專利名稱：一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水下隧道結(jié)構(gòu)形式在我國的交通領(lǐng)域內(nèi)所占比重將會(huì)越來越大，泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)是水下隧道盾構(gòu)法施工的主要設(shè)備。泥水盾構(gòu)機(jī)在水下隧道施工時(shí)，通過在泥水艙內(nèi)形成特定壓力、濃度的泥水回路，在刀盤開挖面形成泥膜，并使開挖面前后壓力差保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，使盾構(gòu)機(jī)能夠在高水壓的水下環(huán)境能順利掘進(jìn)，刀盤開挖面切削泥膜的平衡機(jī)理對開挖面的穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過程具有重要的影響。通過對掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬，對盾構(gòu)機(jī)、 土體和地下水的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，可確定盾構(gòu)機(jī)的泥水平衡機(jī)理，確定掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)和開挖面平衡之間的相互影響關(guān)系，為水下盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考，為盾構(gòu)機(jī)的選型提供依據(jù)。目前國內(nèi)外較具代表性的盾構(gòu)試驗(yàn)設(shè)備裝置有早稻田大學(xué)研制的微型泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)模擬試驗(yàn)裝置，利用該微型試驗(yàn)裝置對早期泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)機(jī)理方面進(jìn)行了研究，但其對泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)的模擬過于簡單，很多條件都無法設(shè)定，尤其對于水壓較高條件下(100米水頭)泥水盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程和平衡機(jī)理難以研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬高水壓的水下隧道施工中采用泥水盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程，并同步記錄土壓、水壓、位移和盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，從而找出與分析泥水壓平衡圍巖的機(jī)理與條件，為水下隧道的施工和泥水盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)提供更可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成為放置土體的模型箱固定于底座上，制冷凍結(jié)裝置與模型箱內(nèi)的凍結(jié)管連通；盾構(gòu)機(jī)的前部經(jīng)過模型箱側(cè)面上的導(dǎo)向套進(jìn)入模型箱，盾構(gòu)機(jī)前部的刀盤通過主軸與液壓動(dòng)力系統(tǒng)的齒輪箱的輸出軸相連；位于盾構(gòu)機(jī)左右兩側(cè)的千斤頂，連接于模型箱和齒輪箱之間；盾構(gòu)機(jī)的刀盤后方設(shè)置有隔板，隔板與刀盤之間的空間構(gòu)成泥水艙；與氣壓加壓裝置相連的泥水罐的注漿管在盾構(gòu)機(jī)機(jī)殼的尾部穿入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，端部固定在隔板上；盾構(gòu)機(jī)內(nèi)下部的螺旋出土器的進(jìn)口伸入泥水艙，出口與盾構(gòu)機(jī)后部下方的沉渣罐相連；沉渣罐則通過壓力管與泥水罐相連；模型箱的上部通過加壓管與氣壓加壓裝置相連；模型箱內(nèi)的土體埋有溫度傳感器、孔隙水壓力計(jì)、位移計(jì)、土壓力盒；溫度傳感器、 孔隙水壓力計(jì)、位移計(jì)、土壓力盒均與數(shù)據(jù)采集裝置連接。本發(fā)明的具體原理和工作過程是
在放置土體的模型箱內(nèi)放置按相似比配置的土體，以模擬不同圍巖。氣壓加壓裝置通過模型箱頂部的加壓管將氣壓壓入模型箱，控制氣壓壓力，可以模擬圍巖承受的不同地下水壓。控制千斤頂?shù)挠透走M(jìn)出油，由千斤頂帶動(dòng)齒輪箱及整個(gè)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的后退和掘進(jìn)，并可控制掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)速度；同時(shí)液壓動(dòng)力系統(tǒng)通過齒輪箱、主軸驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，切削模型箱內(nèi)的土體；刀盤的刀具和開口率能根據(jù)不同的圍巖類別進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)氣壓加壓裝置還向泥水罐施加壓力，使泥水罐內(nèi)的泥水以特定的壓力、濃度通過注漿管向泥水艙內(nèi)灌注泥漿，進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)前方刀盤處，在刀盤切削土體時(shí)，形成泥膜，平衡開挖面的穩(wěn)定；然后切削下來的土體，連同泥漿，經(jīng)過刀盤面板開口，進(jìn)入泥水艙下部，再通過螺旋出土器內(nèi)的螺旋軸的旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)土體向后移動(dòng)，排入到沉渣罐內(nèi)。