CN208818714U - 一种室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，包括模型系统、洒砂系统和动力系统；洒砂系统位于盾构掘进方向的垂直方向，动力系统位于盾构掘进方向；模型系统包括模型箱、磁性表座、钢轨、位移计、管线、类矩形盾构模型、上覆土层和管线位移测量装置；洒砂系统包括输土管道、方形储土钢盒、螺旋刀片、转运设备和出土口；动力系统包括钢支架、防护支架、阻挡钢杆、钢绞绳、反力支架、液压机、电源线和固定环扣。本实用新型的有益效果是：本实用新型的模型箱正面采用钢化玻璃且标有刻度，正面透明并且标有刻度的设计使得对各种实验变量控制更加方便；本实用新型分步上砂的设计既提高了洒砂效率，又使得砂土能够均匀的洒入模型箱内部。

Description

一种室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种室内缩尺寸类矩形盾构施工模型试验装置，特别涉及模拟类矩形盾构施工引起的土体沉降和管线受力变形等方面的缩尺寸模型试验研究。

背景技术

模型试验，它以相似原理为理论基础，是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩土介质、工程结构物理力学特性的研究方法。模型试验可以模拟各种相对复杂的边界条件，能较全面而又形象地呈现工程结构与相关岩土体共同作用下的应力和变形机制、破坏机理、形态及失稳阶段的全貌。长期以来，模型试验方法一直是研究解决大型复杂岩土与结构工程课题的重要手段。与解析解和数值分析相比，模型试验更能直观的得到所需的各项数据，分析方便。类矩形盾构的施工会造成土体的沉降，特别是对地表以下的地下管线会遭成影响，导致其沉降和发生变形，若是过大的土体损失导致管线变形超过其允许值，极易造成爆管等事故，严重威胁其安全。

目前国内外尚有不少针对隧道穿越及运营维护方面的模型试验系统的专利，而对于类矩形盾构模型试验系统的研发较少。因此，开发一种室内缩尺寸类矩形盾构施工模型试验系统很有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置。

这种室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，包括模型系统、洒砂系统和动力系统；洒砂系统位于盾构掘进方向的垂直方向，动力系统位于盾构掘进方向；

模型系统包括模型箱、磁性表座、钢轨、位移计、管线、类矩形盾构模型、上覆土层和管线位移测量装置；模型箱上部安装有钢轨，钢轨上部设有磁性表座，磁性表座下部连接位移计，位移计下端与管线位移测量装置相接，管线位移测量装置架设在管线上；管线位移测量装置处铺设上覆土层；位移计外接应变仪；管线下方设有类矩形盾构模型，类矩形盾构模型包括外筒、内筒和钢珠，内外筒为类矩形钢环，内外筒之间的空隙部分设有钢珠；内筒尾部设有钢条，钢条与模型箱开口尾部的固定装置通过钢环扣连接固定；

洒砂系统包括输土管道、方形储土钢盒、螺旋刀片、转运设备和出土口；输土管道下端设有方形储土钢盒，上端设有转运设备；输土管道内设有螺旋刀片，模型箱上方设有水平的螺旋刀片，螺旋刀片下方设有出土口；

动力系统包括钢支架、防护支架、阻挡钢杆、钢绞绳、反力支架、液压机、电源线和固定环扣；外筒头部设有固定环扣，固定环扣连接钢绞绳，钢绞绳连接液压机，液压机由反力支架支撑；钢支架上方设有防护支架和阻挡钢杆，阻挡钢杆上设有激光测距仪；钢支架上方的钢绞绳为水平。

作为优选：模型箱正面采用钢化玻璃并标有刻度，其余几个面采用钢板焊接。

作为优选：模型箱的类矩形口开口处采用泡沫胶封堵配合外部增加钢板支撑。

作为优选：钢支架底部装有滚轮。

作为优选：钢支架上设置滚轮钢杆。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的模型箱正面采用钢化玻璃且标有刻度，正面透明并且标有刻度的设计使得对各种实验变量控制更加方便(如管线埋深、管隧斜交角度等)。

