CN209118607U - 一种盾构隧道施工的精细化模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，包括一内部填充有模型土的模型槽，用于在模型槽内掘进施工的模型盾构机、前端可拆卸的连接模型盾构机后端的钢套筒、连接在钢套筒后端的顶推装置，模型槽包括始发口和接收口，接收口设置有凸形盖板；该模拟方法通过将盾构机掘进与管片拼装、同步注浆的过程分离并依次进行模拟，避免多项模拟步骤相互干扰。本实用新型的优点是：操作简单，所需试验操作人员少，将盾构机掘进施工、盾构隧道管片拼装、同步注浆完全分开，从而可以精细、有序地模拟盾构隧道施工全过程的各关键步骤；省去了模型盾构机复杂的装置，节省了模型试验成本；为盾构隧道施工研究提供更加可靠与有效的模型试验方法。

Description

一种盾构隧道施工的精细化模拟装置

技术领域

本实用新型属于盾构隧道技术领域，具体涉及一种盾构隧道施工的精细化模拟装置。

背景技术

盾构隧道施工过程复杂，需要研究的因素众多。因此有必要展开室内模型试验 。但是现有技术方案中的盾构机模拟装置需要同时进行管片拼装，同涉注浆等，试验操作人员多，难以有条不紊地进行试验。例如实用新型专利“一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机”（公开号CN101398986A）中公开的模型盾构机具有复杂的管片拼装系统、顶推千斤顶装置，并可以进行盾构姿态调整。复杂的装置不仅使模型盾构机的制造成本高，且盾构施工的多项关键步骤需要同时进行，如盾构掘进施工、模型盾构隧道拼装施工、注浆施工等，在模型盾构机施工过程中所需要试验人员多，且模型盾构隧道难以根据相似关系进行设计与拼装。因此难以精细化地研究盾构隧道施工的多个关键步骤。

因此，需要对盾构隧道施工的模拟装置及模拟方法进行改进，克服难以精细化模拟的问题。

发明内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，本实用新型的方案通过将盾构机掘进与管片拼装、同步注浆的过程分离并依次进行模拟，避免多项模拟步骤相互干扰，提高了盾构隧道施工的模拟精度。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，其特征在于，包括一内部填充有模型土的模型槽，用于在所述模型槽内掘进施工的模型盾构机、前端可拆卸的连接所述模型盾构机后端的钢套筒、连接在所述钢套筒后端的顶推装置，所述模型槽包括始发口和接收口，所述接收口设置有凸形盖板；所述精细化模拟装置还包括模型盾构隧道和模拟注浆装置。

所述模型盾构机前部具有切削土体的刀盘，以及将切削至土舱内的渣土带出的螺旋输送机，所述刀盘和所述螺旋输送机均具有相应的动力装置，且可以对所述动力装置的输出扭矩进行实时量测的测试元件；所述模型盾构隧道的端部设置有端部卡件，所述端部卡件还连接一纵向限位装置。

所述模拟注浆装置包括密封装置和注浆设备，所述密封装置包括设置在所述接收口外缘与所述模型盾构隧道端部之间的密封套、设置在所述钢套筒前端的密封片，所述注浆设备的注浆管道连通所述密封套与所述密封片之间的区域。

所述模型槽内的模型土中填埋若干测试元件，所述接收口还设置有可拆卸的所述凸形盖板，所述始发口设置有与所述模型槽连接的始发台架，所述接收口设置有与所述模型槽连接的接收台架，所述模型槽内供所述模型盾构机设计通过位置的底部设置有用于引导所述模型盾构机掘进的导向轨。

所述钢套筒的长度比在所述模型槽内穿越方向的长度大50-80cm，所述模型盾构机、所述钢套筒及所述顶推装置均通过内法兰连接，在开始模拟盾构掘进施工前均设置在所述始发台架上。

一种涉及任一所述的盾构隧道施工的精细化模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：模型槽安装，在所述模型槽的接收口位置固定好凸形盖板，在所述模型槽的始发口固定始发台架，并在所述始发台架依次连接模型盾构机、钢套筒、顶推装置，所述模型盾构机的刀盘置于所述始发口位置，所述顶推装置与所述始发台架固定，待以上工作准备就绪后在所述模型槽上填筑模型土与布设相关测试元件；

