CN219416967U - 隧道模型环向加载装置、盾构扩张单元及盾构加载单元 - Google Patents

Abstract

隧道模型环向加载装置、盾构扩张单元及盾构加载单元，隧道模型环向加载装置包括盾构扩张单元和盾构加载单元，其中，盾构扩张单元包括若干可伸缩的环向支撑结构，环向支撑结构包括片1/4圆形管片，1/4圆形管片内壁设有对称的支撑滑道组件；盾构加载单元包括过渡齿，过渡齿的一端连接有多个相互串连的小齿，过渡齿的另一端通过多个相互串连的大齿与头齿相连接；通过施加压力，将盾构加载单元顶入盾构扩张单元腔内，盾构加载单元沿支撑滑道深入，实现盾构实验中盾构隧道的扩张；本实用新型结构合理，安装方便，降低了实验难度。

Description

隧道模型环向加载装置、盾构扩张单元及盾构加载单元

技术领域

本实用新型属于地下隧道施工辅助实验技术领域，特别涉及一种隧道模型环向加载装置、装置的盾构扩张单元及盾构加载单元。

背景技术

近年来，城市地铁的大兴建设使得地下隧道施工越来越频繁。尤其在城市中，地铁的开挖经常会采用盾构施工的方法进行。由于盾构施工工程规模大，地下土层条件复杂，为了地下施工的安全以及减少对地面建筑的影响，盾构施工过程中常常辅助以实验室缩尺试验。在研究隧道开挖对周围土体的影响时，可以忽略隧道自身的变形和沉降，因此可以通过模型隧道的环形加载来模拟盾构挖掘对土体的影响。但是，由于盾构机模型的复杂性，在大缩尺比下，隧道半径较小，加载设备安装较为困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提出了一种隧道模型环向加载装置、盾构扩张单元及盾构加载单元，利用自由扩张半径的盾构预埋管片和直径变化的加载齿，实现盾构实验过程中盾构隧道的扩张，模拟实际施工中注浆和盾尾间隙的形成；安装方便，降低了实验操作难度。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种隧道模型环向加载装置，包括盾构扩张单元32和盾构加载单元31，所述盾构扩张单元32包括若干可伸缩的环向支撑结构1，环向支撑结构1包括多片弧形管片2，弧形管片2内壁设有对称的支撑滑道组件3；所述盾构加载单元31包括过渡齿14，过渡齿14的一端连接有多个相互串连的小齿12，过渡齿14的另一端通过多个相互串连的大齿13与头齿15相连接；通过施加压力将盾构加载单元31顶入盾构扩张单元32腔内，盾构加载单元31沿支撑滑道组件3深入，实现盾构实验中盾构隧道的扩张。

所述弧形管片2两侧通过第一合页7连接有变形连接片6，变形连接片6两端的第一合页7之间连接有伸缩弹簧5，弧形管片2内壁设有支撑滑道组件3，支撑滑道组件3中间设有预应力孔4。

所述支撑滑道组件3包括轴向设置于弧形管片2两侧内壁的主滑道10，两侧的主滑道10之间等距设置有多条备用滑道9；所述主滑道10为两条，备用滑道9为3条，中间的备用滑道9中贯穿有预应力孔4。

所述多片弧形管片2采用4片1/4圆柱状管片。

所述变形连接片6包括通过第二合页8相互连接的两片L形窄片；伸缩弹簧5设有多个，且沿变形连接片6首端、中部、尾端轴向等距分布。

所述小齿12包括第一圆柱齿体16，第一圆柱齿体16一端对称设有第一连接凹槽17，第一圆柱齿体16另一端设有与第一连接凹槽17相适配的第一外凸连接件18；大齿13包括第二圆柱齿体19，第二圆柱齿体19一端对称设有第二连接凹槽20，第二圆柱齿体19另一端设有与第二连接凹槽20相适配的第二外凸连接件21；过渡齿14包括变截面圆柱齿体22，变截面圆柱齿体22的小截面端设有与第一外凸连接件18相适配连接的第三连接凹槽23，变截面圆柱齿体22大截面端设有与第二连接凹槽20相适配连接的第三外凸连接件24，变截面圆柱齿体22小截面端与大截面端之间的圆柱直径小于第一圆柱齿体16直径；头齿15包括第四圆柱齿体25，第四圆柱齿体25一端设有与第三外凸连接件24相适配连接的第四连接凹槽26，第四圆柱齿体25另一端设有圆锥体27。