沉渣罐內(nèi)的泥水再回流到泥水罐內(nèi)，形成泥水的循環(huán)流動(dòng)。這樣即實(shí)現(xiàn)了泥水盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)與切削過程的模擬。待掘進(jìn)到一定位置時(shí)，停止盾構(gòu)機(jī)及刀盤的運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)制冷凍結(jié)裝置，向模型箱內(nèi)的凍結(jié)管輸入液氮，迅速將圍巖及切削面上的泥膜凍結(jié)；然后打開模型箱取出已凍結(jié)固化的圍巖及泥膜；從而可以通過鉆探、切割的方法得到泥膜的形成范圍、厚度等參數(shù)。在試驗(yàn)過程中，模型箱內(nèi)預(yù)先埋設(shè)了溫度傳感器、孔隙水壓力計(jì)、土壓力盒和位移計(jì)，可以分別對土體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試溫度傳感器可測試泥膜和土體的凍結(jié)溫度；孔隙水壓力計(jì)用于測試土體的水壓力，并和加氣壓裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；土壓力盒用于測試開挖土體周邊的土壓力；位移計(jì)用于測試地層的豎向位移。在試驗(yàn)過程中，同時(shí)記錄下各對應(yīng)時(shí)刻的模型盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，包括千斤頂推力，刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋出土器轉(zhuǎn)速、泥水壓力、 泥漿量等。通過分析即可得出這些數(shù)據(jù)與泥膜形狀、厚度的關(guān)系；進(jìn)而得到泥水盾構(gòu)機(jī)的適宜掘進(jìn)參數(shù)，以指導(dǎo)隧道現(xiàn)場施工和盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型參數(shù)優(yōu)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是能完整的實(shí)現(xiàn)泥水盾構(gòu)機(jī)的土層切削面開挖、泥膜平衡開挖面、推進(jìn)、出土等過程的模擬；能模擬并實(shí)時(shí)測出土體的地下水壓力、土壓力、泥水壓力、泥漿量、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)推力，刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)條件；并巧妙地通過凍結(jié)的方式，可以觀察到在特定條件下形成的切削面泥膜的形狀和厚度，進(jìn)而可以得出泥水平衡的機(jī)理及形成條件與影響因素，得出泥水盾構(gòu)機(jī)的適宜掘進(jìn)參數(shù)，能為隧道現(xiàn)場施工和盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型參數(shù)優(yōu)化提供更加真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本發(fā)明的氣壓加壓裝置可以施加100米水頭的水壓力，模型箱、泥水罐、螺旋出土器、刀盤等均為金屬件構(gòu)成，強(qiáng)度大，從而可以實(shí)現(xiàn)100米水頭下隧道的真實(shí)地下水壓力的模擬，滿足絕大多數(shù)地下水環(huán)境的隧道施工條件，對現(xiàn)場的施工具有廣泛的指導(dǎo)意義。上述的齒輪箱的輸入軸與液壓動(dòng)力系統(tǒng)的液壓馬達(dá)相連；液壓馬達(dá)和千斤頂共用一個(gè)液壓油箱，螺旋出土器的螺旋軸與小型電機(jī)相連。這種動(dòng)力結(jié)構(gòu)及傳遞方式既能保證動(dòng)力的有效傳輸，控制方便精確，且其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。上述的模型箱未與盾構(gòu)機(jī)連接的三個(gè)側(cè)面均開有側(cè)門洞，側(cè)門洞通過螺栓與側(cè)門蓋連接；模型箱的頂部開有頂門洞，頂門洞通過螺栓與頂門蓋連接。這樣在停止試驗(yàn)、土體凍結(jié)后，擰松螺栓打開側(cè)門蓋與頂門蓋，即可方便的對圍巖土體及其泥膜厚度進(jìn)行觀察與分析。上述的模型箱的導(dǎo)向套的內(nèi)表面上設(shè)有密封圈。
這樣既能保證盾構(gòu)機(jī)沿著導(dǎo)向套順利的縱向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又能有效的保證模型箱及盾構(gòu)機(jī)與外界的密封，使得泥水艙及模型箱內(nèi)的壓力保持恒定。上述的模型箱的頂部安裝有壓力表；泥水罐的上部也安裝有壓力表。這樣壓力表可測出模型箱與泥水罐內(nèi)的實(shí)際壓力，從而方便對氣壓加壓裝置的輸出壓力進(jìn)行校正。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1是本發(fā)明實(shí)施例的正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的模型箱的放大剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