2、本实用新型分步上砂的设计既提高了洒砂效率，又使得砂土能够均匀的洒入模型箱内部。

3、本实用新型的阻挡钢杆可以控制钢绞绳前段的水平，保证了类矩形盾构模型在钢支架上平稳移动，这对于实验数据的稳定控制很关键。

4、本实用新型的洒砂和盾构施工模拟实施方便，只需要将相关装置与各设备相接，机械化程度较高，节省了人力。

5、本实用新型的测量精度由位移计决定，可较好地保证测量精度。

6、本实用新型所选用的液压机和钢绞绳拉力强度大，有效防止了上部土压力过大无法拉出套筒的问题。

7、本实用新型所选用的洒砂装置设计合理，效率高，有效加快了试验进度。

8、本实用新型可以用于其他不同的模型试验，如不同类型的盾构模型试验、不同管隧位置、不同土质等，且操作方便，与单一的试验系统相比，节约成本且绿色环保。

附图说明

图1是缩尺寸模型箱正视图；

图2是缩尺寸模型箱立体图；

图3是类矩形盾构模型平面图；

图4是类矩形盾构模型立体图；

图5是洒砂系统示意图；

图6是动力系统示意图。

附图标记说明：模型箱1、磁性表座2、钢轨3、位移计4、管线5、类矩形盾构模型6、上覆土层7、管线位移测量装置8、外筒9、内筒10、钢珠11、输土管道12、方形储土钢盒13、螺旋刀片14、转运设备15、出土口16、钢支架17、防护支架18、阻挡钢杆19、钢绞绳20、反力支架21、液压机22、电源线23、固定环扣24、应变仪25、激光测距仪26、固定装置27、钢条28、钢环扣29。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

所述的室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，包括：模型系统、洒砂系统、动力系统。洒砂系统位于盾构掘进方向的垂直方向，动力系统位于盾构掘进方向，各个系统之间空间布局合理，结构紧凑，空间利用率高。

如图1、2、3、4所示，模型系统包括模型箱1、磁性表座2、钢轨3、位移计4、管线5、类矩形盾构模型6、上覆土层7、管线位移测量装置8。模型箱1长宽高为3m×2.5m×2.1m。模型箱1上部安装有钢轨3，钢轨3上部设有磁性表座2，磁性表座2下部连接位移计4，位移计4下方设有管线位移测量装置8，管线位移测量装置8下端与管线5相接。管线位移测量装置8处铺设上覆土层7。位移计4外接应变仪25。管线5下方设有类矩形盾构模型6，类矩形盾构模型6包括外筒9、内筒10、钢珠11，外筒9为截面尺寸582mm×355mm的类矩形钢环，内筒10为截面尺寸556mm×335mm的类矩形钢环，内外筒之间的空隙部分即为土体损失率，内外筒之间的空隙部分设有钢珠11，大大减小了内外筒错动过程中的摩擦力。内筒10尾部设有钢条28，与模型箱1上的固定装置27通过钢环扣29连接固定，尾部的固定装置27保证了内外筒错动过程中使内筒10保持静止。模型箱1只需更换不同的开口形状即可研究其他类型的盾构(如双线盾构、双圆盾构、马蹄形盾构等)，即可以在无需更换全套设备的情况下进行其他类型盾构的模型试验，大大节省了成本，经济合理。模型箱1正面采用钢化玻璃(标有刻度)，其余几个面采用钢板焊接，正面透明并且标有刻度的设计使得对各种实验变量控制更加方便(如管线埋深、管隧斜交角度等)。为了防止模型箱1的类矩形口开口处漏砂，采用泡沫胶封堵配合外部增加钢板支撑的方式。

如图5所示，洒砂系统位于盾构掘进方向的垂直方向，洒砂系统包括输土管道12、方形储土钢盒13、螺旋刀片14、转运设备15、出土口16。输土管道12下端设有方形储土钢盒13，上端设有转运设备15。输土管道12内设有螺旋刀片14，模型箱1上方设有水平的螺旋刀片14，螺旋刀片14下方设有出土口16。螺旋刀片14的快速转动能有效提高洒砂的效率，加快试验前期的准备进度。洒砂系统的上砂方式经过合理设计，采用分步上砂的方式。人工将砂土放入方形储土钢盒13内，通过螺旋刀片14的快速运转进入转运设备15，随后再输送至模型箱1上方并由水平的螺旋刀片14的出土口16洒下，这一分步上砂的设计既提高了洒砂效率，又使得砂土能够均匀的洒入模型箱1内部。

如图6所示，动力系统位于盾构掘进方向，动力系统包括钢支架17、防护支架18、阻挡钢杆19、钢绞绳20、反力支架21、液压机22、电源线23、固定环扣24。外筒9头部设有固定环扣24，固定环扣24连接钢绞绳20，钢绞绳20连接液压机22，液压机22由反力支架21支撑。电源线23连接液压油泵，提供动力来源。钢支架17上方设有防护支架18和阻挡钢杆19，阻挡钢杆19上设有激光测距仪26。结合激光测距仪26与时间刻度，可以定位任一时刻盾构掘进断面的实时位置，对于试验后数据的分析有重要作用。钢支架17均装有滚轮，方便移动。钢支架17的作用是提供外筒9拖出后的支撑，防护支架18的作用是保证拖动过程的安全，阻挡钢杆19的作用是控制钢绞绳20前段的水平，保证了类矩形盾构模型6在钢支架17上平稳移动，这对于实验数据的稳定控制很关键。固定环扣24应采用高强螺栓，并采用焊接工艺，使得其强度足以承受收拉过程中上部土压产生的摩擦力。同时，为了减小类矩形盾构模型6拖出过程中所受的摩擦力，在钢支架17上设置若干根滚轮钢杆，化滑动摩擦为滚动摩擦。

