[实用新型]一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置。

背景技术

隧道结构施工中的盾构机的掘进是一个动态变化的过程，掘削时的许多因素影响着盾构机周围土体的稳定性。对盾构机在土体中的掘进过程进行模拟，并对盾构机及土体的相关参数进行测试，确定掘进过程中机体、土体和管片结构三者之间的相互影响关系；从而为盾构隧道的设计与施工，提供实验数据，以保障城市地铁施工的高效、安全进行。

目前，一些土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置只能模拟盾构机原型局部过程进行试验。日本学者在土压平衡式盾构机掘进方面进行的试验最为丰富，其中以森麟教授为首的日本早稻田大学研究小组研制了(1984)土压平衡式盾构机模拟掘进装置，该装置为一半截面模型盾构机，由推进机构、掘削机构和出土机构组成，主要研究掘削参数对前方土体稳定性的影响；栗原和夫等(1989)制造的泥水式模型盾构机用于研究掘削面的稳定条件以及地层变形的影响因素；Nomoto等(1999)制造的微型盾构机装置以及同济大学(2006)制造的双壳单螺旋模型盾构用于探求盾构地层的适应性问题等。上述这些试验设备研究对象单一，只是对某一部分性质如出土率、土舱压力等的测试，而其它许多重要参数如刀盘开口率、超挖量等并没有被研究，更没有考虑盾构机推进后的管片拼装、盾尾注浆等施工工艺。并且其试验土槽中的土体充填后，在一次模拟过程中，其土体的预埋土压固定；而要更改土压必须重新充填土体，进行另外一次固定土压的模拟。但实际的隧道施工环境中，受周围地层变位及隧道周围构筑物变位的影响，在隧道施工过程中，土体的压力等参数呈变化状态。因现有的盾构试验系统都不是真正意义上的盾构机掘进模拟试验系统，不能方便、真实有效地模拟出的城市地铁区间盾构隧道施工对地层及周围环境的影响，为隧道施工与设计提供更真实、准确的实验数据，从而严重影响城市盾构隧道建设的高效与安全。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置，该试验装置能在试验过程中方便地调节土体压力，从而更方便、更真实有效地模拟出的城市地铁区间盾构隧道施工对地层及周围环境的影响，为隧道施工与设计提供更真实、准确的实验数据。以保障城市盾构隧道建设的高效与安全。

本实用新型实现其实用新型目的所采用的技术方案是：一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置，其组成为：

上部开口的长方形的土体腔内放置模型盾构机，并充填模拟土体，模型盾构机的中轴线与土体腔的中轴线重叠；模拟土体的上面覆盖一层混凝土垫层，混凝土垫层的上表面通过两个以上的土压千斤顶与水平加载梁相连，水平加载梁通过锚索与土体腔的底部相连；模拟土体内还埋有土压力盒、光栅光纤传感器、位移计，土压力盒、光栅光纤传感器、位移计均与数据采集及处理装置电相连；

其中的模型盾构机的具体组成为：

a、掘土装置隔板将圆柱形盾壳分隔为前部的土舱和后部的机舱，隔板中间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴的前端连接刀盘，后端通过机舱内的传动齿轮与固定在机舱上的刀盘电机相连；

b、螺旋出土器螺旋杆的前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与固定在机舱上的出土器电机的电机轴相连；出土套筒的前端固定在隔板上，后端固定在机舱上，出土套筒的后部下方开有出土孔；

c、推进装置盾壳的机舱的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶，且四个千斤顶的分布沿机舱尾部的垂直轴线对称。

本实用新型的试验系统的工作原理与工作过程是：在待掘进的土体腔内的模拟土体中放置盾构机，通过加载梁下的土压千斤顶向外顶出，下压混凝土垫层进而向模拟土体施设定的压力，模拟出真实隧道施工环境中的实际的土体压力。再在掘进控制台的控制下，模型盾构机完成以下的掘进、出土及推进过程：

掘土装置：在刀盘电机通过传动齿轮刀盘轴带动前方出土舱中的刀盘对准室内模拟土旋转，实现对真实盾构机削土功能的模拟。通过调节刀盘电机的转速以及调节刀盘开口率等参数，实现对真实盾构机不同刀盘类型和参数的模拟。掘土装置削下的土，堆积在土舱中。

螺旋出土器：出土器电机带动螺旋杆转动将位于土舱中的泥土旋转、后推进入出土套筒中，泥土从出土套筒后部的出土孔处漏出，然后被送出掘出的隧道外，实现对盾构机出土功能的模拟。试验中可以替换不同类型、不同内径的螺旋杆及套筒来模拟不同类型的真实盾构机的出土器，并通过控制出土器电机转速来实现出土量的控制。