一种泥水平衡式盾构模拟试验系统

1.一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其组成是：
放置土体的模型箱(1)固定于底座上(2)，制冷冻结装置(4)与模型箱(1)内的冻结管(5)连通；
盾构机(6)的前部经过模型箱(1)侧面上的导向套(7)进入模型箱(1)，盾构机(6)前部的刀盘(9)通过主轴(8)与液压动力系统(10)的齿轮箱(12)的输出轴相连；位于盾构机(6)左右两侧的千斤顶(11)，连接于模型箱(1)和齿轮箱(12)之间；
盾构机(6)的刀盘(9)后方设置有隔板(31)，隔板(31)与刀盘(9)之间的空间构成泥水舱；与气压加压装置相连的泥水罐(13)的注浆管(14)在盾构机(6)机壳的尾部穿入盾构机(6)内部，端部固定在隔板(31)上；盾构机(6)内下部的螺旋出土器(17)的进口伸入泥水舱，出口与盾构机(6)后部下方的沉渣罐(18)相连；沉渣罐(18)则通过压力管(37)与泥水罐(13)相连；
模型箱(1)的上部通过加压管(38)与气压加压装置相连；
模型箱(1)内的土体中埋有温度传感器(19)、孔隙水压力计(20)、位移计(21)、土压力盒(22)；温度传感器(19)、孔隙水压力计(20)、位移计(21)、土压力盒(22)均与数据采集及控制装置连接；
所述的齿轮箱(12)的输入轴与液压动力系统(10)的液压马达(35)相连；液压马达(35)和千斤顶(11)共用一个液压油箱(34)，螺旋出土器(17)的螺旋轴与小型电机(32)相连。
2.如权利要求1所述的一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其特征在于：所述的模型箱(1)未与盾构机(6)连接的三个侧面均开有侧门洞，侧门洞通过螺栓与侧门盖(24)连接；模型箱(1)的顶部开有顶门洞，顶门洞通过螺栓与顶门盖(26)连接。
3.如权利要求1所述的一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其特征在于：所述的模型箱(1)的导向套(7)的内表面上设有密封圈(27)。
4.如权利要求1所述的一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其特征在于：所述的模型箱(1)的顶部安装有压力表(36)；泥水罐(13)的上部也安装有压力表(36)。

一种泥水平衡式盾构模拟试验系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种泥水平衡式盾构模拟试验系统。\n背景技术\n[0002] 水下隧道结构形式在我国的交通领域内所占比重将会越来越大，泥水平衡式盾构机是水下隧道盾构法施工的主要设备。泥水盾构机在水下隧道施工时，通过在泥水舱内形成特定压力、浓度的泥水回路，在刀盘开挖面形成泥膜，并使开挖面前后压力差保持在设定的范围内，使盾构机能够在高水压的水下环境能顺利掘进，刀盘开挖面切削泥膜的平衡机理对开挖面的稳定和动态掘进过程具有重要的影响。通过对掘进过程进行模拟，对盾构机、土体和地下水的相关参数进行测试，可确定盾构机的泥水平衡机理，确定掘进过程中盾构机和开挖面平衡之间的相互影响关系，为水下盾构隧道的设计和施工提供参考，为盾构机的选型提供依据。\n[0003] 目前国内外较具代表性的盾构试验设备装置有：早稻田大学研制的微型泥水平衡式盾构机模拟试验装置，利用该微型试验装置对早期泥水平衡式盾构机的掘进机理方面进行了研究，但其对泥水平衡式盾构机的模拟过于简单，很多条件都无法设定，尤其对于水压较高条件下(100米水头)泥水盾构机的掘进过程和平衡机理难以研究。