一種土壓平衡式盾構模擬試驗系統技術方案

一種土壓平衡式盾構模擬試驗系統，上部開口的長方形的土體腔內放置模型盾構機，并充填模擬土體，模型盾構機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；模擬土體內還埋有土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計，土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計均與數據采集及處理裝置電相連。該系統能更方便、更真突有效地模擬出的城市地鐵區間盾構隧道施工對地層及周圍環境的影響，為隧道施工與設計提供更真實、準確的實驗數據。以保障城市盾構隧道建設的高效與安全。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種土壓平衡式盾構模擬試驗系統。
技術介紹
隧道結構施工中的盾構機的掘進是一個動態變化的過程，掘削時的許多因素影響著盾構機周圍土體的穩定性。對盾構機在土體中的掘進過程進行模擬，并對盾構機及土體的相關參數進行測試，確定掘進過程中機體、土體和管片結構三者之間的相互影響關系；從而為盾構隧道的設計與施工，提供實驗數據，以保障城市地鐵施工的高效、安全進行。目前，一些盾構模擬試驗模型只能模擬原型盾構機的局部功能進行試驗。日本學者在土壓平衡式盾構機掘進方面進行的試驗最為豐富，其中以森麟教授為首的日本早稻田大學研究小組研制了(1984) 土壓平衡式盾構機模擬掘進裝置，該裝置為一半截面模型盾 構機，由推進機構、掘削機構和出土機構組成，主要研究掘削參數對前方土體穩定性的影響；栗原和夫等(1989)制造的泥水式 模型盾構機用于研究掘削面的穩定條件以及地層變形的影響因素Aomoto等 (1999)制造的微型盾構機裝置以及同濟大學(2006)制造的雙殼單螺旋模型盾構 用于探求盾構地層的適應性問題等。上述這些試驗設備研究對象單一，只是對 某一部分性質如出土率、土熗壓力等的測試，而其它許多重要參數如刀盤開口 率、超挖量等并沒有被研究，更沒有考慮盾構機推進后的管片拼裝、盾尾注漿 等施工工藝。并且其試驗土槽中的土體充填后，在一次模擬過程中，其土體的 預埋土壓固定；而要更改土壓必須重新充填土體，進行另外一次固定土壓的模 擬。但實際的隧道施工環境中，受周圍地層變位及隧道周圍構筑物變位的影響， 在隧道施工過程中，土體的壓力等參數呈變化狀態。因現有的盾構試驗系統都 不是真正意義上的盾構機掘進模擬試驗系統，不能方便、真實有效地模擬出的 城市地鐵區間盾構隧道施工對地層及周圍環境的影響，為隧道施工與設計提供 更真實、準確的實驗數據，從而嚴重影響城市盾構隧道建設的高效與安全。
技術實現思路
本專利技術的目的就是提供一種土壓平衡式盾構機模擬試驗系統，該系統能在試驗過程中方便地調節土體壓力，從而更方便、更真實有效地模擬出的城市地鐵區間盾構隧道施工對地層及周圍環境的影響，為隧道施工與設計提供更真實、準確的實驗數據。以保障城市盾構隧道建設的高效與安全。本專利技術實現其專利技術目的所采用的技術方案是一種土壓平衡式盾構模擬試驗系統，其組成為 上部開口的長方形的土體腔內放置模型盾構機，并充填模擬土體，模型盾構機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頇與水平加載梁相連，水平加載梁通過錨索與土體腔的底部相連；模擬土體內還埋有土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計，土壓力盒、光柵光纖傳感器、位移計均與數據采集及處理裝置電相連； 其中的模型盾構機的具體組成為 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，后端通過機艙內的傳動齒輪與固定在機艙上的刀盤電機相連； b、螺旋出土器螺旋桿的前部位于土艙內刀盤后方，其余部分穿過隔板套合在機艙內的出土套筒內，螺旋桿后端與固定在機艙上的出土器電機的電機軸相連；出土套筒的前端固定在隔板上，后端固走在機艙上，出土套筒的后部下方開有出土孔； C、推進裝置盾殼的機艙的中后部，周向均勻分布有四個縱向的千斤頂且四個千斤頂的分布沿機艙尾部的垂直軸線對稱。本專利技術的試驗系統的工作原理與工作過程是在待掘進的土體腔內的模擬土體中 放置盾構機，通過加載梁下的土壓千斤頂向外頂出，下壓混凝土墊層進而向模擬土體施設定的壓力，模擬出真實隧道施工環境中的實際的土體壓力。再在掘進控制臺的控制下，模型盾構機完成以下的掘進、出土及推進過程 掘土裝置在刀盤電機通過傳動齒輪刀盤軸帶動前方出土艙中的刀盤對準室內模擬土旋轉，實現對真實盾構機削土功能的模擬。通過調節刀盤電機的轉速以及調節刀盤開口率等參數，實現對真實盾構機不同刀盤類型和參數的模擬。掘土裝置削下的土，堆積在土艙中。螺旋出土器出土器電機帶動螺旋桿轉動將位于土艙中的泥土旋轉、后推進入出土套筒中，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，實現對盾構機出土功能的模擬。試驗中可以替換不同類型、不同內徑的螺旋桿及套筒來模擬不同類型的真實盾構機的出土器，并通過控制出土器電機轉速來實現出土量的控制。