步骤2：所述模型盾构机从所述始发口掘进至所述模型槽的接收口，同时对所述模型盾构机施工过程中的相关参数进行量测，待所述模型盾构机前端进入所述凸形盖板内后，安装接收台架，并将所述凸形盖板拆除；

步骤3：利用所述顶推装置顶推所述钢套筒以使所述模型盾构机移到所述接收台架上，当所述钢套筒前端超出所述接收口25-40cm后，拆除所述模型盾构机；

步骤4:将所述模型盾构隧道从所述接收口放入所述钢套筒内，并进行纵向固定，再安装模拟注浆装置；

步骤5：收缩所述顶推装置以将所述钢套筒的前端拉回至所述始发口，同时所述模拟注浆装置对所述模型盾构隧道与所述模型槽中的所述模型土之间的区域注浆，并对注浆施工的参数进行量测；

步骤6：待注浆材料凝固后，取出并拆除所述钢套筒，利用所述模型盾构隧道进行试验。

所述步骤1包括以下步骤：在所述始发口架设所述始发台架，并与所述模型槽进行固定；采用所述凸形盖板将所述接收口封闭，在所述模型槽内模型盾构机设计通过位置的底部架设导向轨；将所述模型盾构机、所述钢套筒、所述顶推装置依次连接并架设在所述始发台架上，所述模型盾构机的刀盘置于所述始发口的位置；向所述模型槽内填埋模型土并埋设相关测试元件。

所述步骤2中包括以下步骤：所述模型盾构机在所述顶推装置的推动下从所述始发口掘进至所述接收口的凸形盖板内；在所述接收口架设所述接收台架，并与模型槽进行固定，将所述接收口的所述凸形盖板取下；所述顶推装置推动所述模型盾构机向前移动至所述接收台架上。

所述步骤4包括以下步骤：将所述模型盾构隧道从所述接收口放入所述钢套筒中，并通过与所述接收台架连接的限位装置将所述模型盾构隧道进行纵向位移固定，在所述钢套筒位于所述密封套的一侧安装密封片，将注浆设备的注浆管道连通至所述密封套及所述密封片之间的区域中，在所述接收口的外缘和所述模型盾构隧道边缘之间设置密封套。

本实用新型的优点是：操作简单，所需操作人员少，将盾构掘进施工、盾构隧道管片拼装、同步注浆完全分开，从而可以精细、有序地模拟盾构隧道施工全过程的关键步骤；省去模型盾构机复杂的装置，节省了模型试验成本；为盾构隧道施工研究提供更加可靠与有效的模型试验方法。

附图说明

图1为本实用新型实施例中模拟盾构机掘进前的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中模拟盾构机、钢套筒顶推装置的连接结构示意图；

图3为本实用新型实施例中模拟盾构机掘进中的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中模拟盾构机掘进至盖板位置处时的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中取下盖板后的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中模拟盾构机顶出模型槽时的结构示意图；

图7为本实用新型实施例中拆除模拟盾构机后的结构示意图；

图8为本实用新型实施例中安装模型盾构隧道和模拟注浆装置后的结构示意图；

图9为本实用新型实施例中设置模拟注浆装置时的局部放大图；

图10为本实用新型实施例中模拟注浆施工时的结构示意图；

图11为本实用新型实施例中模拟注浆施工时的局部放大图；

图12为本实用新型实施例中钢套筒拉出至始发口时的结构示意图；

图13为本实用新型实施例中完成模拟注浆施工后的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-13，图中标记1-7分别为：模型槽1、模型土11、始发口12、接收口13、始发台架14、接收台架15、凸形盖板16、模型盾构机2、钢套筒3、顶推装置4、模型盾构隧道5、端部卡件52、纵向限位装置53、模拟注浆装置6、密封套61、密封片62、注浆管道63、内法兰7。

实施例：如图1-13所示，本实施例具体涉及一种盾构隧道施工的精细化模拟装置及方法，通过将盾构机挖掘与管片拼装、管道注浆的过程分离并依次进行模拟，避免多项模拟步骤相互干扰，提高了盾构隧道施工的模拟精度。

