研究软弱地层应力响应的室内土压平衡盾构掘进模拟系统

摘要

本发明公开了一种研究软弱地层应力响应的室内土压平衡盾构掘进模拟系统，主要包括盾体、推进系统、刀盘掘削系统和螺旋输送系统，盾体包括前盾(1)、中盾(2)和尾盾(3)，前盾(1)包括前盾内土仓隔板(26)，刀盘掘削系统包括刀盘(4)、主驱动电机(8)、回转接头(9)和旋转轴(10)，螺旋输送系统包括斜向螺旋输送机(5)和水平螺旋输送机(6)，沿纵向在前盾(1)、中盾(2)和尾盾(3)的顶部各布设有压力传感器(7)，前盾内土仓隔板(26)上布置有2个压力传感器(7)和3个改良剂注入口(11)；刀盘(4)上布置有2个压力传感器(7)和2个改良剂注入口(11)；沿斜向螺旋输送机(5)纵向布置有压力传感器(7)和改良剂注入口(11)。本发明能反映软弱地层与盾构的相互作用从而深入研究盾构掘进力学行为。

说明书

技术领域

本发明涉及一种室内土压平衡盾构掘进模拟系统，特别是涉及一 种研究软弱地层应力响应的室内土压平衡盾构掘进模拟系统。

背景技术

随着我国城市隧道的发展，由于土压平衡盾构施工安全、高效和 经济等优点，越来越多的土压平衡盾构应用于软弱地层隧道施工。然 而，因为盾构法施工工艺复杂，跨域了土建、机械等多专业知识，施 工工序繁多，盾构-地层相互作用机理复杂，盾构掘进力学研究成果 尚不能满足工程发展需求。现场盾构施工涉及影响因素多，特别是地 质条件多变，不利于深入研究盾构掘进力学行为。

先前国外学者提出了一些简化的室内盾构模型试验系统，日本森 麟(1984)的半截面模型盾构机、栗原和夫(1989)的泥水式模型盾 构机、Nomoto(1999)的微型盾构机装置。近些年来，伴随着国内土 压平衡盾构法的大力推广应用，国内学者提出了一些土压平衡盾构室 内模型系统。例如，专利CN101398986A提出了用于模拟城市地铁区 间盾构隧道施工的室内模型机，能够模拟土压平衡盾构的动态掘进、 出土、推进、拼装、脱环等施工的全过程，但不能实现渣土改良和盾 构-地层压力的量测。专利CN102226729A提出了土压平衡盾构渣土压 力控制模型试验装置，通过在密封舱隔板及螺旋输送机外壳不同位置 布设压力传感器，探测盾构密封舱及螺旋输送机内渣土压力传递机 理。专利CN103794127A提出了一种简单的盾构隧道开挖装置，通过 电动及提供掘进前进动力，与实际盾构机通过千斤顶油缸推动方法差 别较大。专利CN104949851A提出了一种类矩形盾构切削掘进模拟试 验系统。

纵观既有的土压平衡盾构室内试验系统，，然后忽略了盾构渣土 改良系统，也类似于现场盾构机一样没有盾构-地层相互作用监测系 统。工程现场地质条件复杂，一般无法从事刀盘与开挖面作用力测试， 也没有传感器测试盾构与地层之间压力。然而，室内模型地层条件单 一，为了有效反映盾构与地层的相互作用，可进行刀盘-开挖面、盾 壳-地层压力的实时记录。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种反映软弱地层与盾构的 相互作用从而深入研究盾构掘进力学行为的研究软弱地层应力响应 的室内土压平衡盾构掘进模拟系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供的研究软弱地层应力响应的 室内土压平衡盾构掘进模拟系统，主要包括盾体、推进系统、刀盘掘 削系统和螺旋输送系统，所述的盾体包括前盾、中盾和尾盾，所述的 前盾包括前盾内土仓隔板，所述的刀盘掘削系统包括刀盘、主驱动电 机、回转接头和旋转轴，所述的螺旋输送系统包括斜向螺旋输送机和 水平螺旋输送机，沿纵向在所述的前盾、中盾和尾盾的顶部各布设有 压力传感器，所述的前盾内土仓隔板上布置有2个压力传感器和3个 改良剂注入口；所述的刀盘上布置有2个压力传感器和2个改良剂注 入口，改良剂输送管路通过所述的旋转轴和回转接头连接盾构外置改 良剂发生系统；沿所述的斜向螺旋输送机纵向布置有压力传感器和改 良剂注入口。