是，一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成是放置土體的模型箱1固定于底座上2，制冷凍結(jié)裝置4與模型箱1內(nèi)的凍結(jié)管5連通；盾構(gòu)機(jī)6的前部經(jīng)過模型箱1側(cè)面上的導(dǎo)向套7進(jìn)入模型箱1，盾構(gòu)機(jī)6前部的刀盤9通過主軸8與液壓動(dòng)力系統(tǒng)10的齒輪箱12的輸出軸相連；位于盾構(gòu)機(jī)6左右兩側(cè)的千斤頂11，連接于模型箱1和齒輪箱12之間；盾構(gòu)機(jī)6的刀盤9后方設(shè)置有隔板31，隔板31與刀盤9之間的空間構(gòu)成泥水艙； 與氣壓加壓裝置相連的泥水罐13的注漿管14在盾構(gòu)機(jī)6機(jī)殼的尾部穿入盾構(gòu)機(jī)6內(nèi)部， 端部固定在隔板31上；盾構(gòu)機(jī)6內(nèi)下部的螺旋出土器17的進(jìn)口伸入泥水艙，出口與盾構(gòu)機(jī) 6后部下方的沉渣罐18相連；沉渣罐18則通過壓力管37與泥水罐13相連；模型箱1的上部通過加壓管38與氣壓加壓裝置相連；圖2示出，模型箱1內(nèi)的土體埋有溫度傳感器19、孔隙水壓力計(jì)20、位移計(jì)21、土壓力盒22 ；溫度傳感器19、孔隙水壓力計(jì)20、位移計(jì)21、土壓力盒22均與數(shù)據(jù)采集及控制
裝置連接。圖1還示出，本例的齒輪箱12的輸入軸與液壓動(dòng)力系統(tǒng)10的液壓馬達(dá)35相連； 液壓馬達(dá)35和千斤頂11共用一個(gè)液壓油箱34，螺旋出土器17的螺旋軸與小型電機(jī)32相連。模型箱1未與盾構(gòu)機(jī)6連接的三個(gè)側(cè)面均開有側(cè)門洞，側(cè)門洞通過螺栓與側(cè)門蓋 M連接；模型箱1的頂部開有頂門洞，頂門洞通過螺栓與頂門蓋26連接。模型箱1的導(dǎo)向套7的內(nèi)表面上設(shè)有密封圈。模型箱1的頂部安裝有壓力表36 ；泥水罐13的上部也安裝有壓力表36。
權(quán)利要求
1.一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成是放置土體的模型箱(1)固定于底座上O)，制冷凍結(jié)裝置(4)與模型箱(1)內(nèi)的凍結(jié)管 (5)連通；盾構(gòu)機(jī)(6)的前部經(jīng)過模型箱(1)側(cè)面上的導(dǎo)向套(7)進(jìn)入模型箱(1)，盾構(gòu)機(jī)(6)前部的刀盤(9)通過主軸(8)與液壓動(dòng)力系統(tǒng)(10)的齒輪箱(12)的輸出軸相連；位于盾構(gòu)機(jī)(6)左右兩側(cè)的千斤頂(11)，連接于模型箱(1)和齒輪箱(1 之間；盾構(gòu)機(jī)(6)的刀盤(9)后方設(shè)置有隔板(31)，隔板(31)與刀盤(9)之間的空間構(gòu)成泥水艙；與氣壓加壓裝置相連的泥水罐(1 的注漿管(14)在盾構(gòu)機(jī)(6)機(jī)殼的尾部穿入盾構(gòu)機(jī)(6)內(nèi)部，端部固定在隔板(31)上；盾構(gòu)機(jī)(6)內(nèi)下部的螺旋出土器(17)的進(jìn)口伸入泥水艙，出口與盾構(gòu)機(jī)(6)后部下方的沉渣罐(18)相連；沉渣罐(18)則通過壓力管(37) 與泥水罐(13)相連；模型箱(1)的上部通過加壓管(38)與氣壓加壓裝置相連；模型箱(1)內(nèi)的土體中埋有溫度傳感器(19)、孔隙水壓力計(jì)00)、位移計(jì)、土壓力盒0 ；溫度傳感器(19)、孔隙水壓力計(jì)(20)、位移計(jì)(21)、土壓力盒0 均與數(shù)據(jù)采集及控制裝置連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的齒輪箱(1 的輸入軸與液壓動(dòng)力系統(tǒng)(10)的液壓馬達(dá)(3 相連；液壓馬達(dá)(3 和千斤頂 (11)共用一個(gè)液壓油箱(34)，螺旋出土器(17)的螺旋軸與小型電機(jī)(32)相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的模型箱(1)未與盾構(gòu)機(jī)(6)連接的三個(gè)側(cè)面均開有側(cè)門洞，側(cè)門洞通過螺栓與側(cè)門蓋04)連接；模型箱⑴的頂部開有頂門洞，頂門洞通過螺栓與頂門蓋06)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的模型箱(1)的導(dǎo)向套(7)的內(nèi)表面上設(shè)有密封圈07)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的模型箱(1)的頂部安裝有壓力表(36)；泥水罐(13)的上部也安裝有壓力表(36)。
全文摘要
一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成是放置土體的模型箱固定于底座上，制冷凍結(jié)裝置與模型箱內(nèi)的凍結(jié)管連通；盾構(gòu)機(jī)的前部經(jīng)過模型箱側(cè)面上的導(dǎo)向套進(jìn)入模型箱，盾構(gòu)機(jī)前部的刀盤通過主軸與液壓動(dòng)力系統(tǒng)的齒輪箱的輸出軸相連；位于盾構(gòu)機(jī)左右兩側(cè)的千斤頂，連接于模型箱和齒輪箱之間；盾構(gòu)機(jī)的刀盤后方的隔板與刀盤之間的空間構(gòu)成泥水艙；與氣壓加壓裝置相連的泥水罐的注漿管在盾構(gòu)機(jī)機(jī)殼的尾部穿入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部。該系統(tǒng)可以模擬高水壓的水下隧道施工中采用泥水盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程，并同步記錄土壓、水壓、位移和盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，從而找出與分析泥水壓平衡圍巖的機(jī)理與條件，為水下隧道的施工和泥水盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)提供更可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
文檔編號G01M99/00GK102221474SQ201110047669
公開日2011年10月19日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者何川, 吳林, 夏煒洋, 方勇, 汪波, 齊春 申請人:西南交通大學(xué)