專利名稱：一種土壓平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壓平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
技術(shù)背景隧道結(jié)構(gòu)施工中的盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)是一個動態(tài)變化的過程，掘削時的許多因 素影響著盾構(gòu)機(jī)周圍土體的穩(wěn)定性。對盾構(gòu)機(jī)在土體中的掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬， 并對盾構(gòu)機(jī)及土體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，確定掘進(jìn)過程中機(jī)體、土體和管片結(jié)構(gòu)三者之間的相互影響關(guān)系；從而為盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與施工，提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 以保障城市地鐵施工的高效、安全進(jìn)行。目前， 一些盾構(gòu)模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭荒苣M原型盾構(gòu)機(jī)的局部功能進(jìn)行試驗(yàn)。 曰本學(xué)者在土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方面進(jìn)行的試驗(yàn)最為豐富，其中以森麟教授 為首的日本早稻田大學(xué)研究小組研制了 (1984) 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)模擬掘進(jìn)裝 置，該裝置為一半截面模型盾構(gòu)機(jī)，由推進(jìn)機(jī)構(gòu)、掘削機(jī)構(gòu)和出土機(jī)構(gòu)組成， 主要研究掘削參數(shù)對前方土體穩(wěn)定性的影響；栗原和夫等(1989)制造的泥水式 模型盾構(gòu)機(jī)用于研究掘削面的穩(wěn)定條件以及地層變形的影響因素；Nomoto等 (1999)制造的微型盾構(gòu)機(jī)裝置以及同濟(jì)大學(xué)(2006)制造的雙殼單螺旋模型盾構(gòu) 用于探求盾構(gòu)地層的適應(yīng)性問題等。上述這些試驗(yàn)設(shè)備研究對象單一，只是對 某一部分性質(zhì)如出土率、土艙壓力等的測試，而其它許多重要參數(shù)如刀盤開口 率、超挖量等并沒有被研究，更沒有考慮盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)后的管片拼裝、盾尾注漿 等施工工藝。并且其試驗(yàn)土槽中的土體充填后，在一次模擬過程中，其土體的 預(yù)埋土壓固定；而要更改土壓必須重新充填土體，進(jìn)行另外一次固定土壓的模 擬。但實(shí)際的隧道施工環(huán)境中，受周圍地層變位及隧道周圍構(gòu)筑物變位的影響， 在隧道施工過程中，土體的壓力等參數(shù)呈變化狀態(tài)。因現(xiàn)有的盾構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)都 不是真正意義上的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，不能方便、真實(shí)有效地模擬出的 城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道施工對地層及周圍環(huán)境的影響，為隧道施工與設(shè)計(jì)提供 更真實(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而嚴(yán)重影響城市盾構(gòu)隧道建設(shè)的高效與安全。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在試驗(yàn)過程中方便地調(diào)節(jié)土體壓力，從而更方便、更真實(shí)有效地模擬出的城市地 鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道施工對地層及周圍環(huán)境的影響，為隧道施工與設(shè)計(jì)提供更真實(shí)、 準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以保障城市盾構(gòu)隧道建設(shè)的高效與安全。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是 一種土壓平衡式盾構(gòu)模擬試 驗(yàn)系統(tǒng)，其組成為上部開口的長方形的土體腔內(nèi)放置模型盾構(gòu)機(jī)，并充填模擬土體，模型盾構(gòu)機(jī)的中軸線與土體腔的中軸線重疊；模擬土體的上面覆蓋一層混凝土墊層，梁通過錨索與土體腔的底部相連；模擬土體內(nèi)還埋有土壓力盒、光柵光纖傳感 器、位移計(jì)，土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計(jì)均與數(shù)據(jù)釆集及處理裝置電 相連；其中的模型盾構(gòu)^L的具體組成為a、 掘土裝置隔板將圓柱形盾殼分隔為前部的土艙和后部的機(jī)艙，隔板中 間通過刀盤軸承安裝刀盤軸，刀盤軸的前端連接刀盤，后端通過機(jī)艙內(nèi)的傳動 齒輪與固定在機(jī)搶上的刀盤電機(jī)相連；b、 螺旋出土器螺旋桿的前部位于土艙內(nèi)刀盤后方，其余部分穿過隔板套 合在機(jī)艙內(nèi)的出土套筒內(nèi)，螺旋桿后端與固定在機(jī)艙上的出土器電機(jī)的電機(jī)軸 相連；出土套筒的前端固定在隔板上，后端固定在機(jī)艙上，出土套筒的后部下 方開有出土孔；c、 推進(jìn)裝置盾殼的機(jī)搶的中后部，周向均勻分布有四個縱向的千斤頂， 且四個千斤頂?shù)姆植佳貦C(jī)搶尾部的垂直軸線對稱。