所述的刀盘上通过螺栓安装有面板，根据刀盘开口率的需求在所 述的面板上开口，根据刀具配置需求安装切削刀和超前刀。

所述的刀盘上布置有切削刀、超前刀和中心刀，以实现刀盘在软 弱地层的掘削。

所述的刀盘的基本型式为辐条式。

所述的前盾、中盾和尾盾通过内置的螺栓从盾体外部连接。

所述的压力传感器采用内嵌式装配方式，通过螺栓固定卡板，所 述的卡板卡住所述的压力传感器。

所述的压力传感器感应面相对周围内凹5mm～6mm。

所述的刀盘上的压力传感器的尾部深入土仓内，在所述的压力传 感器的外部安装有兼作为土仓内渣土搅动棒的钢质保护罩。

所述的水平螺旋输送机置于所述的尾盾的卡槽内。

盾构模型机内所有接线统一挂在所述的尾盾的挂钩上面。

采用上述技术方案的研究软弱地层应力响应的室内土压平衡盾 构掘进模拟系统，在刀盘、前盾内土仓隔板和斜向螺旋输送机上布设 改良剂注入口可进行输送渣土改良剂，在刀盘、前盾内土仓隔板、斜 向螺旋输送机、前盾、中盾和尾盾顶部分别布设压力传感器可测定软 弱地层-盾构之间的相互作用力。该装置不涉及盾构管片拼装，用于 室内模型试验深入研究土压平衡盾构掘进力学，但可以根据需要，在 本发明的基础上进行管片拼装功能。

盾体包括前盾、中盾和尾盾，各部分通过内置螺栓连接，便于拆 卸吊装。在前盾、中盾和尾盾顶部各布设压力传感器，为了便于盾体 顺畅推进和保护压力传感器，要求压力传感器相对于周围内凹5mm～ 6mm，通过螺栓和卡板固定压力传感器，便于检修和更换。

在刀盘上布设压力传感器和渣土改良剂注入口，它们的连接线路 或输送管路通过刀盘旋转轴与外部系统连接。此外，为了避免渣土对 压力传感器的损坏，在压力传感器外安装钢质保护罩，钢质保护罩根 据土仓渣土搅动拌尺寸要求进行外部设计，进而巧妙地实现保护压力 传感器和搅动渣土的功能。

通过斜向螺旋输送机和水平螺旋输送机来进行输送渣土。斜向螺 旋机内布设压力传感器和改良剂注入口，实现压力测试和改良剂注 入；水平螺旋输送机置于尾盾下部卡槽内，水平向可自由滑动，而竖 向可避免软弱地层盾体栽头。

推进系统有别于一般盾构机的推进装置，由于本发明的装置用于 研究盾构掘进力学，没有管片拼装机，也不需通过千斤顶来进行盾构 纠偏，因此将反力装置放于尾盾外部，连接反力架，推动盾体整体推 进。

刀盘掘削系统跟常规室内盾构模拟系统存在较大的差异，为了及 时对切削土体进行改良，刀盘上布设两个径向位置不同的改良剂注入 口，改良剂输送管路从外通过刀盘旋转轴到达刀盘，不影响刀盘旋转。 为了对刀盘与开挖面的作用力进行测试，在刀盘不同径向位置上布设 两个压力传感器，压力传感器连接线同样通过刀盘旋转轴。压力传感 器尾部外露在土仓内，为了有效保护压力传感器，在其外侧安装钢质 保护罩，同时巧妙地实现了土仓内渣土搅拌功能。通过刀盘压力传感 器测试刀盘与开挖面的作用力，可分析盾构推进和停机状态的开挖面 支护力，分析开挖面支护力与土仓隔板压力的差异，计算压力传递系 数，从而为现场盾构法施工时土仓压力设定提供依据。

螺旋输送系统包括斜向螺旋输送机和水平螺旋输送机。斜向螺旋 输送机按照现场盾构遵守相似理论要求设计长度和角度，沿其轴向布 置压力传感器测定渣土压力沿螺旋输送机轴向的分布特征。沿轴向布 置泡沫注入口，实现螺旋输送机内渣土改良，避免螺旋输送机堵塞而 引起出土不畅和能耗过大。斜向螺旋输送机将从土仓内输出渣土，斜 向螺旋输送机出口下接水平螺旋输送机，将渣土输送到盾体外部。由 于盾构驱动装置主要在前盾，在软弱地层掘进盾构易产生一定程度栽 头，为了避免盾构栽头，在尾盾下方设置卡槽，将水平螺旋输送机放 入卡槽内实现水平向自由滑动，而竖向限制盾体竖向移动。

