阀31和第四电磁球阀33，泥水箱3和泥浆泵7之间还设置有旁通管，旁通管的一端与泥水箱3连接，另一端分别与泥浆泵7、第一进浆管17和第二进浆管18连通，旁通管上设置有旁通球阀36；泥水舱12还通过第三进浆管39与外部的泥浆罐38连接，第三进浆管39上设置有第五电磁球阀34。
螺旋输送设备9的一端伸入到泥水舱12中，另一端通过管道与渣土箱4连接，从螺旋输送设备9到渣土箱4的管道上依次设置有第六电磁阀37、分离箱8和切换阀组40，泥浆泵7由土工离心机25的液压提供动力。
泥水箱3、泥浆泵7、渣土箱4和分离箱8均放置在底板10上，如图10所示，泥水箱3的顶部设有搅拌电机301，搅拌电机301的输出轴连接有搅拌叶片302，搅拌叶片302位于泥水箱3中且用于搅拌泥浆，防止在超重力环境下泥浆的离析沉淀。土工离心机25的出油口256和泥浆泵7的输入端通过管线连接。泥浆泵7用于将泥水箱3中的泥浆输送至泥水舱12和气垫舱14中，进浆管17、18上布置用于实时监测流量的电磁流量计，第一电磁流量计19通过电缆258将信号传输至控制系统26；前隔板13的底部开设有排浆管口，螺旋输送设备9的一端穿设过排浆管口后与泥水舱12连通，螺旋输送设备9的另一端与分离箱8的输入端连接，并通过第六电磁阀37控制。第一溢流管28设置在泥水舱12顶部，第二溢流管29设置在距离气垫舱14底部2/3的液位处。排浆系统中的电磁球阀与控制系统26连接。
切换阀组40主要由两根支路管道、一根进渣管道和一根出渣管道组成，进渣管道的一端与分离箱8连接，进渣管道的另一端分别与两根支路管道的输入端连接，两根支路管道的输出端均与出渣管道的一端连接，出渣管道的另一端与渣土箱4连接，两根支路管道上均设置有第七电磁阀24和阻尼41，出渣管道上设置有第二电磁流量计23，阻尼41的流阻实现排浆流量的调控；
出渣管道中的排浆流量按照下式处理得到：
式中，Q为排浆流量；Cd为阻尼41的阻尼系数；A为出渣管道截面积；ΔP为压降；ρd为混有渣土的泥浆密度。
如图5所示，分离箱8内部设置有三层不同孔径的过滤网801，过滤网801的轴向与泥浆流向垂直，螺旋输送设备9输出的泥浆从分离箱8的输入端流入，依次经三层过滤网过滤后流出分离箱8，三层过滤网801的孔径自分离箱8入口向出口方向依次减小，第三层过滤网801(即孔径最小的过滤网801)的孔径小于第二电磁流量计23所能通过的最大颗粒粒径。分离箱8输/出入端的水平高度和螺旋输送设备9的水平高度一致。
为保证刀盘前开挖面的稳定性，防止主动破坏与被动破坏的发生，利用保压系统调节的气体压力大小应使得开挖面沿竖直方向任意位置z处的泥浆压力与土水压力关系满足下式。
盾体2开挖面处的泥浆压力与土水压力关系满足以下表达式：
Pg+ρsg(h-D+z)≥γw(H+z)+Kaγ'(H+z)
Pg+ρsg(h-D+z)≤γw(H+z)+Kpγ'(H+z)
式中，Pg为气体压力大小；ρs为泥浆密度；g为重力加速度；h为气垫舱液位高度；D为盾构直径大小；z为开挖面的竖向坐标；γw为水的重度；H为盾构顶部埋深；γ'为土的有效重度；Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数。
由γw+Kaγ’-ρsg＞0、γw+Kpγ’-ρsg＞0可知：
(γw+Kaγ')(H+D)-ρsgh≤Pg≤(γw+Kpγ')H+ρsg(D-h)
盾构动力系统中液压油缸22提供的推力Fd和驱动电机6提供的扭矩T按照以下公式处理得到：
式中，Fd为盾构动力系统提供的推力；F1为盾构掘进时的正面推进阻力；F2为盾构外壳与周边土体的摩擦力；K为侧向土压力系数；γ为土的重度；f为盾构外壳与周边土体的摩擦系数；L为盾构机的长度；W为盾构机单位长度的自重；T为盾构动力系统提供的扭矩；T1为刀盘正面、侧面与土体之间的摩阻力扭矩；T2刀盘切削土体时的地层抗力扭矩；η为刀盘开孔率；P0为泥水舱内的泥浆压力；p为贯入度。
