CN201307365Y - 隧道掘进试验用模拟盾构机 - Google Patents
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Abstract
一种隧道掘进试验用模拟盾构机，适用于模拟地铁、隧道的盾构掘进及交通、水电等隧道工程的连续开挖对复杂地层损伤与地面沉降的研究。该模拟盾构机包括机械液压油缸、盾构支撑外壳、掘进刀盘、掘进动力电机、螺旋排土器、螺旋排土器电机、调速装置和支架。机械液压油缸设置在盾构支撑外壳内，缸座安装在支架后端；掘进动力电机设在盾构支撑外壳内部的最前端，其输出轴上安装掘进刀盘；螺旋排土器电机位于机械液压油缸下方，且固定在盾构支撑外壳内部的后端，其输出轴与螺旋排土器连接，螺旋排土器尾端设在盾构支撑外壳内部前端。本模拟盾构机可靠性高，易控性好，可实现复杂工程条件下的模拟实验，液压推进控制精确，可应用于盾构隧道模拟试验。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种隧道工程机械掘进试验机械装置，具体是一种隧道掘进试验用模拟盾构机，属于应用于土木工程领域的地下工程岩土盾构实验模型，特别适用于地铁工程、隧道等地下洞室工程的隧道盾构法施工模拟的试验研究与应用。
本实用新型地下工程岩土盾构实验模型是中国矿业大学(北京)岩土工程“国家重点学科”985工程建设项目、国家自然科学基金(批准号50304012、50674095)、北京市优秀人才培养资助项目(批准号20071D1600700414)、北京市教育委员会产学研合作项目研究成果之一。
背景技术
近几十年，我国的地下工程建设和施工技术取得了突飞猛进的发展，目前是我国城市地铁等地下工程建设的快速发展时期。地铁隧道盾构施工以其快速和安全的优势成为了地铁施工中最重要的施工方法。盾构施工过程的模拟在地铁工程、隧道工程等地下工程领域得到了推广应用。地下工程隧道掘进试验用模拟盾构机是以一定比例缩小的盾构掘进机具，配合本申请人所在项目组研制的拥有自主知识产权的城市地下工程真三维加载大尺度模型试验系统一起使用，可以实现不同盾构工况的模拟。
本实用新型的开发目的是：在模拟盾构机在城市地下工程真三维加载大尺度模型试验系统平台上，研究盾构机土仓土(水)压力、转速、推进速度、顶进推力、刀盘开口率等关键工艺参数、以及这些关键参数与地层变形、地下水压力、地层应力之间的关系。模拟研究不同覆土及周边建筑载荷、不同地下水状况、不同盾构施工工况下的地面沉降和土体分层沉降，以及盾构施工对周围土体、周边建构筑物及管线的影响，揭示其影响规律。研制出隧道掘进试验用模拟盾构机，为研究城市复杂环境下地铁等隧道工程建设、地铁局部冻结加固工程的研究、为降低隧道工程建设风险提供实验平台与基础条件。由于盾构隧道施工及相关技术研究的深度和广度不足，在实际工程施工中仍然事故频发。为了满足工程需要，深入研究盾构隧道对周边岩土环境的影响，迫切需要相关的实验设备。
我国的盾构掘进机制造和应用始于1963年。现在，我国在盾构隧道施工方面已有了一定的成功经验和技术积累，除了在盾构机械制造、设备的自动集成控制和施工管理等方面存在综合技术问题以外，在岩土工程的领域内也存在许多尚待解决的理论和技术问题。上海隧道工程公司结合上海软土地层对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统的试验研究，研制了一台直径4.2m的手掘式盾构机械进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。
国内相关技术的情况是，目前只有上海隧道工程股份有限公司等少数几家施工单位和机构在盾构模拟实验方面作一些探索，取得了有益的进展。如上海隧道工程股份有限公司研制过小型实验盾构机(外径400mm)，但该系统平台采用开放式土槽，不能实现地下工程真三维模拟加载实验，对于真实地下水及水土压力模拟尚无法实现，同时尚难克服与实验平台的尺寸效应和边界影响等问题。
