[发明专利]一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置及方法

说明书

本发明提供了一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置及方法，装置包括模型箱、螺旋丝杆和伺服电机，模型箱内设置有模型隧道，模型隧道的表面固定设置有液囊，液囊连接有排液管，排液管设置在液囊的末端，液囊外套设有套箍环片，螺旋丝杆上套设有拉索连接板，拉索连接板内侧设置有内螺纹，套箍环片和拉索连接板之间设置有拉索，拉索的两端分别与套箍环片和拉索连接板固定连接，螺旋丝杆的前端与模型箱旋转连接，螺旋丝杆的后端与伺服电机的输出轴固定连接；螺旋丝杆的外侧套设有张拉套筒，张拉套筒与拉索连接板相互固定。本发明在模型试验中应用有助于研究盾构扰动的机理问题。

技术领域

本发明涉及盾构开挖模拟试验的技术领域，更具体地，涉及一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置及方法。

背景技术

随着城市建设的发展步伐逐渐加快，地面交通已经越来越无法满足人们的出行需求，因此，寻求地下空间的开发利用已成为解决城市交通压力的重要途经。经过数十年的发展，地铁建设技术日趋成熟。在地铁隧道施工中，常用的施工方法有明挖法、盖挖法、盾构法等等，其中盾构法以其施工扰动范围小、施工速度快、不受埋深限制等优点成为城市地铁隧道施工最主要的方法。盾构施工方法是利用盾构机在预先开挖好的工作井内始发，在盾构机壳体的保护下进行掘进，并拼装隧道管片，从而集开挖、支护、出渣于一体，可以实现隧道的一次成型。

虽然盾构施工相比于明挖等敞开式施工对周围地层的扰动大大降低，但依然会造成地层的扰动，从而使周围土体产生变形。为了研究这一问题，通常将盾构施工扰动简化为地层损失，通过开展模型试验对盾构施工造成周围土体及地表变形的问题进行研究。现有模拟地层损失的试验手段主要有排液法和拖拽法，其中排液法是指预先在隧道周围设置一节节的液囊，通过控制阀门使液体逐次流出模拟地层损失的方法；拖拽法是指在隧道周围预先套一层套筒，套筒的厚度取决于预定的地层损失率，通过将外部套筒逐渐抽出模拟地层的损失。

虽然排液法和拖拽法可以在一定程度上模拟地层的损失，但与实际盾构施工原理仍有差异。在实际中，盾构施工对地层的扰动主要有两方面，一方面是盾构超挖和盾尾脱出造成的地层损失，另一方面是盾构机外壳受顶进而造成的与周边土体的摩擦作用。当前的试验手段仅能考虑单一情况，对地层损失和盾构机外壳摩擦的耦合作用效果考虑不足，这大大限制了对盾构施工对周边地层扰动问题的机理层面的研究能力。

因此，现有技术中亟需一种能够有效模拟盾构掘进施工中的地层损失和盾构机外壳与土之间摩擦的耦合作用，更为贴合实际，可用于深入分析盾构施工对周边地层扰动的机理问题的技术方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置，包括模型箱、螺旋丝杆和伺服电机，所述模型箱内设置有模型隧道，所述模型隧道的表面固定设置有液囊，所述液囊连接有排液管，所述液囊外套设有套箍环片，所述螺旋丝杆上套设有拉索连接板，所述拉索连接板内侧设置有内螺纹，所述套箍环片和所述拉索连接板之间设置有拉索，所述拉索的两端分别与所述套箍环片和所述拉索连接板固定连接，所述螺旋丝杆的前端与所述模型箱旋转连接，所述螺旋丝杆的后端与所述伺服电机的输出轴固定连接；所述螺旋丝杆的外侧套设有张拉套筒，所述张拉套筒与所述拉索连接板相互固定。

所述模型隧道的两端通过法兰盘与所述模型箱固定连接，所述拉索贯穿所述模型隧道末端的法兰盘。

所述拉索连接板的外沿设置有限位槽，所述张拉套筒的内侧设置有限位条。

所述螺旋丝杆的前端套设有前滚动轴承，所述前滚动轴承与所述模型箱连接，所述拉索贯穿所述前滚动轴承。

所述螺旋丝杆的后端还设置有后滚动轴承。

所述张拉套筒下方设置有张拉区底板，所述张拉套筒的末端还设置有张拉区面板，所述张拉区面板套设在所述后滚动轴承外。