其中，λ(Fd)为超重力下推力与常重力下推力的比值；N为超重力试验的重力放大倍数；λ(T1)为超重力下摩阻力扭矩与常重力下摩阻力扭矩的比值；λ(T2)为超重力下地层抗力扭矩与常重力下地层抗力扭矩的比值；λ(p)为超重力下贯入度与常重力下贯入度的比值。刀盘11刀具的高度大于或等于刀盘11的贯入度，由于盾构实际切削下来的地基土属于连续介质，考虑将刀盘贯入度大小取为一定倍数的地基土平均粒径d50，如20d50，30d50或40d50。
如图8所示，刀盘11中靠近泥水舱12的一侧固定连接有搅拌棒111，搅拌棒布置形式设计有两种形式，一种搅拌棒呈扁平状，架设在刀盘11面板上，另一种搅拌棒呈钩子状，沿主轴15环向布置，通过主轴15转动带动搅拌棒搅动。考虑超重力下盾构掘进参数和常重力下盾构掘进参数存在相似比尺关系，超重下刀盘11转速的表达式如下：
式中，λ(n)为超重力下刀盘转速与常重力下刀盘转速的比值；λ(v)为超重力下掘进速度与常重力下掘进速度的比值；λ(s)为超重力下掘进距离与常重力下掘进距离的比值；λ(t)为超重力下试验时间与常重力下掘进时间的比值。
如图7所示，保压系统20包括进气管、排气管、压力变送器201、排气阀202和进气阀203；前隔板13上开设有进气口和出气口，进气管的一端穿设过进气口后与泥水舱12连通，进气管的另一端与土工离心机25的出气口255连通，排气管的一端穿设过排气口后与泥水舱12连通，排气管的另一端外接大气；进气管和排气管上分别设置有进气阀203和排气阀202，压力变送器201连接在前隔板13上，用于测定气垫舱14中的气体压力，进气阀203、排气阀202和压力变送器201均通过电缆258与控制系统26连接，且控制系统26用于控制排气阀202和进气阀203的开合度，进而控制进气管和排气管中气体的进、出流量。
油缸22采用伺服阀221闭环控制：土工离心机25的出油口256与球阀225的输入端连接，第一球阀225的输出端通过管路与伺服阀221的进油口P连接，从第一球阀225到伺服阀221的管路上依次设置有第一回转接头224、过滤器223和单向阀222，伺服阀221的回油口T通过第二回转接头226与回油口259连接，伺服阀221的出油口B连接有油缸22。过滤器223用于避免回转接头产生的金属碎屑损坏控制系统26中的伺服阀221，三位四通的伺服阀221可以实现换向功能。
泥浆泵7由土工离心机25的液压提供动力。土工离心机25的出油口256通过管线与第二球阀707的输入端连接，第二球阀707的输出端通过管路与泥浆泵7的进油口连接，从第二球阀707到泥浆泵7的管路上依次设置有第三回转接头708、二位二通电磁球阀706、减压阀705、换向阀704、比例调速阀702、703和齿轮流量计701，泥浆泵7的回油口通过第四回转接头709与土工离心机25的回油口259连接。减压阀705用于平衡泥浆泵7和油缸22的额定工作压力，减压阀705的回油口与第四回转接头709的输入端连接。
如图9所示，螺旋输送设备9包括硬管筒体901、软管筒体902和伺服电机905；硬管筒体901伸入到泥水舱12内，软管筒体902设置在气垫舱14内部并与分离箱8连通；硬管筒体901主要由第一筒壁和第一螺旋叶片组成，第一螺旋叶片可转动地设置在第一筒壁内部，软管筒体902主要由第二筒壁和第二螺旋叶片组成，第二螺旋叶片可转动地设置在第二筒壁内部，第一筒壁和第二筒壁之间同轴固定连接，第一螺旋叶片和第二螺旋叶片的一端之间同轴固定连接，伺服电机905的输出轴通过联轴器、减速机904与第二螺旋叶片的另一端同轴固定连接，伺服电机905用于驱动第一螺旋叶片和第二螺旋叶片旋转，进而防止螺旋输送设备9的堵塞，与伺服电机905连接的联轴器上设置有用于监测螺旋输送设备9扭矩的动态扭矩传感器903。
本发明实施例包括以下步骤：
