专利名称：一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置。
背景技术：
隧道结构施工中的盾构机的掘进是一个动态变化的过程，掘削时的许多因 素影响着盾构机周围土体的稳定性。对盾构机在土体中的掘进过程进行模拟， 并对盾构机及土体的相关参数进行测试，确定掘进过程中机体、土体和管片结
构三者之间的相互影响关系；从而为盾构隧道的设计与施工，提供实验数据， 以保障城市地铁施工的高效、安全进行。
目前， 一些土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置只能模拟盾构机原型局 部过程进行试验。日本学者在土压平衡式盾构机掘进方面进行的试验最为丰富， 其中以森麟教授为首的日本早稻田大学研究小组研制了 (1984)土压平衡式盾构 机模拟掘进装置，该装置为一半截面模型盾构机，由推进机构、掘削机构和出 土机构组成，主要研究掘削参数对前方土体稳定性的影响；栗原和夫等(1989) 制造的泥水式模型盾构机用于研究掘削面的稳定条件以及地层变形的影响因 素；Nomoto等(1999)制造的微型盾构机装置以及同济大学(2006)制造的双壳单 螺旋模型盾构用于探求盾构地层的适应性问题等。上述这些试验设备研究对象 单一，只是对某一部分性质如出土率、土艙压力等的测试，而其它许多重要参 数如刀盘开口率、超挖量等并没有被研究，更没有考虑盾构机推进后的管片拼 装、盾尾注浆等施工工艺。并且其试验土槽中的土体充填后，在一次模拟过程 中，其土体的预埋土压固定；而要更改土压必须重新充填土体，进行另外一次 固定土压的模拟。但实际的隧道施工环境中，受周围地层变位及隧道周围构筑 物变位的影响，在隧道施工过程中，土体的压力等参数呈变化状态。因现有的 盾构试验系统都不是真正意义上的盾构机掘进模拟试验系统，不能方便、真实 有效地模拟出的城市地铁区间盾构隧道施工对地层及周围环境的影响，为隧道 施工与设计提供更真实、准确的实验数据，从而严重影响城市盾构隧道建设的 高效与安全。
实用新型内容
3本实用新型的目的就是提供一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置， 该试验装置能在试验过程中方便地调节土体压力，从而更方便、更真实有效地 模拟出的城市地铁区间盾构隧道施工对地层及周围环境的影响，为隧道施工与 设计提供更真实、准确的实验数据。以保障城市盾构隧道建设的高效与安全。
本实用新型实现其实用新型目的所采用的技术方案是 一种土压平衡式盾 构施工过程模拟试验装置，其组成为
上部开口的长方形的土体腔内放置模型盾构机，并充填模拟土体，模型盾
构机的中轴线与土体腔的中轴线重叠；模拟土体的上面覆盖一层混凝土垫层， 混凝土垫层的上表面通过两个以上的土压千斤顶与水平加载梁相连，水平加载 梁通过锚索与土体腔的底部相连；模拟土体内还埋有土压力盒、光栅光纤传感 器、位移计，土压力盒、光栅光纤传感器、位移计均与数据采集及处理装置电 相连；
其中的模型盾构机的具体组成为
a、 掘土装置隔板将圆柱形盾壳分隔为前部的土舱和后部的机舱，隔板中 间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴的前端连接刀盘，后端通过机抢内的传动 齿轮与固定在机艙上的刀盘电机相连；
b、 螺旋出土器螺旋杆的前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套 合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与固定在机舱上的出土器电机的电机轴 相连；出土套筒的前端固定在隔板上，后端固定在冲几抢上，出土套筒的后部下 方开有出土孔；
