主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律装置和方法

摘要

本发明公开了主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律装置和方法，属于隧道工程的模型试验领域。通过模型盾构机刀盘上、土压舱内、螺旋出土器内安装微型土压力盒的方式，完成了对盾构机内部土压力监测点的布设；将前期盾构掘进过程中各处微型土压力盒达到的稳定值，作为研究开挖面主动破坏过程中盾构机内部土压传递规律的模型盾构机内部各处土压力的初始值；通过模型盾构机刀盘空转、螺旋出土器出土的试验方法，模拟真实盾构机主动破坏的过程，进而研究主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律。本发明可用于模拟有水和无水条件下，砂土、黏土、砂卵石土等地层中盾构隧道开挖面主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程的模型试验领域，具体涉及隧道开挖面主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律的装置和方法。

背景技术

近些年，随着城市地面交通拥堵情况的加剧，在北京、上海、深圳等城市已经修建了大量的地铁隧道。由于盾构法具有机械化程度高、对地面交通干扰小等优点，城市地铁隧道普遍采用盾构法施工。盾构机目前最常用的是泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机。土压平衡盾构机的工作原理是：刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，最后通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。当顶级速度过慢时，土压舱内的土体支护力不足以平衡刀盘前方的水土压力，就会出现主动破坏现象。

由于模型试验能够直观的观察到地表变形等情况，国内外许多机构采用模型盾构机来进行盾构隧道开挖面主动破坏过程的试验。在正常掘进过程中，刀盘、土压舱及螺旋出土器各处的土压力处于相对平衡状态，而国内外学者对主动破坏过程中模型盾构机内土压力的传递及变化规律的研究很少。

研究盾构隧道主动破坏过程中盾构机内部土压力的传递规律对于预测或避免盾构掘进中主动破坏的发生具有指导作用。因此，急需一种隧道开挖面主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律的装置和方法。

发明内容

本发明目的就在于提供一种盾构隧道主动破坏过程中研究模型盾构机内部土压传递规律的装置和方法，具体指隧道开挖面主动破坏过程中盾构机内部土压传递规律的装置和方法。

本发明所要解决的技术问题就是提供一种隧道开挖面主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律的装置和方法。可以适用于模拟有水和无水条件下，黏土、砂土、复合地层等地层。

本发明的技术方案为：

主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律装置，微型土压力盒(1)呈上大下小的形状，微型土压力盒(1)尾部由导线(2)穿出，用于测量模型盾构机内部的土压力。

刀盘(3)装在模型盾构机(4)的最前端，通过旋转切削前方土体。刀盘面板(5)上有一定的开口(6)，切削下来的土体经过刀盘(3)上的开口(6)进入刀盘后面的土压舱(7)内。

刀盘面板(5)上挖有通透的凹槽(8)，凹槽(8)呈上大下小的形状，与微型土压力盒(1)的形状和大小相一致。将微型土压力盒(1)放入刀盘(3)的凹槽(8)内后，由于刀盘面板(5)上的凹槽(8)上大下小，微型土压力盒(1)不会掉出。

土压舱(7)位于模型盾构机(4)的刀盘(3)的后面，用于暂时储存刀盘(3)切削下的土体，并通过内部土体的支护力来平衡开挖面上的水土压力。

所述的土压舱(7)的舱壁(9)上挖有通透的凹洞(10)，凹洞(10)呈上大下小的形状，凹洞(10)与微型土压力盒(1)的形状和大小一致。将微型土压力盒(1)放入舱壁(9)的凹洞(10)内后，凹洞(10)上大下小，微型土压力盒(1)不会掉出。

螺旋出土器(11)安装在模型盾构机(4)的内部，用来排出土压舱(7)内的土体。通过调节螺旋出土器(11)的转速来维持土压舱(7)内的支护力与开挖面上水土压力相平衡。

在螺旋出土器(11)的管壁(12)内壁底部等间距挖出几个上大下小的孔(13)，孔(13)的大小、形状与微型土压力计(1)相同，将微型土压力盒(1)放入螺旋出土器(11)的孔(13)内，不会掉出。