所述第一至第三外凸连接件结构相同，均包括安装槽28，安装槽28通过固定键29在槽开口处连接有球体30。

基于上述隧道模型环向加载装置的盾构扩张单元，包括若干可伸缩的环向支撑结构1，所述环向支撑结构1包括多片弧形管片2,弧形管片2两侧通过第一合页7连接有变形连接片6，变形连接片6两端的第一合页7之间连接有伸缩弹簧5，弧形管片2内壁设有支撑滑道组件3，支撑滑道组件3中间设有预应力孔4。

基于上述隧道模型环向加载装置的盾构加载单元，包括过渡齿14，过渡齿14的一端连接有多个相互串连的小齿12，过渡齿14的另一端通过多个相互串连的大齿13与头齿15相连接；所述小齿12包括第一圆柱齿体16，第一圆柱齿体16一端对称设有第一连接凹槽17，第一圆柱齿体16另一端设有与第一连接凹槽17相适配的第一外凸连接件18；大齿13包括第二圆柱齿体19，第二圆柱齿体19一端对称设有第二连接凹槽20，第二圆柱齿体19另一端设有与第二连接凹槽20相适配的第二外凸连接件21；过渡齿14包括变截面圆柱齿体22，变截面圆柱齿体22的小截面端设有与第一外凸连接件18相适配连接的第三连接凹槽23，变截面圆柱齿体22大截面端设有与第二连接凹槽20相适配连接的第三外凸连接件24，变截面圆柱齿体22小截面端与大截面端之间的圆柱直径小于第一圆柱齿体16直径；头齿15包括第四圆柱齿体25，第四圆柱齿体25一端设有与第三外凸连接件24相适配连接的第四连接凹槽26，第四圆柱齿体25另一端设有圆锥体27。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型由盾构扩张单元32和盾构加载单元31组成，其中盾构扩张单元32被设计成可以环向扩张的结构形式，并通过弹簧固定其变形。盾构扩张单元32由多个环向支撑结构1组成，每个环向支撑结构代表一节盾构模型管片。每节环向支撑结构之间通过预应力连接，预应力通过预应力孔施加。盾构扩张单元32被提前预埋下实验土体中，通过盾构加载单元31的顶进进行加载和模拟。盾构加载单元31由多个不同直径不同形状的齿拼装而成，齿的大小和形状分布根据实验需要的最大位移和位移曲线确定。不同大小和形状的齿组成了一个特定实验需要的盾构加载单元11，类似于钥匙的结构，随着盾构加载单元31在盾构扩张单元中的顶进可以实现预设的隧道径向变形，其可以模拟的变形包括但不限于盾尾间隙的形成，注浆过程中的隧道周围土体扩张，注浆后的土体稳定收缩，隧道直径的变化，隧道的后期维护拆卸、盾构过程中的土体空腔等。对比传统的盾构模型内部使用千斤顶的加载方式，本实用新型更方便实用。由此可见：

1、本实用新型通过设置盾构扩张单元32能够在小缩尺比条件下完成盾构缩尺模型实验的管片径向加载，方便设备安装，同时方便实验的展开。

2、本实用新型的环向加载方式和加载装置具有灵活多变的特征，可以根据实验需求确定最大加载位移和加载曲线，且不受模型实验缩尺比的影响。

3、本实用新型采用了分段拼装的方式对装置进行组装以及加载，方便实验操作，降低了实验难度。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图；其中，图1(a)是结构收缩状态示意图，图1(b)是结构扩张状态示意图。