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的就是提供一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，该系统可以模拟高水压的水下隧道施工中采用泥水盾构机的掘进过程，并同步记录土压、水压、位移和盾构机的掘进参数，从而找出与分析泥水压平衡围岩的机理与条件，为水下隧道的施工和泥水盾构机的设计提供更可靠的实验依据。\n[0005] 本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其组成为：\n[0006] 放置土体的模型箱固定于底座上，制冷冻结装置与模型箱内的冻结管连通；\n[0007] 盾构机的前部经过模型箱侧面上的导向套进入模型箱，盾构机前部的刀盘通过主轴与液压动力系统的齿轮箱的输出轴相连；位于盾构机左右两侧的千斤顶，连接于模型箱和齿轮箱之间；\n[0008] 盾构机的刀盘后方设置有隔板，隔板与刀盘之间的空间构成泥水舱；与气压加压装置相连的泥水罐的注浆管在盾构机机壳的尾部穿入盾构机内部，端部固定在隔板上；盾构机内下部的螺旋出土器的进口伸入泥水舱，出口与盾构机后部下方的沉渣罐相连；沉渣罐则通过压力管与泥水罐相连；\n[0009] 模型箱的上部通过加压管与气压加压装置相连；\n[0010] 模型箱内的土体埋有温度传感器、孔隙水压力计、位移计、土压力盒；温度传感器、孔隙水压力计、位移计、土压力盒均与数据采集装置连接。\n[0011] 本发明的具体原理和工作过程是：\n[0012] 在放置土体的模型箱内放置按相似比配置的土体，以模拟不同围岩。气压加压装置通过模型箱顶部的加压管将气压压入模型箱，控制气压压力，可以模拟围岩承受的不同地下水压。控制千斤顶的油缸进出油，由千斤顶带动齿轮箱及整个盾构机运动，实现盾构机的后退和掘进，并可控制掘进过程中盾构机速度；同时液压动力系统通过齿轮箱、主轴驱动刀盘旋转，切削模型箱内的土体；刀盘的刀具和开口率能根据不同的围岩类别进行调整。同时气压加压装置还向泥水罐施加压力，使泥水罐内的泥水以特定的压力、浓度通过注浆管向泥水舱内灌注泥浆，进入盾构机前方刀盘处，在刀盘切削土体时，形成泥膜，平衡开挖面的稳定；然后切削下来的土体，连同泥浆，经过刀盘面板开口，进入泥水舱下部，再通过螺旋出土器内的螺旋轴的旋转，推动土体向后移动，排入到沉渣罐内。沉渣罐内的泥水再回流到泥水罐内，形成泥水的循环流动。这样即实现了泥水盾构机的掘进与切削过程的模拟。\n[0013] 待掘进到一定位置时，停止盾构机及刀盘的运转，启动制冷冻结装置，向模型箱内的冻结管输入液氮，迅速将围岩及切削面上的泥膜冻结；然后打开模型箱取出已冻结固化的围岩及泥膜；从而可以通过钻探、切割的方法得到泥膜的形成范围、厚度等参数。\n[0014] 在试验过程中，模型箱内预先埋设了温度传感器、孔隙水压力计、土压力盒和位移计，可以分别对土体的相关参数进行测试：温度传感器可测试泥膜和土体的冻结温度；孔隙水压力计用于测试土体的水压力，并和加气压装置的数据进行比较；土压力盒用于测试开挖土体周边的土压力；位移计用于测试地层的竖向位移。在试验过程中，同时记录下各对应时刻的模型盾构机的掘进参数，包括千斤顶推力，刀盘转速、螺旋出土器转速、泥水压力、泥浆量等。通过分析即可得出这些数据与泥膜形状、厚度的关系；进而得到泥水盾构机的适宜掘进参数，以指导隧道现场施工和盾构机的机型参数优化。\n[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：\n[0016] 能完整的实现泥水盾构机的土层切削面开挖、泥膜平衡开挖面、推进、出土等过程的模拟；能模拟并实时测出土体的地下水压力、土压力、泥水压力、泥浆量、盾构机掘进推力，刀盘转速等参数条件；并巧妙地通过冻结的方式，可以观察到在特定条件下形成的切削面泥膜的形状和厚度，进而可以得出泥水平衡的机理及形成条件与影响因素，得出泥水盾构机的适宜掘进参数，能为隧道现场施工和盾构机的机型参数优化提供更加真实可靠的实验依据。