前期准备：确定盾构参数：包括盾构直径、盾构埋深、掘进速度以及刀盘转速。根据盾构直径、盾构埋深以及地基土水压力，确定土工离心机25需要提供的目标Ng值，进而确定气垫舱14的气体压力大小。根据单位时间内刀盘11切削的渣土体积与进浆流量比为1:11.7，结合掘进速度确定进浆流量大小。根据进出质量守恒关系，确定排浆流量大小。根据泥水舱12中的泥浆压力计算排浆流量大小，将计算值与预设值对比，确定阻尼41大小。
步骤1：按照预设比例的膨润土和水制备泥浆，并将泥浆注入到进排浆系统中泥水箱3中，将土箱1从底板10上拆下，采用薄铝板27对土箱侧壁的洞口密封，然后在土箱1中分层制备土样并在土样中埋设土压传感器；
具体实施中，土样中还埋设有弯曲元传感器、微型土压力计、微型孔压传感器以及TDR传感器，采用钢丝刷对地基土的顶部进行2mm的抛毛处理。
步骤2：利用饱和箱对土箱1中的土样进行饱和，当土样饱和完成后将土箱20整体吊到土工离心机25中，并将盾体2推至土箱1洞口内，刀盘11抵住薄铝板27，关闭排浆管路；
具体地，将土箱1放置在饱和箱中，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重新固定在底板10上，将配重块252吊入在第一吊篮251，底板10吊入第二吊篮253。
步骤3：打开泥浆泵7，通过进浆管17、18使泥浆充满泥水舱12，使泥浆到达气垫舱14的2/3液位处，当进排浆系统中的第一溢流管28和第二溢流管29有泥浆渗出后关闭第三电磁球阀31和第四电磁球阀33，并停止进浆，此时盾体2内的泥浆压力为0-2.5kPa；
安装泥浆罐38和第三进浆管39，打开第三进浆管39上的第五电磁球阀34，控制泥浆罐38的高度和液位使得泥水舱12压力略高于土箱1中土样的侧向水土压力，提起薄铝板27使得泥水舱14中的加压泥浆渗透土层，当泥膜形成后关闭第五电磁球阀34，并拆除泥浆罐38和第三进浆管39；
步骤4：启动土工离心机25，将土工离心机25的离心加速度逐渐提高至预设的Ng，在离心加速度提升过程中，关闭所有的电磁球阀(第一电磁球阀32、第二电磁球阀35、第三电磁球阀31、第四电磁球阀33、第六电磁阀37)，保持泥浆充满泥水舱12和气垫舱14，泥水舱12中的泥浆压力随着加速度Ng值的增大而不断提高；离心加速度提升过程中刀盘11空转，以防止泥水舱12中的泥浆发生离析沉淀，同时泥水箱3中的搅拌棒302持续搅拌，以防止泥水箱3中的泥浆发生离析沉淀，打开泥浆泵7和旁通球阀36，使得泥浆在连接泥水箱3的管路中循环，以防止管路内出现离析沉淀，当土工离心机25达到目标Ng值后，控制保压系统20的进气阀203进气并打开第六电磁阀37，控制气垫舱14液位保持在气垫舱14的2/3高度处，其中阻尼41根据气垫舱14液位高度的变化量与泥浆压力的理论值设定；
步骤5：控制盾体2向前掘进，当盾体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，关闭所有管路上的阀门，通过控制保压系统20来实现气垫舱14内的气体压力大小，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。
Claims (10)
1.一种模拟超重力下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)、盾构动力系统和进排浆系统，土箱(1)内存储有土体，土箱(1)和盾构动力系统之间通过盾体(2)连接，盾构动力系统用于驱动盾体(2)沿着掘进方向前后移动，进而使得盾体(2)对土箱(1)内的土体进行掘进，盾体(2)与进排浆系统之间相连，盾体(2)中设置有用于平衡盾体(2)内部气压的保压系统(20)，土箱(1)、盾构动力系统和进排浆系统均固定在底板(10)上，底板(10)放置在土工离心机(25)的吊篮内。
