專利名稱：大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種用于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域模擬試驗(yàn)裝置，特別是一種大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)。
背景技術(shù)：
為滿足不同地區(qū)地鐵隧道建設(shè)的需要和越江越海隧道等的需要，根據(jù)具體工程的地質(zhì)條件進(jìn)行合理的盾構(gòu)選型，均需要進(jìn)行不同地層的盾構(gòu)掘進(jìn)適應(yīng)性試驗(yàn)研究。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，日本專利JP8029297，名稱為一種盾構(gòu)掘進(jìn)離心模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，該技術(shù)通過(guò)采用實(shí)物進(jìn)行力學(xué)相似原理，可模擬并確認(rèn)作用在管片上的荷載，并提供盾構(gòu)推進(jìn)模型試驗(yàn)方法。在離心力裝置上放置一個(gè)裝有模型土體的試驗(yàn)土箱后，利用離心力加載裝置對(duì)實(shí)物進(jìn)行模型縮尺1/n倍后將模型放入n倍的離心加速度場(chǎng)中進(jìn)行模型試驗(yàn)。通過(guò)離心模型試驗(yàn)裝置模擬模型盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程，將作用在盾構(gòu)隧道管片的荷載以模型試驗(yàn)的方式來(lái)測(cè)量和確認(rèn)隧道的受力狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)。使其能夠模擬不同盾構(gòu)在不同地層中的掘進(jìn)過(guò)程，從而提高掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造水平，擴(kuò)大我國(guó)掘進(jìn)機(jī)的國(guó)產(chǎn)率。
本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)用新型包括土箱、模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、拉桿、主頂裝置、后靠、囊袋、底座、加載系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)采用φ1800mm，拉桿將土箱和后靠連接起來(lái)，底座是主頂裝置的基礎(chǔ)，土箱內(nèi)設(shè)置若干只囊袋，囊袋通過(guò)管道與加載系統(tǒng)連接起來(lái)，土箱中裝滿典型土層，土箱中還設(shè)置有若干個(gè)土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器，這些傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連；主頂裝置安置在底座上，液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與主頂裝置相連；模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)安置在主頂裝置上，同時(shí)模擬盾構(gòu)機(jī)得頭部刀盤(pán)通過(guò)密封裝置安裝在土箱的端部入口中。
所述的土箱的內(nèi)徑為4.0m、有效內(nèi)徑3.8m、圓筒內(nèi)軸向長(zhǎng)度不小于6.0m、土箱上方留有直徑為1.5m的兩個(gè)圓形開(kāi)口，另外，土箱為密封結(jié)構(gòu)。
所述的模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0～5rpm，推進(jìn)速度60mm/min。
所述的主頂裝置為模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)提供動(dòng)力，主頂裝置頂進(jìn)速度60mm/min。
所述的土箱內(nèi)設(shè)置若干個(gè)囊袋，通過(guò)加載系統(tǒng)用水對(duì)囊袋充水加壓。
所述的加載系統(tǒng)的作用是通過(guò)對(duì)土箱中的土體施加一定的壓力來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在地下的施工工況，最大加載壓力為0.5Mpa。
本實(shí)用新型可以模擬盾構(gòu)掘進(jìn)全過(guò)程，包括刀盤(pán)切削和盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程、排土過(guò)程、盾尾注漿等；與背景專利相比，通過(guò)每次試驗(yàn)不能夠模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的全過(guò)程，背景專利每次試驗(yàn)只能模擬單一功能；本實(shí)用新型采用加載系統(tǒng)和若干囊袋相結(jié)合可在土箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種典型地層和混合地層的模擬；例如，通過(guò)土箱中通過(guò)囊袋加壓可改變土箱中的土性，從而實(shí)現(xiàn)隧道不同覆土厚度的模擬以及不同土層的受力狀態(tài)的模擬；本實(shí)用新型土箱長(zhǎng)度可根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行組合，可滿足不同地層(混合地層)的模擬和不同掘進(jìn)長(zhǎng)度的需要；這是背景專利和國(guó)內(nèi)外其它類似裝置或試驗(yàn)平臺(tái)所沒(méi)有的功能，實(shí)際上背景專利中涉及的試驗(yàn)裝置中的掘進(jìn)長(zhǎng)度是有限的；本實(shí)用新型土箱是多功能的，除了滿足盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)，還可進(jìn)行凍結(jié)、螺旋輸送機(jī)出土和注漿等多種試驗(yàn)。這也是背景專利和國(guó)內(nèi)外其它類似裝置或試驗(yàn)平臺(tái)所沒(méi)有的功能；本實(shí)用新型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中各類數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示相關(guān)曲線；由于試驗(yàn)裝置的規(guī)模較大，在典型土層中和模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中布置各類傳感器的數(shù)量的限制不大，從而可以更多地采集試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，而背景專利設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置規(guī)模較小，只能布置有限個(gè)傳感器，使試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)量受到限制，不便于作全面的、詳細(xì)的分析。