实用新型内容
为了研究盾构隧道施工对岩土环境的影响，并克服上述现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种隧道掘进试验用模拟盾构机。该模拟盾构机通过机械液压油缸提供掘进前进动力，掘进动力电机带动掘进刀盘旋转切削土体，被切削的土体通过螺旋排土器排出盾构模型，实现模型的模拟掘进。通过调速装置可以控制掘进动力电机、螺旋排土器电机的转速从而控制掘进刀盘土体的切削量和土体排放量，实现盾构连续自动掘进过程的模拟。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
本隧道掘进试验用模拟盾构机包括调速装置、机械液压油缸、盾构支撑外壳、掘进动力电机、掘进刀盘、螺旋排土器电机、螺旋排土器和支架八个部分。其中，掘进动力电机、掘进刀盘、螺旋排土器电机和螺旋排土器均设置在盾构支撑外壳内，盾构支撑外壳整体可滑动地安装在支架上。所述调速装置与掘进动力电机和螺旋排土器电机相连接，可调节和控制两电机的转速。所述机械液压油缸水平设置在盾构支撑外壳内，其缸座端固定安装在支架的后端部，其活塞端安装在盾构支撑外壳内部的前端立板上。所述掘进动力电机固设在盾构支撑外壳内的最前端，其输出轴上安装所述掘进刀盘。所述螺旋排土器电机位于机械液压油缸和掘进动力电机的下方，并且固定安装在盾构支撑外壳内部的后端，其输出轴与水平设置的所述螺旋排土器连接，该螺旋排土器的尾端固定在盾构支撑外壳内部的前端。
进一步地，所述机械液压油缸与外部油泵连接，提供稳定的前进推动力以将包括所述掘进动力电机、掘进刀盘、螺旋排土器电机和螺旋排土器在内的盾构支撑外壳整体向前推进。
进一步地，所述机械液压油缸的油压压力是可调整的，以改变前进推动力，实现不同工况下盾构实验模拟的需要。
进一步地，所述掘进刀盘可以是一系列具有不同开口率的刀盘，每一种刀盘的开口率固定，所述开口率是指刀盘开口面积与刀盘面积的比值。所述开口率的范围为10～40％。使用时，可以根据实验的要求安装选用所需开口率的刀盘进行掘进。
进一步地，所述隧道掘进试验用模拟盾构机的下面为全封闭，盾构支撑外壳(也可以称做“盾构护筒”)内部隔离，可以模拟饱和水状态下的盾构工况。
本实用新型的隧道掘进试验用模拟盾构机适用于模拟地铁、隧道的盾构掘进以及公路、铁路、水电等隧道工程的连续开挖，对复杂地层层损伤机理与地面沉降进行研究。其具有如下有益效果：设备制造简单，可靠性高，易控性好，可以实现复杂工程条件下的模拟实验，电机与液压系统既可独立也可联动工作，液压推进控制精确，用于试验研究盾构隧道通用性很高。本实用新型很好地解决了以往研究难以解决实现掘进和排土的土压力平衡模拟及地下水影响，实现了完全真三维加载，克服了无法模拟地下水及水土压力的问题，克服了与实验平台的尺寸效应和边界影响等问题。
附图说明
图1是本实用新型的模拟盾构机的原理图；
图2是本实用新型的模拟盾构机的工作状态图。
图中：
1-调速装置 2-螺旋排土器电机 3-机械液压油缸
4-盾构支撑外壳 5-掘进动力电机 6-掘进刀盘
7-螺旋排土器 8-支架
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。
如图1所示，该隧道掘进试验用模拟盾构机包括调速装置1、螺旋排土器电机2、机械液压油缸3、盾构支撑外壳4、掘进动力电机5、掘进刀盘6、螺旋排土器7和支架8等八个部分。其中，螺旋排土器电机2、掘进动力电机5、掘进刀盘6和螺旋排土器7均设置在盾构支撑外壳4内。支架8位于模拟盾构机的下部并且支撑着盾构支撑外壳4，盾构支撑外壳4整体可滑动地安装在支架8上。调速装置1与掘进动力电机5和螺旋排土器电机2相连接。
所述机械液压油缸3呈水平设置在盾构支撑外壳4内的中心位置上，其缸座端固定安装在支架8的后端部，其活塞端安装在盾构支撑外壳4内部的前端立板上。所述掘进动力电机5固设在盾构支撑外壳4内的最前端，该掘进动力电机5的输出轴上安装所述掘进刀盘6。