图2为本实用新型的盾构扩张单元组装立体图。

图3为本实用新型的盾构扩张单元正视图。

图4为本实用新型的盾构扩张单元侧视图。

图5为本实用新型的环向支撑结构1的剖面图一。

图6为本实用新型的环向支撑结构1剖面图二。

图7为本实用新型的加载单元的结构示意图。

图8为本实用新型的加载单元小齿12的结构示意图。

图9为本实用新型的加载单元大齿13的结构示意图。

图10为本实用新型的加载单元过渡齿14的结构示意图。

图11为本实用新型的加载单元头齿15的结构示意图。

图12为本实用新型的盾构隧道的扩张实验原理图。

图中：1-环向支撑结构，2-弧形管片，3-支撑滑道组件，4-预应力孔，5-伸缩弹簧，6-变形连接片，7-第一合页，8-第二合页，9-备用滑道，10-主滑道，11-L形窄片，12-小齿，14-过渡齿，13-大齿，15-头齿，16-第一圆柱齿体，17-第一连接凹槽，18-第一外凸连接件，19-第二圆柱齿体，20-第二连接凹槽，21-第二外凸连接件，22-变截面圆柱齿体，23-第三连接凹槽，24-第三外凸连接件，25-第四圆柱齿体，26-第四连接凹槽，27-圆锥体，28-安装槽，29-固定键，30-球体，31-盾构加载单元，32-盾构扩张单元，33-实验土体，34-河道。

具体实施方式

以下结合实施例并参照附图，对本实用新型作进一步阐述。

如图1、图4至图7、图12所示，一种隧道模型环向加载装置，包括盾构扩张单元32和盾构加载单元31，所述盾构扩张单元32包括若干可伸缩的环向支撑结构1，环向支撑结构1包括4片1/4圆形管片2，1/4圆形管片2内壁设有对称的支撑滑道组件3；所述盾构加载单元31包括过渡齿14，过渡齿14的一端连接有多个相互串连的小齿12，过渡齿14的另一端通过多个相互串连的大齿13与头齿15相连接；通过施加压力将盾构加载单元31顶入盾构扩张单元32腔内，盾构加载单元31沿支撑滑道组件3深入，实现盾构实验中盾构隧道的扩张。

参见图1至图5所述环向支撑结构1包括弧形管片2,弧形管片2两侧通过第一合页7连接有变形连接片6，变形连接片6两端的第一合页7之间连接有伸缩弹簧5，弧形管片2内壁设有支撑滑道组件3，支撑滑道组件3中间设有预应力孔4。

所述支撑滑道组件3包括轴向设置于弧形管片3两侧内壁的主滑道10，两侧的主滑道10之间等距设置有多条备用滑道9。

所述主滑道10为两条，备用滑道9为3条，中间的备用滑道9中贯穿有预应力孔4。

所述变形连接片6包括通过第二合页8相互连接的两片L形窄片；伸缩弹簧5设有多个，且沿变形连接片6首端、中部、尾端轴向等距分布。

参见图7至图11，所述大齿13的直径大于小齿12的直径，小齿12包括第一圆柱齿体16，第一圆柱齿体16一端对称设有第一连接凹槽17，第一圆柱齿体16另一端设有与第一连接凹槽17相适配的第一外凸连接件18；大齿13包括第二圆柱齿体19，第二圆柱齿体19一端对称设有第二连接凹槽20，第二圆柱齿体19另一端设有与第二连接凹槽20相适配的第二外凸连接件21；过渡齿14包括变截面圆柱齿体22，变截面圆柱齿体22的小截面端设有与第一外凸连接件18相适配连接的第三连接凹槽23，变截面圆柱齿体22大截面端设有与第二连接凹槽20相适配连接的第三外凸连接件24，变截面圆柱齿体22小截面端与大截面端之间的圆柱直径小于第一圆柱齿体16直径；头齿15包括第四圆柱齿体25，第四圆柱齿体25一端设有与第三外凸连接件24相适配连接的第四连接凹槽26，第四圆柱齿体25另一端设有圆锥体27。

所述第一至第三外凸连接件结构相同，均包括安装槽28，安装槽28通过固定键29在槽开口处连接有球体30。

参见图1至图6，基于上述隧道模型环向加载装置的盾构扩张单元，包括若干可伸缩的环向支撑结构1，所述环向支撑结构1包括多片弧形管片2,弧形管片2两侧通过第一合页7连接有变形连接片6，变形连接片6两端的第一合页7之间连接有伸缩弹簧5，弧形管片2内壁设有支撑滑道组件3，支撑滑道组件3中间设有预应力孔4。