圖1為模擬試驗(yàn)平臺(tái)示意圖其中土箱1，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2，拉桿3，主頂裝置4，后靠5，囊袋6，底座7。
圖2盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的平面布置示意圖其中加載系統(tǒng)8，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)9，控制系統(tǒng)10，液壓系統(tǒng)11。圖中虛線加箭頭表示控制與被控制的關(guān)系。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型包括土箱1、模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2、拉桿3、主頂裝置4、后靠5、囊袋6、底座7，還有液壓系統(tǒng)11、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)9、加載系統(tǒng)8、控制系統(tǒng)10。模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2采用φ1800mm，拉桿3將土箱1和后靠5連接起來(lái)，底座7是主頂裝置4的基礎(chǔ)，土箱1內(nèi)設(shè)置若干只囊袋6，囊袋6通過(guò)管道與加載系統(tǒng)8連接起來(lái)，土箱1中裝滿典型土層，土箱1中還設(shè)置有若干個(gè)土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器，這些傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)9相連；主頂裝置4安置在底座7上，液壓系統(tǒng)11、控制系統(tǒng)10與主頂裝置4相連；模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2安置在主頂裝置4上，同時(shí)模擬盾構(gòu)機(jī)得頭部刀盤(pán)通過(guò)密封裝置安裝在土箱1的端部入口中。
所述的土箱1的內(nèi)徑為4.0m、有效內(nèi)徑3.8m、圓筒內(nèi)軸向長(zhǎng)度大于等于6.0m、土箱1上方留有直徑為1.5m的兩個(gè)圓形開(kāi)口，另外，土箱1為密封結(jié)構(gòu)，使用過(guò)程中不漏水、不漏氣，還可承受并保持最大內(nèi)壓0.4MPa。利用該土箱1進(jìn)行原狀粘性土、原狀砂性土、原狀砂礫土的模擬。
土箱上預(yù)埋有土壓計(jì)、位移計(jì)、孔壓計(jì)等，可方便測(cè)量模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中土體的土壓力變化、孔隙水壓力變化和土體的變形。
所述的模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2具有土壓平衡式、泥水平衡式互換以及刀盤(pán)互換的特點(diǎn)，其主要性能參數(shù)如下總推力3000kN，主頂油缸500kN/只，行程1500mm，共6只，螺旋機(jī)直徑φ300mm，出土量9.16m3/h，扭矩117kNm，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0～5rpm，推進(jìn)速度60mm/min，刀盤(pán)開(kāi)口率30％(面板式)，75％(輻條式)。
所述的主頂裝置4為模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)提供動(dòng)力，主頂裝置4的主要性能參數(shù)如下油缸型號(hào)160/200-1500，額定頂力3000kN，最大頂力3750kN，額定油壓24Mpa，最大油壓30Mpa，頂進(jìn)速度60mm/min，工作流量50L/min。
所述的囊袋6，整個(gè)土箱1內(nèi)共裝有36只，通過(guò)加載系統(tǒng)8用水對(duì)囊袋6充水加壓，壓力傳到土體，通過(guò)分級(jí)加載從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土體內(nèi)不同應(yīng)力狀態(tài)的模擬。
所述的加載系統(tǒng)8的作用是通過(guò)對(duì)土箱1中的土體施加一定的壓力來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2在地下的施工工況。其具體形式為通過(guò)給模擬土箱1中的多組橡膠囊袋6中注入一定壓力的水來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土箱1中土體的加載。其中，通過(guò)橡膠囊袋6所施加的壓力分為5組，并要實(shí)現(xiàn)多種不同壓力的加載，最大加載壓力為0.5Mpa。
以典型地層中土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)為例，先在試驗(yàn)平臺(tái)的土箱1中模擬擬掘進(jìn)的典型地層，如軟粘土地層，應(yīng)考慮其含水量、顆粒成分、密度、土的力學(xué)性能等等；利用試驗(yàn)平臺(tái)中加載系統(tǒng)8(設(shè)計(jì)適當(dāng)加壓方式)和囊袋6改變土體中的應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)加載系統(tǒng)8適當(dāng)加壓還可模擬不同的覆土層厚度；土箱1的土層中根據(jù)需要預(yù)埋設(shè)若干傳感器，用于測(cè)量土層中的土壓力和孔隙水壓力以及土層位移等等；將φ1800mm模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2與土箱1的入口處連接(注意使用橡膠“襪套”保證入口處的密封)。