c、 推进装置盾壳的机舱的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶， 且四个千斤顶的分布沿才几抢尾部的垂直轴线对称。
本实用新型的试验系统的工作原理与工作过程是在待掘进的土体腔内的 模拟土体中放置盾构机，通过加载梁下的土压千斤顶向外顶出，下压混凝土垫
层进而向模拟土体施设定的压力，模拟出真实隧道施工环境中的实际的土体压 力。再在掘进控制台的控制下，模型盾构机完成以下的掘进、出土及推进过程 掘土装置在刀盘电机通过传动齿轮刀盘轴带动前方出土舱中的刀盘对准 室内模拟土旋转，实现对真实盾构机削土功能的模拟。通过调节刀盘电机的转 速以及调节刀盘开口率等参数，实现对真实盾构机不同刀盘类型和参数的模拟。 掘土装置削下的土，堆积在土舱中。螺旋出土器出土器电机带动螺旋杆转动将位于土抢中的泥土旋转、后推 进入出土套筒中，泥土从出土套筒后部的出土孔处漏出，然后被送出掘出的隧 道外，实现对盾构机出土功能的模拟。试验中可以替换不同类型、不同内径的 螺旋杆及套筒来模拟不同类型的真实盾构机的出土器，并通过控制出土器电机 转速来实现出土量的控制。
推进装置推进前，在机抢内的尾部采用模拟隧道的管片拼装成环，构成
的隧道结构，随着液压千斤顶的伸出，实现模型盾构机的液压推进。该隧道结 构同时在模型盾构机推进过程中实现对模拟围岩的支护。推进装置向前推进最 大距离时，机舱尾部的隧道结构脱环，即隧道结构尾部相对机艙位置最远；然 后在该脱环位置处，在机艙尾部(隧道结构的前部)再用模拟隧道的管片拼装成 环构成新的一节隧道结构，再进行下一次的推进及脱环。脱环、拼装反复循环， 使隧道结构逐节形成。每次脱环后，对盾尾外的管片注浆，形成固定的隧道结 构。
盾构机在土体内实现掘土、出土、推进的模拟施工过程中，试验土体中预 先埋设的土压力盒、光栅光纤传感器和位移计，则分别对土体的相关参数进行 测试土压力盒用于测试隧道衬砌上的作用土压，光栅光纤传感器用于测试模 型盾构机掘进过程中土体的应变或应力，位移计用于测试地层的竖向位移。同 时在掘进控制台上记下对应时刻的模型盾构机的掘进参数，这些参数包括刀盘 转速、螺旋出土器转速、千斤顶推力、土舱压力、注浆量等。对这两类数据的 组合分析即可得到施工参数与地层变位，盾构施工参数如推进速度、土抢压力、 螺旋出土器之间的关系等的合理匹配，地层扰动情况与衬砌周围土压力的关系、 注浆量对地表地中变形及衬砌周围土压力分布的关系等相关结论，再据以进行 盾构隧道工程的设计与施工，从而保证隧道施工的高效安全进行。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是
模拟土体的压力可以方便地通过土压千斤顶进行调整，从而真实模拟出实 际的隧道施工环境中，受周围地层变位及隧道周围构筑物变位所产生的土压变 化；并模拟的土压下，实现土压平衡式的盾构机掘削面开挖、出土、推进、管 片拼装和盾尾脱环的全面、综合模拟，从而在室内实现了盾构机现场施工的全 过程的动态逼真模拟。相比于现有同类试验系统，该系统在模拟盾构机施工各过程中的掘进、出土、管片拼装及盾尾注浆对土体环境的影响，并且土体压力 可调，从而实验数据更全面、真实、可靠，能更好地保障城市地铁施工的高效、 安全进行。
以下结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图l是本实用新型实施例的正视结构示意图(未画盾构机的具体结构)。
图2是本实用新型实施例中盾构机的侧视放大结构示意图。
具体实施方式
图1示出，本实用新型的一种具体实施方式
为， 一种土压平衡式盾构施工 过程模拟试验装置，其组成为上部开口的长方形的土体腔20内放置模型盾构 机40,并充填模拟土体25，模型盾构机40的中轴线与土体腔20的中轴线重叠； 模拟土体25的上面覆盖一层混凝土垫层22，混凝土垫层22的上表面通过两个 以上的土压千斤顶23与水平加载梁21相连，水平加载梁21通过锚索24与土 体腔20的底部相连；模拟土体25内还埋有土压力盒31、光栅光纤传感器32、 位移计33; 土压力盒31、光栅光纤传感器32、位移计33均与数据采集及处理 装置相连；