本發(fā)明的試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理與工作過程是在待掘進(jìn)的土體腔內(nèi)的模擬 土體中放置盾構(gòu)機(jī)，通過加載梁下的土壓千斤頂向外頂出，下壓混凝土墊層進(jìn) 而向模擬土體施設(shè)定的壓力，模擬出真實(shí)隧道施工環(huán)境中的實(shí)際的土體壓力。 再在掘進(jìn)控制臺的控制下，模型盾構(gòu)機(jī)完成以下的掘進(jìn)、出土及推進(jìn)過程掘土裝置在刀盤電機(jī)通過傳動齒輪刀盤軸帶動前方出土艙中的刀盤對準(zhǔn) 室內(nèi)模擬土旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)盾構(gòu)機(jī)削土功能的模擬。通過調(diào)節(jié)刀盤電機(jī)的轉(zhuǎn) 速以及調(diào)節(jié)刀盤開口率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)盾構(gòu)機(jī)不同刀盤類型和參數(shù)的模擬。 掘土裝置削下的土，堆積在土艙中。螺旋出土器出土器電機(jī)帶動螺旋桿轉(zhuǎn)動將位于土艙中的泥土旋轉(zhuǎn)、后推進(jìn)入出土套筒中，泥土從出土套筒后部的出土孔處漏出，然后被送出掘出的隧 道外，實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)機(jī)出土功能的模擬。試驗(yàn)中可以替換不同類型、不同內(nèi)徑的 螺旋桿及套筒來模擬不同類型的真實(shí)盾構(gòu)機(jī)的出土器，并通過控制出土器電機(jī) 轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)出土量的控制。推進(jìn)裝置推進(jìn)前，在機(jī)艙內(nèi)的尾部采用模擬隧道的管片拼裝成環(huán)，構(gòu)成的隧道結(jié)構(gòu)，隨著液壓千斤頂?shù)纳斐觯瑢?shí)現(xiàn)模型盾構(gòu)機(jī)的液壓推進(jìn)。該隧道結(jié) 構(gòu)同時在模型盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)對模擬圍巖的支護(hù)。推進(jìn)裝置向前推進(jìn)最 大距離時，機(jī)艙尾部的隧道結(jié)構(gòu)脫環(huán)，即隧道結(jié)構(gòu)尾部相對機(jī)艙位置最遠(yuǎn)；然 后在該脫環(huán)位置處，在機(jī)艙尾部(隧道結(jié)構(gòu)的前部)再用模擬隧道的管片拼裝成 環(huán)構(gòu)成新的一節(jié)隧道結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行下一次的推進(jìn)及脫環(huán)。脫環(huán)、拼裝反復(fù)循環(huán)， 使隧道結(jié)構(gòu)逐節(jié)形成。每次脫環(huán)后，對盾尾外的管片注漿，形成固定的隧道結(jié) 構(gòu)。盾構(gòu)機(jī)在土體內(nèi)實(shí)現(xiàn)掘土、出土、推進(jìn)的模擬施工過程中，試驗(yàn)土體中預(yù) 先埋設(shè)的土壓力盒、光柵光纖傳感器和位移計(jì)，則分別對土體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行 測試土壓力盒用于測試隧道村砌上的作用土壓，光柵光纖傳感器用于測試模 型盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中土體的應(yīng)變或應(yīng)力，位移計(jì)用于測試地層的豎向位移。同 時在掘進(jìn)控制臺上記下對應(yīng)時刻的模型盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，這些參數(shù)包括刀盤 轉(zhuǎn)速、螺旋出土器轉(zhuǎn)速、千斤頂推力、土艙壓力、注漿量等。對這兩類數(shù)據(jù)的 組合分析即可得到施工參數(shù)與地層變位，盾構(gòu)施工參數(shù)如推進(jìn)速度、土艙壓力、 螺旋出土器之間的關(guān)系等的合理匹配，地層擾動情況與襯砌周圍土壓力的關(guān)系、 注漿量對地表地中變形及襯砌周圍土壓力分布的關(guān)系等相關(guān)結(jié)論，再據(jù)以進(jìn)行 盾構(gòu)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工，從而保證隧道施工的高效安全進(jìn)行。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是際的隧道施工環(huán)境中，受周圍地層變位及隧道周圍構(gòu)筑物變位所產(chǎn)生的土壓變 化；并模擬的土壓下，實(shí)現(xiàn)土壓平衡式的盾構(gòu)機(jī)掘削面開挖、出土、推進(jìn)、管 片拼裝和盾尾脫環(huán)的全面、綜合模擬，從而在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場施工的全 過程的動態(tài)逼真模擬。相比于現(xiàn)有同類試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在模擬盾構(gòu)機(jī)施工各 過程中的掘進(jìn)、出土、管片拼裝及盾尾注漿對土體環(huán)境的影響，并且土體壓力可調(diào)，從而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更全面、真實(shí)、可靠，能更好地保障城市地鐵施工的高效、 安全進(jìn)行。下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖l是本發(fā)明實(shí)施例的正視結(jié)構(gòu)示意圖(未畫盾構(gòu)機(jī)的具體結(jié)構(gòu))。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中盾構(gòu)機(jī)的側(cè)視放大結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