参见图7至图11，基于上述隧道模型环向加载装置的盾构加载单元，包括过渡齿14，过渡齿14的一端连接有多个相互串连的小齿12，过渡齿14的另一端通过多个相互串连的大齿13与头齿15相连接；所述小齿12包括第一圆柱齿体16，第一圆柱齿体16一端对称设有第一连接凹槽17，第一圆柱齿体16另一端设有与第一连接凹槽17相适配的第一外凸连接件18；大齿13包括第二圆柱齿体19，第二圆柱齿体19一端对称设有第二连接凹槽20，第二圆柱齿体19另一端设有与第二连接凹槽20相适配的第二外凸连接件21；过渡齿14包括变截面圆柱齿体22，变截面圆柱齿体22的小截面端设有与第一外凸连接件18相适配连接的第三连接凹槽23，变截面圆柱齿体22大截面端设有与第二连接凹槽20相适配连接的第三外凸连接件24，变截面圆柱齿体22小截面端与大截面端之间的圆柱直径小于第一圆柱齿体16直径；头齿15包括第四圆柱齿体25，第四圆柱齿体25一端设有与第三外凸连接件24相适配连接的第四连接凹槽26，第四圆柱齿体25另一端设有圆锥体27。

所述第一至第三外凸连接件结构相同，均包括安装槽28，安装槽28通过固定键29在槽开口处连接有球体30。

本实用新型的工作原理为：

利用第一合页7连接弧形管片2与变形连接片6，形成可变形的圆柱体，伸缩弹簧5连接在变形连接片6两端的第一合页7之间，完成一节盾构扩张单元32的拼装；用预应力钢索串入预应力孔将拼装好的盾构扩张单元，并施加预应力将其拼装成模型隧道，然后固定模型隧道，根据实际土层条件，按照相似比将实验土体33埋入试验场地内，实验土体33上方可以设置河道34模拟河流水文环境，等实验土体33稳定后撤去预应力钢索；

根据实际加载条件，增减大齿13或小齿12的数量，通过相应的连接凹槽与外凸连接件，拼接组装成需要的盾构加载单元31；在拼接组装好的盾构加载单元31尾部设置千斤顶，向前顶入盾构加载单元31，当盾构加载单元31进入到盾构扩张单元结构32内部时，盾构加载单元31与内部支撑滑道组件3接触，并在斜面的作用下给内部支撑滑道组件3施加压力，支撑滑道组件3的压力传递到环向支撑结构1上，引起环向支撑结构1在径向上的扩张，实现了隧道周围土体的径向加载，随着盾构加载单元31的深入，过渡齿14通过环向支撑结构1时，盾构加载单元半径开始减小，在伸缩弹簧5的作用下盾构扩张单元32开始径向缩小，实现了隧道周围土体的径向卸载，用于模拟隧道施工中的盾尾间隙的形成。在经历环向支撑结构1径向缩小后，过渡齿14半径开始增大，再次实现了隧道周围土体的径向加载，用于模拟实际施工过程中的注浆过程；上述只是一种常用的盾构施工过程模拟，对于不同的工况，包括注浆压力的改变、土体空洞的出现等工况可以根据不同需求对盾构加载单元31进行设计和组合，满足不同工况下的实验模拟。

Claims (10)

1.一种隧道模型环向加载装置，包括盾构扩张单元(32)和盾构加载单元(31)，其特征在于：所述盾构扩张单元(32)包括若干可伸缩的环向支撑结构(1)，环向支撑结构(1)包括多片弧形管片(2)，弧形管片(2)内壁设有对称的支撑滑道组件(3)；所述盾构加载单元(31)包括过渡齿(14)，过渡齿(14)的一端连接有多个相互串连的小齿(12)，过渡齿(14)的另一端通过多个相互串连的大齿(13)与头齿(15)相连接；通过施加压力将盾构加载单元顶入盾构扩张单元(32)腔内，盾构加载单元(31)沿支撑滑道组件(3)深入，实现盾构实验中盾构隧道的扩张。

2.根据权利要求1所述的一种隧道模型环向加载装置，其特征在于：所述弧形管片(2)两侧通过第一合页(7)连接有变形连接片(6)，变形连接片(6)两端的第一合页(7)之间连接有伸缩弹簧(5)，弧形管片(2)内壁设有支撑滑道组件(3)，支撑滑道组件(3)中间设有预应力孔(4)。

3.根据权利要求1所述的一种隧道模型环向加载装置，其特征在于：所述支撑滑道组件(3)包括轴向设置于弧形管片(2)两侧内壁的主滑道(10)，两侧的主滑道(10)之间等距设置有多条备用滑道(9)；所述主滑道(10)为两条，备用滑道(9)为3条，中间的备用滑道(9)中贯穿有预应力孔(4)。

