[实用新型]用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

物理模拟试验是以相似理论为基础，在配制相似材料的基础上，通过对模型试件加载、开挖、支护、监测等，通过缩尺的模型研究地下隧洞、厂房的破坏、稳定性问题，利用试验结果对现场的施工进行指导的一种研究方法，与室内试验、数值分析和现场监测共同构成了岩土工程的四种研究方法。模型的材料性质、试件构造特征、加载方法、开挖方法等与原型越相似，试验结果的可靠性越高，可供工程人员的借鉴性就越大。

模型试验中隧洞的开挖主要有四种方法：

(1) 制作试件时在指定位置预埋与开挖洞形一致的柱体，待试件干燥后拔出柱体使隧洞一次成型，再加载。

(2) 制作试件时在指定位置预埋与开挖洞形一致的柱体，柱体由数小段组成，力学性质（如弹模）尽量与试件一致，试件干燥后加载至初始应力，再将预埋的小段柱体依次顶出，模拟分段开挖。

(3) 将制作的试件干燥后加载至初始应力，在预定位置手动开挖出一定形状的隧洞。

(4) 将制作的试件干燥后加载至初始应力，在预定位置利用钻机或小型开挖设备机械开挖出指定形状的隧洞。

以上四种开挖方式主要存在以下缺点：

(1) 先开孔后加载的方式虽然成洞效果较好但与实际开挖过程不相符，现场的开挖施工是在原岩应力场中进行的，因此这种方法不能很好的模拟洞室开挖过程和应力重分布特征。

(2) 加载后依次顶出预埋的小圆柱块模拟分步开挖的方法需要使小圆柱块的变形与试件变形相协调、一致，柱体不能影响试件的变形，且高压力下也不易顶出。

(3) 手动开挖的方法对简单的试验过程是可行的，但当开挖隧洞较长、存在隐蔽开挖时，在狭小的空间内手动开挖困难较大。

(4) 采用钻机或微型开挖设备开挖时省时省力、效率较高，但采用的简易机械开挖方法与现场机械开挖中的刀盘破岩机理、岩-机相互作用等还存在较大差别，无法做到准确模拟。

TBM隧洞掘进机已经被广泛应用到隧道、深埋硬岩隧洞的开挖中，刀盘对掌子面岩体的巨大推力、撑靴对围岩强大支撑作用等均对岩爆的发生产生抑制作用，因此研制一套结构简单但又可以准确模拟刀盘破岩过程，可充分考虑刀盘、护盾和撑靴与岩体的相互作用，从而研究TBM开挖速率、刀盘推力、扭矩、撑靴压力、护盾压力与岩爆的相互作用机制，是提高开挖效率和模拟结果的科学性和准确性的必要条件。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于物理模拟试验隧洞开挖的能够综合考虑刀盘破岩过程相似性以及刀盘、护盾和撑靴与岩体之间复杂的岩-机相互作用的微型TBM开挖系统。 

为了实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，所述的微型TBM开挖系统由刀盘，护盾，撑靴，传动轴，拉力千斤顶，导轨，电机，底座，支撑台架组成，所述的支撑台架上沿长度方向对称设置有导轨，底座活动的置于导轨上，拉力千斤顶一端固定连接在支撑台架一侧，拉力千斤顶的活塞端头固定连接在底座上，拉力千斤顶的轴线平行于导轨，位于支撑台架的中心线上，电机固定安装在底座上方，电机的转轴和传动轴一端通过法兰连接，传动轴的轴线与拉力千斤顶的轴线平行且位于同一竖直平面内，传动轴的另一端套装有护盾，护盾和传动轴固定连接，传动轴的端头固定安装有刀盘，刀盘直径与护盾外径相等，撑靴活动的套装在传动轴上。

所述的撑靴由靴套，千斤顶，撑靴臂构成，靴套呈空心圆柱状，千斤顶对称设置在靴套两侧，千斤顶的活塞端头固定安装有撑靴臂，撑靴臂呈弧形状。

所述的刀盘为圆形，刀盘端面中央过圆心沿径向布置有一条鱼尾刀，鱼尾刀两侧对称镶嵌两个以上合金齿，刀盘上开有出渣孔，出渣孔轴线平行于传动轴。

所述的护盾靠近刀盘一端为圆环形中空结构，另一端面上中心四周对称开有等直径的圆孔。