大型盾构掘进模拟试验平台

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技术领域\n本发明涉及的是一种用于隧道工程技术领域模拟试验装置，特别是一种大型 盾构掘进模拟试验平台。\n背景技术\n为满足不同地区地铁隧道建设的需要和越江越海隧道等的需要，根据具体工 程的地质条件进行合理的盾构选型，均需要进行不同地层的盾构掘进适应性试验 研究。\n经对现有技术的文献检索发现，日本发明专利JP8029297，名称为：一种盾 构掘进离心模型试验装置和试验方法，该技术通过采用实物进行力学相似原理， 可模拟并确认作用在管片上的荷载，并提供盾构推进模型试验方法。在离心力装置 上放置一个装有模型土体的试验土箱后，利用离心力加载装置对实物进行模型缩 尺1/n倍后将模型放入n倍的离心加速度场中进行模型试验。通过离心模型试验 装置模拟模型盾构推进过程，将作用在盾构隧道管片的荷载以模型试验的方式来 测量和确认隧道的受力状况。\n发明内容\n本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大型盾构掘进模拟试验 平台。使其能够模拟不同盾构在不同地层中的掘进过程，从而提高掘进机的设计、 制造水平，扩大我国掘进机的国产率。\n本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：土箱、模拟盾构掘进机、 拉杆、主顶装置、后靠、囊袋、底座、加载系统、监测系统、控制系统、液压系 统，模拟盾构掘进机采用φ1800mm，拉杆将土箱和后靠连接起来，底座是主顶 装置的基础，土箱内设置若干只囊袋，囊袋通过管道与加载系统连接起来，土箱 中装满典型土层，土箱中还设置有若干个土压力传感器、孔隙水压力传感器，这 些传感器与监测系统相连；主项装置安置在底座上，液压系统、控制系统与主顶 装置相连；模拟盾构掘进机安置在主顶装置上，同时模拟盾构机得头部刀盘通过 密封装置安装在土箱的端部入口中。\n所述的土箱的内径为4.0m、有效内径3.8m、圆筒内轴向长度不小于6.0m、 土箱上方留有直径为1.5m的两个圆形开口，另外，土箱为密封结构。\n所述的模拟盾构掘进机刀盘转速：0～5rpm，推进速度：60mm/min。\n所述的主顶装置为模拟盾构掘进机提供动力，主顶装置顶进速度：60mm/min。\n所述的土箱内设置若干个囊袋，通过加载系统用水对囊袋充水加压。\n所述的加载系统的作用是通过对土箱中的土体施加一定的压力来模拟盾构 掘进机在地下的施工工况，最大加载压力为0.5Mpa。\n本发明可以模拟盾构掘进全过程，包括刀盘切削和盾构推进过程、排土过程、 盾尾注浆等；与背景专利相比，通过每次试验不能够模拟盾构掘进的全过程，背 景专利每次试验只能模拟单一功能；本发明采用加载系统和若干囊袋相结合可在 土箱内实现多种典型地层和混合地层的模拟；例如，通过土箱中通过囊袋加压可 改变土箱中的土性，从而实现隧道不同覆土厚度的模拟以及不同土层的受力状态 的模拟；本发明土箱长度可根据试验需要进行组合，可满足不同地层(混合地层) 的模拟和不同掘进长度的需要；这是背景专利和国内外其它类似装置或试验平台 所没有的功能，实际上背景专利中涉及的试验装置中的掘进长度是有限的；本发 明土箱是多功能的，除了满足盾构掘进模拟试验，还可进行冻结、螺旋输送机出 土和注浆等多种试验。这也是背景专利和国内外其它类似装置或试验平台所没有 的功能；本发明的监测系统可以自动记录试验过程中各类数据并实时显示相关曲 线；由于试验装置的规模较大，在典型土层中和模拟盾构掘进机中布置各类传感 器的数量的限制不大，从而可以更多地采集试验过程中的数据，而背景专利设计 的试验装置规模较小，只能布置有限个传感器，使试验中采集的数据量受到限制， 不便于作全面的、详细的分析。