2.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述盾体(2)包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘(11)、环状的前隔板(13)和主轴(15)；前隔板(13)位于舱壳内部并将工作舱划分为泥水舱(12)和气垫舱(14)，刀盘(11)位于靠近泥水舱(12)的一侧，主轴(15)的一端与盾构动力系统连接，主轴(15)的另一端依次穿设过气垫舱(14)、前隔板(13)和泥水舱(12)后与刀盘(11)同轴连接；舱壳中设有泥水舱(12)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(14)的一端与盾构动力系统之间固定连接，盾构动力系统用于驱动刀盘(11)转动，同时带动主轴(15)沿着自身轴向向前掘进，泥水舱(12)和刀盘(11)均设置在土箱(1)的开口位置处；前隔板(13)上连接有连通管(30)，连通管(30)用于将气垫舱(14)中的压力传递至泥水舱(12)，盾构动力系统通过伺服阀(221)实现闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下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水箱(3)、泥浆泵(7)、渣土箱(4)、分离箱(8)和螺旋输送设备(9)；泥浆泵(7)和泥水箱(3)的输出端连接，泥浆泵(7)通过第一进浆管(17)与泥水舱(12)连通，泥浆泵(7)通过第二进浆管(18)与气垫舱(14)连通，第一进浆管(17)和第二进浆管(18)上分别设置有第一电磁球阀(32)和第二电磁球阀(35)，第一溢流管(28)的一端穿过气垫舱(14)和前隔板(13)上的开孔后伸入到泥水舱(12)中，第一溢流管(28)的另一端与大气相连通，第二溢流管(29)的一端伸入至气垫舱(14)中，第二溢流管(29)的另一端与大气相连通，第一溢流管(28)和第二溢流管(29)上分别设有第三电磁球阀(31)和第四电磁球阀(33)，泥水箱(3)和泥浆泵(7)之间还设置有旁通管，旁通管的一端与泥水箱(3)连接，另一端分别与泥浆泵(7)、第一进浆管(17)和第二进浆管(18)连通，旁通管上设置有旁通球阀(36)；
螺旋输送设备(9)的一端伸入到泥水舱(12)中，另一端通过管道与渣土箱(4)连接，从螺旋输送设备(9)到渣土箱(4)的管道上依次设置有第六电磁阀(37)、分离箱(8)和切换阀组(40)，泥浆泵(7)由土工离心机(25)的液压提供动力。
4.根据权利要求3所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述切换阀组(40)主要由两根支路管道、一根进渣管道和一根出渣管道组成，进渣管道的一端与分离箱(8)连接，进渣管道的另一端分别与两根支路管道的输入端连接，两根支路管道的输出端均与出渣管道的一端连接，出渣管道的另一端与渣土箱(4)连接，两根支路管道上均设置有第七电磁阀(24)和阻尼(41)，出渣管道上设置有第二电磁流量计(23)；
所述出渣管道中的排浆流量按照下式处理得到：
式中，Q为排浆流量；Cd为阻尼(41)的阻尼系数；A为出渣管道截面积；ΔP为压降；ρd为混有渣土的泥浆密度。
5.根据权利要求3所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述分离箱(8)内部设置有三层不同孔径的过滤网(801)，过滤网(801)的轴向与泥浆流向垂直，螺旋输送设备(9)输出的泥浆从分离箱(8)的输入端流入，依次经三层过滤网过滤后流出分离箱(8)，三层过滤网(801)的孔径自分离箱(8)入口向出口方向依次减小，第三层过滤网(801)的孔径小于第二电磁流量计(23)所能通过的最大颗粒粒径。
6.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述盾体(2)开挖面处的泥浆压力与土水压力关系满足以下表达式：