為， 一種土壓平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn) 系統(tǒng)，其組成為上部開口的長方形的土體腔20內(nèi)放置模型盾構(gòu)機(jī)40,并充填 模擬土體25,模型盾構(gòu)機(jī)40的中軸線與土體腔20的中軸線重疊；模擬土體25 的上面覆蓋一層混凝土墊層22，混凝土墊層22的上表面通過兩個以上的土壓千 斤頂23與水平加載梁21相連，水平加載梁21通過錨索24與土體腔20的底部 相連；模擬土體25內(nèi)還埋有土壓力盒31、光柵光纖傳感器32、位移計(jì)33; 土 壓力盒31、光柵光纖傳感器32、位移計(jì)33均與數(shù)據(jù)采集及處理裝置相連圖2示出，其中的模型盾構(gòu)機(jī)40的具體組成為a、 掘土裝置隔板2將圓柱形盾殼1分隔為前部的土艙7和后部的機(jī)搶8， 隔板2中間通過刀盤軸承3安裝刀盤軸4，刀盤軸4的前端連接刀盤5,后端通 過機(jī)艙8內(nèi)的傳動齒輪15與固定在機(jī)艙8上的刀盤電機(jī)6相連；b、 螺旋出土器螺旋桿9的前部位于土搶7內(nèi)刀盤5后方，其余部分穿過 隔板2套合在機(jī)搶8內(nèi)的出土套筒11內(nèi)，螺旋桿9后端與固定在機(jī)搶8上的出 土器電機(jī)10的電機(jī)軸相連；出土套筒11的前端固定在隔板2上，后端固定在 機(jī)艙8上，出土套筒11的后部下方開有出土孔12;c、 推進(jìn)裝置盾殼1的機(jī)艙8的中后部，周向均勻分布有四個縱向的千斤 頂13,且四個千斤頂13的分布沿機(jī)艙8尾部的垂直軸線對稱。
權(quán)利要求
1、一種土壓平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成為上部開口的長方形的土體腔(20)內(nèi)放置模型盾構(gòu)機(jī)(40)，并充填模擬土體(25)，模型盾構(gòu)機(jī)(40)的中軸線與土體腔(20)的中軸線重疊；模擬土體(25)的上面覆蓋一層混凝土墊層(22)，混凝土墊層(22)的上表面通過兩個以上的土壓千斤頂(23)與水平加載梁(21)相連，水平加載梁(21)通過錨索(24)與土體腔(20)的底部相連；模擬土體(25)內(nèi)還埋有土壓力盒(31)、光柵光纖傳感器(32)、位移計(jì)(33)；土壓力盒(31)、光柵光纖傳感器(32)、位移計(jì)(33)均與數(shù)據(jù)采集及處理裝置相連；所述的模型盾構(gòu)機(jī)(40)的具體組成為a、掘土裝置隔板(2)將圓柱形盾殼(1)分隔為前部的土艙(7)和后部的機(jī)艙(8)，隔板(2)中間通過刀盤軸承(3)安裝刀盤軸(4)，刀盤軸(4)的前端連接刀盤(5)，后端通過機(jī)艙(8)內(nèi)的傳動齒輪(15)與固定在機(jī)艙(8)上的刀盤電機(jī)(6)相連；b、螺旋出土器螺旋桿(9)的前部位于土艙(7)內(nèi)刀盤(5)后方，其余部分穿過隔板(2)套合在機(jī)艙(8)內(nèi)的出土套筒(11)內(nèi)，螺旋桿(9)后端與固定在機(jī)艙(8)上的出土器電機(jī)(10)的電機(jī)軸相連；出土套筒(11)的前端固定在隔板(2)上，后端固定在機(jī)艙(8)上，出土套筒(11)的后部下方開有出土孔(12)；c、推進(jìn)裝置盾殼(1)的機(jī)艙(8)的中后部，周向均勻分布有四個縱向的千斤頂(13)，且四個千斤頂(13)的分布沿機(jī)艙(8)尾部的垂直軸線對稱。
全文摘要
一種土壓平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，上部開口的長方形的土體腔內(nèi)放置模型盾構(gòu)機(jī)，并充填模擬土體，模型盾構(gòu)機(jī)的中軸線與土體腔的中軸線重疊；模擬土體的上面覆蓋一層混凝土墊層，混凝土墊層的上表面通過兩個以上的土壓千斤頂與水平加載梁相連，水平加載梁通過錨索與土體腔的底部相連；模擬土體內(nèi)還埋有土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計(jì)，土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計(jì)均與數(shù)據(jù)采集及處理裝置電相連。該系統(tǒng)能更方便、更真實(shí)有效地模擬出的城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道施工對地層及周圍環(huán)境的影響，為隧道施工與設(shè)計(jì)提供更真實(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以保障城市盾構(gòu)隧道建設(shè)的高效與安全。
文檔編號E21D9/06GK101403306SQ20081004651
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者川 何, 宋海濱, 勇 方, 晏啟祥, 曾艷華, 萍 耿 申請人:西南交通大學(xué)