所述螺旋排土器电机2位于机械液压油缸3和掘进动力电机5的下方，并且固定安装在盾构支撑外壳4内部的后端，其输出轴与水平设置的所述螺旋排土器7连接，螺旋排土器7的尾端固定在盾构支撑外壳4内部的前端。
所述机械液压油缸3与外部油泵(图中未示)连接，由外部油泵供压和控制，提供稳定的前进推动力，该推动力可以将包括掘进动力电机5、掘进刀盘6、螺旋排土器电机2和螺旋排土器7在内的盾构支撑外壳4整体向前推进。另外，如图1中的上部虚线所示，调速装置1可以调节控制掘进动力电机5和螺旋排土器电机2的转速，实现掘进控制和排土控制。
所述掘进刀盘6可以是一系列具有不同开口率的刀盘，每一种刀盘的开口率固定，所述开口率的取值范围为10～40％。使用时，可以根据实验的要求安装选用所需开口率的刀盘进行掘进。
另外，当本隧道掘进试验用模拟盾构机的下面为全封闭，且盾构支撑外壳(盾构护筒)内部隔离时，可以模拟饱和水状态下的盾构工况。
图2示出了本实用新型模拟盾构机的工作状态。如图2所示，当外部油泵供压时，机械液压油缸3的活塞向前推进，提供掘进前进推动力。与此同时，调速装置1控制掘进动力电机5和螺旋排土器电机2的转速，掘进动力电机5带动掘进刀盘6旋转切削土体，实现模拟盾构掘进，而螺旋排土器旋转可将掘进时切削的土体排出到盾构模型的外部，实现模拟盾构排土。在掘进模拟和排土模拟的过程中，随着机械液压油缸3的活塞逐步向前推进，包括掘进动力电机5、掘进刀盘6、螺旋排土器电机2和螺旋排土器7在内的盾构支撑外壳4整体在支架8上滑动着向前推进。
通过调速装置1可以控制掘进动力电机5、螺旋排土器电机2的转速，从而控制掘进刀盘6的土体切削量和土体排放量。
通过调整机械液压油缸3的油压压力可以改变前进推动力，实现不同工况下盾构实验模拟的需要。
Claims (6)
1.一种隧道掘进试验用模拟盾构机，包括调速装置(1)、机械液压油缸(3)、盾构支撑外壳(4)、掘进动力电机(5)、掘进刀盘(6)、螺旋排土器电机(2)、螺旋排土器(7)和支架(8)，其中，所述掘进动力电机(5)、掘进刀盘(6)、螺旋排土器电机(2)和螺旋排土器(7)均设置在所述盾构支撑外壳(4)内，该盾构支撑外壳(4)整体可滑动地安装在所述支架(8)上；所述调速装置(1)与掘进动力电机(5)和螺旋排土器电机(2)相连接；其特征在于：所述机械液压油缸(3)水平设置在盾构支撑外壳(4)内，其缸座端固定安装在支架(8)的后端部，其活塞端安装在盾构支撑外壳(4)内部的前端立板上；所述掘进动力电机(5)固设在盾构支撑外壳(4)内的最前端，其输出轴上安装所述掘进刀盘(6)；所述螺旋排土器电机(2)位于机械液压油缸(3)和掘进动力电机(5)的下方，并且固定安装在盾构支撑外壳(4)内部的后端，其输出轴与水平设置的所述螺旋排土器(7)连接，该螺旋排土器(7)的尾端固定在盾构支撑外壳(4)内部的前端。
2.根据权利要求1所述的隧道掘进试验用模拟盾构机，其特征在于：所述机械液压油缸(3)与外部油泵连接并提供前进推动力，以将包括所述掘进动力电机(5)、掘进刀盘(6)、螺旋排土器电机(2)和螺旋排土器(7)在内的盾构支撑外壳(4)整体向前推进。
3.根据权利要求3所述的隧道掘进试验用模拟盾构机，其特征在于：所述机械液压油缸(3)的油压压力可调。
4.根据权利要求1、2或3所述的隧道掘进试验用模拟盾构机，其特征在于：所述掘进动力电机(5)和螺旋排土器电机(2)的转速通过调速装置(1)调整。
5.根据权利要求1、2或3所述的隧道掘进试验用模拟盾构机，其特征在于：所述掘进刀盘(6)是一系列具有不同开口率的刀盘，所述开口率的范围为10～40％；每一种刀盘的开口率固定。
6.根据权利要求1、2或3所述的隧道掘进试验用模拟盾构机，其特征在于：该隧道掘进试验用模拟盾构机的下面为全封闭，所述盾构支撑外壳(4)的内部隔离。
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