如图1-13所示，盾构隧道施工的精细化模拟装置包括一内部填充有模型土11的模型槽1，用于在模型槽1内掘进的模型盾构机2、前端可拆卸的连接模型盾构机2后端的钢套筒3、连接在钢套筒3后端的顶推装置4，模型槽1包括始发口12和接收口13，接收口13处还设置有模型盾构隧道5和模拟注浆装置6。

如图1-13所示，模型槽1采用钢结构骨架加上有机玻璃板镶嵌在其内侧加工而成，在模型槽1的接收口13可拆卸地设置有内径比模型盾构机2盾壳外径大15-20厘米的接收口13处设置的凸形盖板16，接收口13处设置的凸形盖板16深度为20-30厘米。模型槽1的始发口12的内径比模型盾构机2盾壳外径大3-5厘米。钢套筒3外径与模型盾构机2盾壳外径相同，长度比模型槽1的宽度大60-80厘米。始发台架14与接收台架15的高度是根据模型盾构机2在模型槽1中的穿越掘进的位置确定的，始发台架14与接收台架15均直接与模型槽1进行连接。

如图1-13所示，盾构隧道施工的精细化模拟装置的模拟方法包括以下步骤：

步骤1：搭建模拟测试环境，依次连接模型盾构机2、钢套筒3、顶推装置4并架设在模型槽1的始发口12；

步骤2：模型盾构机2从始发口12掘进至模型槽1的接收口13以形成通道，同时对盾构机施工的参数进行量测；

步骤3：顶推装置4将钢套筒3前端顶出接收口13，拆除模型盾构机2；

步骤4:将模型盾构隧道5放入钢套筒3内，将模拟注浆装置6搭设在接收口13处；

步骤5：顶推装置4将钢套筒3的前端拉回至始发口12，同时模拟注浆装置6对模型盾构隧道5与模型槽1中模型土11之间的区域进行注浆，并对注浆施工的参数进行量测；

步骤6：注浆材料凝固后，取出并拆除钢套筒3，对模型盾构隧道5的参数进行量测。

如图1-2所示，步骤1为模型盾构机2进行掘进前的准备过程，其中主要涉及设备的搭建过程。在模型槽1的始发口12架设始发台架14，采用凸形盖板16将模型槽1的接收口13封闭，将模型盾构机2、钢套筒3、顶推装置4依次连接并架设在始发台架14上，模型盾构机2的刀盘置于始发口12位置，以确保填筑模型土时不从始发口12漏出；向模型槽1内填埋模型土11并设置测试元件，当填筑模型土11到模型盾构机设计通过位置的底部时架设导向轨，然后继续填筑模型土11。接收口13还设置有可拆卸的凸形盖板16，始发口12设置有始发台架14，接收口13设置有接收台架15，模型槽1内模型盾构机设计通过位置的底部设置有同于引导模型盾构机2掘进的导向轨。模型盾构机2、钢套筒3及顶推装置4均通过内法兰7连接。导向轨两端分别连接始发口12和接收口13的底部，模型盾构机2在导向轨的作用下在预设的区间进行掘进，避免造价高昂的模型盾构机2设置姿态调整系统。测试元件包括土压力测试元件、地层沉降测试元件等。

如图3-5所示，步骤2为模型盾构机2的模拟掘进过程，包括以下步骤：模型盾构机2在顶推装置4的推动下从始发口12掘进至接收口13的凸形盖板16位置；在接收口13架设接收台架15，并将接收口13的凸形盖板16取下；顶推装置4推动模型盾构机2移动至接收台架15上；采集模型槽1内的测试元件的测试数据，对盾构机施工的参数进行量测。这一过程中顶推装置4为模型盾构机2提供推动力，在模型盾构机2前进中钢套筒3也一起前进。盾构机施工的参数包括但不限于刀盘扭矩、土舱内土压力分布、顶推力、施工过程中对地层土压力及地层位移的影响等数据。

如图6-7所示，步骤3为模型盾构机2接收过程，在顶推装置4顶推下模型盾构机2完全脱出模型槽1，且钢套筒3前端超出模型槽1的一侧25-40厘米，此时再解除钢套筒3与模型盾构机2的连接，再将模型盾构机2移走。