所述的室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、通过洒砂系统将外部的砂土通过特定的管道进入模型箱1内，每100mm进行一次夯实，重复操作并覆土至类矩形盾构模型6底部深度处。

步骤二、将类矩形盾构模型6通过液压起重机抬升至钢支架17上，用人力通过钢支架17上预装的滚轮钢杆将类矩形盾构模型6推入模型箱1的预先开好的类矩形孔洞中，此过程应保证推入方向与模型箱壁垂直；

步骤三、继续洒砂并分层夯实至指定的深度处，埋设预先贴好应变片的缩尺寸管线5并架设管线位移测量装置8。此处应核查管线位置、角度等是否与试验方案保持一致。

步骤四、继续洒砂并夯实至上覆土层7处，地表进行夯实后，架设并采用螺栓固定横向和纵向的钢杆，通过磁性表座2连接位移计4，位移计4架设在地表沉降的测点上。此处保证位移计4竖直，不得倾斜。

步骤五、将管线沉降、应变测点和地表沉降测点的引线全部编号后，连接到应变仪25上，调试仪器。

步骤六、将液压机的钢绞绳20与类矩形盾构模型6的外筒9相连，通过固定环扣24固定；在模型箱1开口的尾部，于内筒10内侧焊接竖直的钢条28，随后加装固定装置27，固定装置27上的钢环扣29套在钢条28上，四周采用螺栓进行固定，使得内筒10完全固定在模型箱1上。待应变仪25和激光测距仪26准备就绪后启动液压机22，向外缓慢匀速拖出外筒9至指定位置。

步骤七、模型箱1整体静置48h，设置应变仪25自动取数，记录后续沉降。

步骤八、处理试验数据，绘制相关曲线，得出相关结论。

Claims (5)

1.一种室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，其特征在于：包括模型系统、洒砂系统和动力系统；洒砂系统位于盾构掘进方向的垂直方向，动力系统位于盾构掘进方向；

模型系统包括模型箱(1)、磁性表座(2)、钢轨(3)、位移计(4)、管线(5)、类矩形盾构模型(6)、上覆土层(7)和管线位移测量装置(8)；模型箱(1)上部安装有钢轨(3)，钢轨(3)上部设有磁性表座(2)，磁性表座(2)下部连接位移计(4)，位移计(4)下端与管线位移测量装置(8)相接，管线位移测量装置(8)架设在管线(5)上；管线位移测量装置(8)处铺设上覆土层(7)；位移计(4)外接应变仪(25)；管线(5)下方设有类矩形盾构模型(6)，类矩形盾构模型(6)包括外筒(9)、内筒(10)和钢珠(11)，内外筒为类矩形钢环，内外筒之间的空隙部分设有钢珠(11)；内筒(10)尾部设有钢条(28)，钢条(28)与模型箱(1)开口尾部的固定装置(27)通过钢环扣(29)连接固定；

洒砂系统包括输土管道(12)、方形储土钢盒(13)、螺旋刀片(14)、转运设备(15)和出土口(16)；输土管道(12)下端设有方形储土钢盒(13)，上端设有转运设备(15)；输土管道(12)内设有螺旋刀片(14)，模型箱(1)上方设有水平的螺旋刀片(14)，螺旋刀片(14)下方设有出土口(16)；

动力系统包括钢支架(17)、防护支架(18)、阻挡钢杆(19)、钢绞绳(20)、反力支架(21)、液压机(22)、电源线(23)和固定环扣(24)；外筒(9)头部设有固定环扣(24)，固定环扣(24)连接钢绞绳(20)，钢绞绳(20)连接液压机(22)，液压机(22)由反力支架(21)支撑；钢支架(17)上方设有防护支架(18)和阻挡钢杆(19)，阻挡钢杆(19)上设有激光测距仪(26)；钢支架(17)上方的钢绞绳(20)为水平。

2.根据权利要求1所述的室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，其特征在于：模型箱(1)正面采用钢化玻璃并标有刻度，其余几个面采用钢板焊接。

3.根据权利要求1所述的室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，其特征在于：模型箱(1)的类矩形口开口处采用泡沫胶封堵配合外部增加钢板支撑。

4.根据权利要求1所述的室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，其特征在于：钢支架(17)底部装有滚轮。

5.根据权利要求1所述的室内缩尺寸类矩形盾构模型试验装置，其特征在于：钢支架(17)上设置滚轮钢杆。