图2示出，其中的模型盾构机40的具体组成为
a、 掘土装置隔板2将圓柱形盾壳1分隔为前部的土艙7和后部的机抢8， 隔板2中间通过刀盘轴承3安装刀盘轴4，刀盘轴4的前端连接刀盘5,后端通 过机抢8内的传动齿轮15与固定在机抢8上的刀盘电机6相连；
b、 螺旋出土器螺旋杆9的前部位于土抢7内刀盘5后方，其余部分穿过 隔板2套合在机抢8内的出土套筒11内，螺旋杆9后端与固定在机抢8上的出 土器电机10的电机轴相连；出土套筒11的前端固定在隔板2上，后端固定在 机舱8上，出土套筒11的后部下方开有出土孔12;
c、 推进装置盾壳1的机艙8的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤 顶13，且四个千斤顶13的分布沿机抢8尾部的垂直轴线对称。
权利要求1、一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置，其特征在于上部开口的长方形的土体腔(20)内放置模型盾构机(40)，并充填模拟土体(25)，模型盾构机(40)的中轴线与土体腔(20)的中轴线重叠；模拟土体(25)的上面覆盖一层混凝土垫层(22)，混凝土垫层(22)的上表面通过两个以上的土压千斤顶(23)与水平加载梁(21)相连，水平加载梁(21)通过锚索(24)与土体腔(20)的底部相连；模拟土体(25)内还埋有土压力盒(31)、光栅光纤传感器(32)、位移计(33)；土压力盒(31)、光栅光纤传感器(32)、位移计(33)均与数据采集及处理装置相连；所述的模型盾构机(40)的具体组成为a、掘土装置隔板(2)将圆柱形盾壳(1)分隔为前部的土舱(7)和后部的机舱(8)，隔板(2)中间通过刀盘轴承(3)安装刀盘轴(4)，刀盘轴(4)的前端连接刀盘(5)，后端通过机舱(8)内的传动齿轮(15)与固定在机舱(8)上的刀盘电机(6)相连；b、螺旋出土器螺旋杆(9)的前部位于土舱(7)内刀盘(5)后方，其余部分穿过隔板(2)套合在机舱(8)内的出土套筒(11)内，螺旋杆(9)后端与固定在机舱(8)上的出土器电机(10)的电机轴相连；出土套筒(11)的前端固定在隔板(2)上，后端固定在机舱(8)上，出土套筒(11)的后部下方开有出土孔(12)；c、推进装置盾壳(1)的机舱(8)的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶(13)，且四个千斤顶(13)的分布沿机舱(8)尾部的垂直轴线对称。
专利摘要一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置，上部开口的长方形的土体腔内放置模型盾构机，并充填模拟土体，模型盾构机的中轴线与土体腔的中轴线重叠；模拟土体的上面覆盖一层混凝土垫层，混凝土垫层的上表面通过两个以上的土压千斤顶与水平加载梁相连，水平加载梁通过锚索与土体腔的底部相连；模拟土体内还埋有土压力盒、光栅光纤传感器、位移计，土压力盒、光栅光纤传感器、位移计均与数据采集及处理装置电相连。该装置能更方便、更真实有效地模拟出的城市地铁区间盾构隧道施工对地层及周围环境的影响，为隧道施工与设计提供更真实、准确的实验数据。以保障城市盾构隧道建设的高效与安全。
文档编号E21D9/06GK201297175SQ20082014134
公开日2009年8月26日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者川 何, 宋海滨, 勇 方, 晏启祥, 曾艳华, 萍 耿 申请人:西南交通大学