4.根据权利要求1所述的一种隧道模型环向加载装置，其特征在于：所述多片弧形管片(2)采用4片1/4圆柱状管片。

5.根据权利要求2所述的一种隧道模型环向加载装置，其特征在于：所述变形连接片(6)包括通过第二合页(8)相互连接的两片L形窄片；伸缩弹簧(5)设有多个，且沿变形连接片(6)首端、中部、尾端轴向等距分布。

6.根据权利要求1所述的一种隧道模型环向加载装置，其特征在于：所述小齿(12)包括第一圆柱齿体(16)，第一圆柱齿体(16)一端对称设有第一连接凹槽(17)，第一圆柱齿体(16)另一端设有与第一连接凹槽(17)相适配的第一外凸连接件(18)；大齿(13)包括第二圆柱齿体(19)，第二圆柱齿体(19)一端对称设有第二连接凹槽(20)，第二圆柱齿体(19)另一端设有与第二连接凹槽(20)相适配的第二外凸连接件(21)；过渡齿(14)包括变截面圆柱齿体(22)，变截面圆柱齿体(22)的小截面端设有与第一外凸连接件(18)相适配连接的第三连接凹槽(23)，变截面圆柱齿体(22)大截面端设有与第二连接凹槽(20)相适配连接的第三外凸连接件(24)，变截面圆柱齿体(22)小截面端与大截面端之间的圆柱直径小于第一圆柱齿体(16)直径；头齿(15)包括第四圆柱齿体(25)，第四圆柱齿体(25)一端设有与第三外凸连接件(24)相适配连接的第四连接凹槽(26)，第四圆柱齿体(25)另一端设有圆锥体(27)。

7.根据权利要求6所述的一种隧道模型环向加载装置，其特征在于：所述第一至第三外凸连接件结构相同，均包括安装槽(28)，安装槽(28)通过固定键(29)在槽开口处连接有球体(30)。

8.基于权利要求1至7任一项所述的隧道模型环向加载装置的盾构扩张单元，包括若干可伸缩的环向支撑结构(1)，其特征在于：所述环向支撑结构(1)包括多片弧形管片(2),弧形管片(2)两侧通过第一合页(7)连接有变形连接片(6)，变形连接片(6)两端的第一合页(7)之间连接有伸缩弹簧(5)，弧形管片(2)内壁设有支撑滑道组件(3)，支撑滑道组件(3)中间设有预应力孔(4)。

9.基于权利要求1至7任一项所述的隧道模型环向加载装置的盾构加载单元，包括过渡齿(14)，其特征在于：过渡齿(14)的一端连接有多个相互串连的小齿(12)，过渡齿(14)的另一端通过多个相互串连的大齿(13)与头齿(15)相连接；所述小齿(12)包括第一圆柱齿体(16)，第一圆柱齿体(16)一端对称设有第一连接凹槽(17)，第一圆柱齿体(16)另一端设有与第一连接凹槽(17)相适配的第一外凸连接件(18)；大齿(13)包括第二圆柱齿体(19)，第二圆柱齿体(19)一端对称设有第二连接凹槽(20)，第二圆柱齿体(19)另一端设有与第二连接凹槽(20)相适配的第二外凸连接件(21)；过渡齿(14)包括变截面圆柱齿体(22)，变截面圆柱齿体(22)的小截面端设有与第一外凸连接件(18)相适配连接的第三连接凹槽(23)，变截面圆柱齿体(22)大截面端设有与第二连接凹槽(20)相适配连接的第三外凸连接件(24)，变截面圆柱齿体(22)小截面端与大截面端之间的圆柱直径小于第一圆柱齿体(16)直径；头齿(15)包括第四圆柱齿体(25)，第四圆柱齿体(25)一端设有与第三外凸连接件(24)相适配连接的第四连接凹槽(26)，第四圆柱齿体(25)另一端设有圆锥体(27)。

10.根据权利要求9所述的隧道模型环向加载装置的盾构加载单元，其特征在于：所述第一至第三外凸连接件结构相同，均包括安装槽(28)，安装槽(28)通过固定键(29)在槽开口处连接有球体(30)。