推進裝置推進前，在機艙內的尾部采用模擬隧道的管片拼裝成環，構成隧道結構；機艙中后部上均勻分布的四個縱向的千斤頂的后端頂住機艙內尾部的隧道結構，隨著液壓千斤頂的伸出，實現模型盾構機的液壓推進。該隧道結構同時在模型盾構機推進過程中實現對模擬圍巖的支護。推進裝置向前推進最大距離時，機艙尾部的隧道結構脫環，即隧道結構尾部相對機艙位置最遠；然后在該脫環位置處，在機艙尾部(隧道結構的前部)再用模擬隧道的管片拼裝成環構成新的一節隧道結構，再進行下一次的推進及脫環。脫環、拼裝反復循環，使隧道結構逐節形成。每次脫環后，對盾尾外的管片注漿，形成固定的隧道結構。盾構機在土體內實現掘土、出土、推進的模擬施工過程中，試驗土體中預先埋設的土壓力盒、光柵光纖傳感器和位移計，則分別對土體的相關參數進行測試土壓力盒用于測試隧道襯砌上的作用土壓，光柵光纖傳感器用于測試模型盾構杌掘進過程中土體的應變或應力，位移計用于測試地層的豎向位移。同時在掘進控制臺上記下對應時刻的模型盾構機的掘進參數，這些參數包括刀盤轉速、螺旋出土器轉速、千斤頂推力、土艙壓力、注漿量等。對這兩類數據的組合分析即可得到施工參數與地層變位，盾構施工參數如推進速度、土艙壓力、螺旋出土器之間的關系等的合理匹配，地層擾動情況與襯砌周圍土壓力的關系、注漿量對地表地中變形及襯砌周圍土壓力分布的關系等相關結論，再據以進行盾構隧道工程的設計與施工，從而保證隧道施工的高效安全進行。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是 模擬土體的壓力可以方便地通過土壓千斤頂進行調整，從而真實模擬出實際的隧道施工環境中，受周圍地層變位及隧道周圍構筑物變位所產生的土壓變化；并模擬的土壓下，實現土壓平衡式的盾構機掘削面開挖、出土、推進、管片拼裝和盾尾脫環的全面、綜合模擬，從而在室內實現了盾構機現場施工的全過程的動態逼真模擬。相比于現有同類試驗系統，該系統在模擬盾構機施工各過程中的掘進、出土、管片拼裝及盾尾注漿對土體環境的影響，并且土體壓力可調，從而實驗數據更全面、真實、可靠，能更好地保障城市地鐵施工的高效、安全進行。下面結合附圖和具體的實施方式對本專利技術作進一步的詳細說明。附圖說明 圖I是本專利技術實施例的正視結構示意圖(未畫盾構機的具體結構)。圖2是本專利技術實施例中盾構機的側視放大結構示意圖。具體實施例方式圖I示出，本專利技術的一種具體實施方式為，一種土壓平衡式盾構模擬試驗 系統，其組成為上部開口的長方形的土體腔2 O內放置模型盾構機4 0，并充填 模擬土體2 5，模型盾構機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2 5內還埋有土壓力盒31、光柵光纖傳感器32、位移計3 3 ;土 壓力盒31、光本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種土壓平衡式盾構模擬試驗系統，其組成為：？？？？上部開口的長方形的土體腔(20)內放置模型盾構機(40)，并充填模擬土體(25)，模型盾構機(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(2？3)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)內還埋有土壓力盒(31)、光柵光纖傳感器(？32)、位移計(3？3)；土壓力盒(31)、光柵光纖傳感器(32)、位移計(？33)均與數據采集及處理裝置相連；？？？？所述的模型盾構機(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)，后端通過機艙(8)內的傳動齒輪(15)與固定在機艙(8)上的刀盤電機(6)相連；？？？？b、螺旋出土器？？螺旋桿(9)的前部位于土艙(7)內刀盤(5)后方，其余部分穿過隔板(2)套合在機艙(8)內的出土套筒(11)內，螺旋桿(9)后端與固定崔機艙(8)上的出土器電機(10)的電機軸相連；出土套筒(11)的前端固定在隔板(2)上，后端固定在機艙(8)上，出土套筒(II)的后部下方開有出土孔(？12)；？？？？c、推進裝置盾殼(1)的機艙(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)的分布沿機艙(8)尾部的垂直軸線對稱。...

【技術特征摘要】
1.一種土壓平衡式盾構模擬試驗系統，其組成為 上部開口的長方形的土體腔(20)內放置模型盾構機(40)，并充填模擬土體(25)，模型盾構機(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(2 3)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)內還埋有土壓力盒(31)、光柵光纖傳感器(32)、位移計(3 3) ;土壓力盒(31)、光柵光纖傳感器(32)、位移計(33)均與數據采集及處理裝置相連； 所述的模型盾構機(40)的具體組成為 a、掘土裝置隔板(2)將圓柱形盾殼(I)分隔為前...

【專利技術屬性】
技術研發人員：不公告發明人，
申請(專利權)人：上海日浦信息技術有限公司，
類型：發明
國別省市：