Pg+ρsg(h-D+z)≥γw(H+z)+Kaγ'(H+z)
Pg+ρsg(h-D+z)≤γw(H+z)+Kpγ'(H+z)
式中，Pg为气体压力大小；ρs为泥浆密度；g为重力加速度；h为气垫舱液位高度；D为盾构直径大小；z为开挖面的竖向坐标；γw为水的重度；H为盾构顶部埋深；γ'为土的有效重度；Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数。
7.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述盾构动力系统提供的推力Fd和扭矩T按照以下公式处理得到：
式中，F1为盾构掘进时的正面推进阻力；F2为盾构外壳与周边土体的摩擦力；K为侧向土压力系数；γ为土的重度；f为盾构外壳与周边土体的摩擦系数；L为盾构机的长度；W为盾构机单位长度的自重；T1为刀盘与土体之间的摩阻力扭矩；T2刀盘切削土体时的地层抗力扭矩；η为刀盘开孔率；P0为泥水舱内的泥浆压力；p为贯入度。
8.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述刀盘(11)转速的表达式如下：
式中，λ(n)为超重力下刀盘转速与常重力下刀盘转速的比值；λ(v)为超重力下掘进速度与常重力下掘进速度的比值；λ(s)为超重力下掘进距离与常重力下掘进距离的比值；λ(t)为超重力下试验时间与常重力下掘进时间的比值；λ(p)为超重力下贯入度与常重力下贯入度的比值。
9.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述的保压系统(20)包括进气管、排气管、压力变送器(201)、排气阀(202)和进气阀(203)；所述前隔板(13)上开设有进气口和出气口，进气管的一端穿设过进气口后与泥水舱(12)连通，进气管的另一端与土工离心机(25)的出气口(255)连通，排气管的一端穿设过排气口后与泥水舱(12)连通，排气管的另一端外接大气；进气管和排气管上分别设置有进气阀(203)和排气阀(202)，压力变送器(201)连接在前隔板(13)上，进气阀(203)、排气阀(202)和压力变送器(201)均与控制系统(26)连接。
10.一种应用于权利要求1-9任一所述装置的模拟超重力下双舱式泥水平衡盾构掘进试验方法，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，并将泥浆注入到泥水箱(3)中，将土箱(1)从底板(10)上拆下，然后在土箱(1)中分层制备土样并在土样中埋设土压传感器；
步骤2：利用饱和箱对土箱(1)中的土样进行饱和，当土样饱和完成后将土箱(20)整体吊到土工离心机(25)中，并将盾体(2)推至土箱(1)洞口内；
步骤3：打开泥浆泵(7)使泥浆充满泥水舱(12)，使泥浆到达气垫舱(14)的2/3液位处，当第一溢流管(28)和第二溢流管(29)有泥浆渗出后关闭第三电磁球阀(31)和第四电磁球阀(33)，并停止进浆；
步骤4：启动土工离心机(25)，将土工离心机(25)的离心加速度逐渐提高至预设的Ng，当土工离心机(25)达到目标Ng值后，控制保压系统(20)的进气阀(203)进气并打开第六电磁阀(37)，控制气垫舱(14)液位保持在2/3高度处；
步骤5：控制盾体(2)向前掘进，当盾体(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，通过控制保压系统(20)来实现气垫舱(14)内的气体压力大小，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，进而获取真实工况下泥水平衡盾构开挖面的稳定性规律。
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