如图8-9所示，步骤4为模拟注浆前的准备过程。其中包括将模型盾构隧道5从接收口13放入钢套筒3中并将其位置固定。在接收口13的外缘和模型盾构隧道5边缘之间设置密封套61，在钢套筒3位于密封套61的一侧安装密封片62，将注浆设备的注浆管道63连通至密封套61及密封片62之间的区域中。模型盾构隧道5是按相似关系设计的预先已经组装完成，模型盾构隧道5端部设置有端部卡件52，端部卡件52还连接一纵向限位装置53。端部卡件52是模型盾构隧道5的着力面，纵向限位装置53可以采用设置在接收台架15上的反力架，反力架通过钢丝绳连接端部卡件52，进而将钢套筒3在纵向上与接收台架15的位置相固定，防止钢套筒3抽出时模型盾构隧道5被带出。模拟注浆装置6包括密封装置和注浆设备，密封装置包括设置在接收口13外缘与模型盾构隧道5端部之间的密封套61、设置在钢套筒3前端的密封片62，注浆设备的注浆管道63连通密封套61与密封片62之间的区域。

如图10-12所示，步骤5是模拟注浆的过程，其中利用顶推装置4反向抽回钢套筒3，同时在钢套筒3前端进行注浆，钢套筒3抽回过程中，密封套61与密封片62之间的是模型土11与模型盾构隧道5之间的空隙，通过注浆设备将空隙填满。此时对注浆压力、注浆过程中地层中的土压力及地层位移、盾构隧道的变形等进行量测。待钢套筒3前端的密封片62到达模型槽1壁位置时，暂停钢套筒3抽出，等待注浆材料凝固。

如图13所示，步骤6是完成模拟注浆后的处理步骤，其中包括待注浆材料凝固后，再将钢套筒3向后抽出，直到钢套筒3完全脱出模型槽1。利用已施工好的模型盾构隧道5做相关模型试验，包括上部堆载对盾构隧道的影响、地铁列车运营过程中对盾构隧道及期周边环境的影响等。

本实施例具有如下优点：操作简单，所需操作人员少，将盾构掘进施工、盾构隧道管片拼装、同步注浆完全分开，从而可以精细、有序地模拟盾构隧道施工全过程的关键步骤；省去模型盾构机2复杂的装置，节省了模型试验成本；为盾构隧道施工研究提供更加可靠与有效的模型试验方法。

Claims (5)

1.一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，其特征在于，包括一内部填充有模型土的模型槽，用于在所述模型槽内掘进施工的模型盾构机、前端可拆卸的连接所述模型盾构机后端的钢套筒、连接在所述钢套筒后端的顶推装置，所述模型槽包括始发口和接收口，所述接收口设置有凸形盖板；所述精细化模拟装置还包括模型盾构隧道和模拟注浆装置。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，其特征在于，所述模型盾构机前部具有切削土体的刀盘，以及将切削至土舱内的渣土带出的螺旋输送机，所述刀盘和所述螺旋输送机均具有相应的动力装置，且可以对所述动力装置的输出扭矩进行实时量测的测试元件；所述模型盾构隧道的端部设置有端部卡件，所述端部卡件还连接一纵向限位装置。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，其特征在于，所述模拟注浆装置包括密封装置和注浆设备，所述密封装置包括设置在所述接收口外缘与所述模型盾构隧道端部之间的密封套、设置在所述钢套筒前端的密封片，所述注浆设备的注浆管道连通所述密封套与所述密封片之间的区域。

4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，其特征在于，所述模型槽内的模型土中填埋若干测试元件，所述接收口还设置有可拆卸的所述凸形盖板，所述始发口设置有与所述模型槽连接的始发台架，所述接收口设置有与所述模型槽连接的接收台架，所述模型槽内供所述模型盾构机设计通过位置的底部设置有用于引导所述模型盾构机掘进的导向轨。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道施工的精细化模拟装置，其特征在于，所述钢套筒的长度比在所述模型槽内穿越方向的长度大50-80cm，所述模型盾构机、所述钢套筒及所述顶推装置均通过内法兰连接，在开始模拟盾构掘进施工前均设置在所述始发台架上。