設(shè)定土壓力值、盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度，由主頂裝置4通過(guò)液壓系統(tǒng)11提供適當(dāng)動(dòng)力進(jìn)行頂進(jìn)掘進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)控制系統(tǒng)10調(diào)整模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)2中螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制土箱中的土壓平衡；試驗(yàn)過(guò)程中使用液壓系統(tǒng)11控制盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度，試驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)不同開(kāi)口率的刀盤(pán)的掘進(jìn)模擬試驗(yàn)，使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)9測(cè)定刀盤(pán)扭矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、推進(jìn)頂力等，研究盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)和地表變形的關(guān)系以及研究盾構(gòu)的地層適應(yīng)性。
權(quán)利要求1.一種大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，包括土箱(1)、模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(2)、加載系統(tǒng)(8)，其特征在于，還包括拉桿(3)、主頂裝置(4)、后靠(5)、囊袋(6)、底座(7)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(9)、控制系統(tǒng)(10)、液壓系統(tǒng)(11)，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(2)采用刀盤(pán)直徑φ1800mm，拉桿(3)將土箱(1)和后靠(5)連接起來(lái)，底座(7)是主頂裝置(4)的基礎(chǔ)，土箱(1)內(nèi)設(shè)置囊袋(6)，囊袋(6)通過(guò)管道與加載系統(tǒng)(8)連接起來(lái)，土箱(1)中還設(shè)置土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器，這些傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(9)相連，主頂裝置(4)設(shè)置在底座(7)上，液壓系統(tǒng)(11)、控制系統(tǒng)(10)與主頂裝置(4)相連，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(2)設(shè)置在主頂裝置(4)上，同時(shí)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(2)頭部刀盤(pán)通過(guò)密封裝置設(shè)置在土箱(1)的端部入口中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，其特征是，所述的土箱(1)的內(nèi)徑為4.0m，有效內(nèi)徑3.8m，圓筒內(nèi)軸向長(zhǎng)度大于等于6.0m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，其特征是，所述的土箱(1)上方留有直徑為1.5m的兩個(gè)圓形開(kāi)口，土箱(1)為密封結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，其特征是，所述的土箱(1)內(nèi)設(shè)置若干個(gè)囊袋(6)，通過(guò)加載系統(tǒng)(8)用水對(duì)囊袋(6)充水加壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，其特征是，所述的模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)(2)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0-5rpm，推進(jìn)速度60mm/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，其特征是，所述的主頂裝置(4)頂進(jìn)速度60mm/min，工作流量50L/min。
專利摘要一種用于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域的大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)。模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)采用φ1800mm，拉桿將土箱和后靠連接起來(lái)，底座是主頂裝置的基礎(chǔ)，土箱內(nèi)設(shè)置若干只囊袋，囊袋通過(guò)管道與加載系統(tǒng)連接起來(lái)，土箱中裝滿典型土層，土箱中還設(shè)置有一定數(shù)量的土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器，這些傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連，主頂裝置安置在底座上，液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與主頂裝置相連，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)安置在主頂裝置上，同時(shí)模擬盾構(gòu)機(jī)得頭部刀盤(pán)通過(guò)密封裝置安裝在土箱的端部入口中。本實(shí)用新型可以模擬盾構(gòu)掘進(jìn)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多種典型地層和混合地層的模擬，除了滿足盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)，還可進(jìn)行凍結(jié)、螺旋輸送機(jī)出土和注漿等多種試驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK2771845SQ20042011089
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者傅德明, 李向紅, 吳兆宇, 顧德焜, 校月鈿 申請(qǐng)人:上海隧道工程股份有限公司