\n[0017] 本发明的气压加压装置可以施加100米水头的水压力，模型箱、泥水罐、螺旋出土器、刀盘等均为金属件构成，强度大，从而可以实现100米水头下隧道的真实地下水压力的模拟，满足绝大多数地下水环境的隧道施工条件，对现场的施工具有广泛的指导意义。\n[0018] 上述的齿轮箱的输入轴与液压动力系统的液压马达相连；液压马达和千斤顶共用一个液压油箱，螺旋出土器的螺旋轴与小型电机相连。\n[0019] 这种动力结构及传递方式既能保证动力的有效传输，控制方便精确，且其结构紧凑，体积小。\n[0020] 上述的模型箱未与盾构机连接的三个侧面均开有侧门洞，侧门洞通过螺栓与侧门盖连接；模型箱的顶部开有顶门洞，顶门洞通过螺栓与顶门盖连接。\n[0021] 这样在停止试验、土体冻结后，拧松螺栓打开侧门盖与顶门盖，即可方便的对围岩土体及其泥膜厚度进行观察与分析。\n[0022] 上述的模型箱的导向套的内表面上设有密封圈。\n[0023] 这样既能保证盾构机沿着导向套顺利的纵向运动，同时又能有效的保证模型箱及盾构机与外界的密封，使得泥水舱及模型箱内的压力保持恒定。\n[0024] 上述的模型箱的顶部安装有压力表；泥水罐的上部也安装有压力表。\n[0025] 这样压力表可测出模型箱与泥水罐内的实际压力，从而方便对气压加压装置的输出压力进行校正。\n[0026] 下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。\n附图说明\n[0027] 图1是本发明实施例的正视结构示意图。\n[0028] 图2是本发明实施例的模型箱的放大剖视结构示意图。\n具体实施方式\n[0029] 图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种泥水平衡式盾构模拟试验系统，其组成是：\n[0030] 放置土体的模型箱1固定于底座上2，制冷冻结装置4与模型箱1内的冻结管5连通；\n[0031] 盾构机6的前部经过模型箱1侧面上的导向套7进入模型箱1，盾构机6前部的刀盘9通过主轴8与液压动力系统10的齿轮箱12的输出轴相连；位于盾构机6左右两侧的千斤顶11，连接于模型箱1和齿轮箱12之间；\n[0032] 盾构机6的刀盘9后方设置有隔板31，隔板31与刀盘9之间的空间构成泥水舱；\n与气压加压装置相连的泥水罐13的注浆管14在盾构机6机壳的尾部穿入盾构机6内部，端部固定在隔板31上；盾构机6内下部的螺旋出土器17的进口伸入泥水舱，出口与盾构机\n6后部下方的沉渣罐18相连；沉渣罐18则通过压力管37与泥水罐13相连；\n[0033] 模型箱1的上部通过加压管38与气压加压装置相连；\n[0034] 图2示出，模型箱1内的土体埋有温度传感器19、孔隙水压力计20、位移计21、土压力盒22；温度传感器19、孔隙水压力计20、位移计21、土压力盒22均与数据采集及控制装置连接。\n[0035] 图1还示出，本例的齿轮箱12的输入轴与液压动力系统10的液压马达35相连；\n液压马达35和千斤顶11共用一个液压油箱34，螺旋出土器17的螺旋轴与小型电机32相连。\n[0036] 模型箱1未与盾构机6连接的三个侧面均开有侧门洞，侧门洞通过螺栓与侧门盖\n24连接；模型箱1的顶部开有顶门洞，顶门洞通过螺栓与顶门盖26连接。\n[0037] 模型箱1的导向套7的内表面上设有密封圈。\n[0038] 模型箱1的顶部安装有压力表36；泥水罐13的上部也安装有压力表36。