\n附图说明\n图1为模拟试验平台示意图\n其中：土箱1，模拟盾构掘进机2，拉杆3，主顶装置4，后靠5，囊袋6， 底座7。\n图2盾构掘进模拟试验平台的平面布置示意图\n其中：加载系统8，监测系统9，控制系统10，液压系统11。图中虚线加箭 头表示控制与被控制的关系。\n具体实施方式\n如图1、图2所示，本发明包括：土箱1、模拟盾构掘进机2、拉杆3、主顶 装置4、后靠5、囊袋6、底座7，还有液压系统11、监测系统9、加载系统8、 控制系统10。模拟盾构掘进机2采用φ1800mm，拉杆3将土箱1和后靠5连接 起来，底座7是主顶装置4的基础，土箱1内设置若干只囊袋6，囊袋6通过管 道与加载系统8连接起来，土箱1中装满典型土层，土箱1中还设置有若干个土 压力传感器、孔隙水压力传感器，这些传感器与监测系统9相连；主顶装置4安 置在底座7上，液压系统11、控制系统10与主顶装置4相连；模拟盾构掘进机2 安置在主顶装置4上，同时模拟盾构机得头部刀盘通过密封装置安装在土箱1的 端部入口中。\n所述的土箱1的内径为4.0m、有效内径3.8m、圆筒内轴向长度大于等于6.0m、 土箱1上方留有直径为1.5m的两个圆形开口，另外，土箱1为密封结构，使用过 程中不漏水、不漏气，还可承受并保持最大内压0.4MPa。利用该土箱1进行原状 粘性土、原状砂性土、原状砂砾土的模拟。\n土箱上预埋有土压计、位移计、孔压计等，可方便测量模拟盾构掘进过程中 土体的土压力变化、孔隙水压力变化和土体的变形。\n所述的模拟盾构掘进机2具有土压平衡式、泥水平衡式互换以及刀盘互换的 特点，其主要性能参数如下：总推力：3000kN，主顶油缸500kN/只，行程1500mm， 共6只，螺旋机直径：φ300mm，出土量：9.16m3/h，扭矩：117kNm，刀盘转速： 0～5rpm，推进速度：60mm/min，刀盘开口率：30％(面板式)，75％(辐条式)。\n所述的主顶装置4为模拟盾构掘进机提供动力，主顶装置4的主要性能参数 如下：油缸型号：160/200-1500，额定顶力：3000kN，最大顶力：3750kN，额定 油压：24Mpa，最大油压：30Mpa，顶进速度：60mm/min，工作流量：50L/min。\n所述的囊袋6，整个土箱1内共装有36只，通过加载系统8用水对囊袋6 充水加压，压力传到土体，通过分级加载从而实现对土体内不同应力状态的模拟。\n所述的加载系统8的作用是通过对土箱1中的土体施加一定的压力来模拟盾 构掘进机2在地下的施工工况。其具体形式为通过给模拟土箱1中的多组橡胶囊 袋6中注入一定压力的水来实现对土箱1中土体的加载。其中，通过橡胶囊袋6 所施加的压力分为5组，并要实现多种不同压力的加载，最大加载压力为0.5Mpa。\n以典型地层中土压平衡盾构掘进模拟试验为例，先在试验平台的土箱1中模 拟拟掘进的典型地层，如软粘土地层，应考虑其含水量、颗粒成分、密度、土的 力学性能等等；利用试验平台中加载系统8(设计适当加压方式)和囊袋6改变 土体中的应力状态，通过加载系统8适当加压还可模拟不同的覆土层厚度；土箱 1的土层中根据需要预埋设若干传感器，用于测量土层中的土压力和孔隙水压力 以及土层位移等等；将φ1800mm模拟盾构掘进机2与土箱1的入口处连接(注意 使用橡胶“袜套”保证入口处的密封)。\n设定土压力值、盾构机转速和推进速度，由主顶装置4通过液压系统11提供 适当动力进行顶进掘进，掘进过程中通过控制系统10调整模拟盾构掘进机2中螺 旋输送机的转速控制土箱中的土压平衡；试验过程中使用液压系统11控制盾构刀 盘转速和推进速度，试验过程中可以通过不同开口率的刀盘的掘进模拟试验，使 用监测系统9测定刀盘扭矩、转速、推进速度、推进顶力等，研究盾构机工作参 数和地表变形的关系以及研究盾构的地层适应性。