本发明实现渣土改良条件下通过在盾构模型系统上合理布置压 力传感器测试软弱地层-盾构之间的压力，包括刀盘-开挖面压力、盾 体-地层压力、土仓-渣土压力、螺旋输送机-渣土压力。本发明不一 味追求功能的齐全，而旨在用于研究土压平衡盾构掘进力学，采用本 发明可深入研究渣土改良条件下盾构与软弱地层的相互作用。虽然本 发明不实现盾构管片拼装功能，但盾体分为前盾、中盾和尾盾三部分， 可将尾盾拆除，在中盾后方安装管片拼装系统，因此本发明具有一定 的扩展性。

综上所述，本发明是一种反映软弱地层与盾构的相互作用从而深 入研究软弱地层盾构掘进力学行为的室内土压平衡盾构掘进模拟系 统。

附图说明

图1是盾构模型机总图。

图2是压力传感器布置图。

图3是土仓隔板构件布置图。

图4是刀盘构件布置图。

图5是尾盾剖面图。

图中，1-前盾，2-中盾，3-尾盾，4-刀盘，5-斜向螺旋输送机， 6-水平螺旋输送机，7-压力传感器，8-主驱动电机，9-回转接头，10- 刀盘旋转轴，11-改良剂注入口，12-挂钩，13-卡槽，14-超前刀，15- 切削刀，16-可拆卸式面板，17-中心刀，18-螺栓，19-卡板，20-前 推力架，21-后推力架，22-千斤顶油缸，23-反力架，24-土仓出渣口， 25-钢质保护罩，26-前盾内土仓隔板。

具体实施方式

以下结合附图所示实例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，盾体包括前盾1、中盾2和尾盾3，前盾1、中盾2 和尾盾3通过内置的螺栓18从盾体外部连接。沿纵向在前盾1、中盾 2和尾盾3的顶部各布设有压力传感器7。压力传感器7的布置如图2 所示，采用内嵌式装配方式，通过螺栓18固定卡板19，以卡板19 卡住压力传感器7。如需检修和更换压力传感器7，只需松开螺栓18， 揭开卡板19即可取出压力传感器7。为了保证盾体顺畅推进和保护压 力传感器7，压力传感器7感应面相对周围内凹5mm～6mm。如图3所 示，前盾内土仓隔板26上布置有2个压力传感器7和3个改良剂注 入口11。

如图1所示，推进系统位于尾盾3后方，将千斤顶油缸22支撑 在反力架23上，通过前推力架20和后推力架21，将千斤顶油缸22 推力传到尾盾3，推动盾构机整体前进。

如图1所示，刀盘掘削系统主要包括刀盘4、主驱动电机8、回 转接头9和旋转轴10。如图4所示，刀盘4上不同径向位置上布置有 2个压力传感器7和2个改良剂注入口11，改良剂输送管路通过旋转 轴10和回转接头9连接盾构外置改良剂发生系统。刀盘4上布置有 切削刀15、超前刀14和中心刀17，以实现刀盘4在软弱地层的掘削。 刀盘基本型式为辐条式，为了实现与面板式刀盘的切换，通过螺栓18 安装有面板16，根据刀盘开口率的需求在面板16上开口，根据刀具 配置需求另安装切削刀15和超前刀14。如图1所示，刀盘4上的压 力传感器7尾部深入土仓内，为了保护压力传感器7，在其外部安装 钢质保护罩25，兼作为土仓内渣土搅动棒。

如图1所示，螺旋输送系统包括斜向螺旋输送机5和水平螺旋输 送机6。斜向螺旋输送机5连接于土仓出渣口24，沿斜向螺旋输送机 5纵向布置有压力传感器7，测定渣土压力沿斜向螺旋输送机7纵向 分布规律。斜向螺旋输送机5纵向布置有改良剂注入口11，改良剂注 入口11实现渣土改良，避免螺旋输送机堵塞导致排土不畅和能耗过 大。水平螺旋输送机6置于如图5所示尾盾3的卡槽13内，上接斜 向螺旋输送机5输出渣土，将渣土输入盾体外面，另外可通过卡槽13 限制盾体由于前方自重相对较大而引起栽头现象。盾构模型机内所有 接线统一挂在挂钩12上面。

上述实例说明本发明的原理和实施方式，没有对其具体尺寸和参 数进行限制，研发人员只需根据力学原理和相似准则等理论并可针对 具体尺寸盾构进行设计。本发明用于室内模型试验研究土压平衡盾构 掘进力学，不包含盾构管片拼装功能，但是可以需要拆除尾盾后安装 管片拼装机即可实现。