刀盘面板(5)的厚度大于微型土压力盒(1)的高度。

螺旋出土器(11)的管壁(12)的厚度大于微型土压力盒(1)的高度。

土压舱(7)的舱壁(9)的厚度大于微型土压力盒(1)的高度。

主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律的方法，包括如下步骤：

S1模型箱(14)内填土完成后，静置一段时间，记录下模型盾构机(4)的刀盘(3)上、土压舱(7)舱壁(9)上和螺旋出土器(11)底部的微型土压力盒(1)的初始读数。

S2将模型盾构机(4)紧靠模型箱(14)洞口(15)，准备开挖。同时开启模型盾构机的顶进电机(16)、刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)，模型盾构机(4)开始掘进。当各处微型土压力盒(1)的读数稳定后，记录下刀盘(3)上、土压舱(7)舱壁(9)上和螺旋出土器(11)底部的微型土压力盒(1)的读数。

S3模型盾构机(4)继续开挖一段距离后，同时关闭顶进电机(16)、刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)，模型盾构机(4)停止掘进。静置，待半小时以内所有微型土压力盒(1)的读数都稳定在允许范围内时，此时读取各处微型土压力盒(1)的读数。

S4开始盾构开挖面主动破坏试验。启动刀盘电机(17)，同时打开螺旋出土器电机(18)，关闭顶进电机(16)。实时记录各处微型土压力盒的读数，包括刀盘(3)上、土压舱(7)的舱壁(9)上和螺旋出土器(11)底部的微型土压力盒(1)的读数。

S5试验结束后，关闭刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)，静置一段时间后测模型盾构机内部各处微型土压力盒(1)的读数。

本发明的有益效果表现在：

(1)本发明在刀盘、土压舱和螺旋出土器内安装微型土压力盒监测模型盾构机内的土压力，能够准确、实时地监测土压力大小和变化，为研究主动破坏过程中模型盾构机内部土压力变化规律提供基础。

(2)本发明通过刀盘空转、螺旋出土器出土的方式模拟盾构开挖面的主动破坏过程，与真实盾构机主动失稳的过程更相近，从而得到的主动破坏过程中模型盾构机内部土压力变化规律更合理。

(3)本发明研究模型盾构机内部土压力传递规律是在前期模型盾构机各处土压力保持稳定的基础上进行的，与真实盾构开挖面主动失稳前的正常掘进过程相符，得到模型盾构机刀盘上、土压舱内和螺旋出土器内土压力的大小及变化规律更为真实。

附图说明

图1微型土压力盒示意图。

图2刀盘及微型土压力盒位置图。

图3土压舱及微型土压力盒位置图。

图4螺旋出土器及微型土压力盒位置图。

图5实例中模型箱示意图。

图6实例中模型盾构机示意图。

图中：1、微型土压力盒；2、导线；3、刀盘；4、模型盾构机；5、刀盘面板；6、开口；7、土压舱；8、凹槽；9、舱壁；10、凹洞；11、螺旋出土器；12、管壁；13、孔；14、模型箱；15、洞口；16、顶进电机；17、刀盘电机；18、螺旋出土器电机。

具体实施方式

为了清楚地了解本发明，下面结合附图并通过具体实施方式对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图6所示，实例中的模型盾构机(4)，具有真实盾构机具有的基本组成部分，刀盘(3)、土压舱(7)和螺旋出土器(11)。盾构机刀盘的直径为300mm，盾构机的长度为2100mm。

模型盾构机(4)能完成盾构的掘进和刀盘(3)旋转、螺旋出土器(11)出土等真实盾构机具有的基本功能。模型盾构机(4)的掘进、刀盘(3)的旋转和螺旋出土器(11)的旋转，通过顶进电机(16)、刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)分别控制，并可以独立运行。

如图5所示模型箱(14)，尺寸为：开挖方向宽1m，长2m，高1.5m。前后箱体有一直径为30cm的洞口(16)，作为模型盾构机(4)掘进的入口，箱体由10mm厚的钢板焊接而成，能满足模型试验的刚度要求。

一种隧道开挖面主动破坏过程中盾构机内部土压传递规律的装置，特点在于其构成包括：

如图1所示，微型土压力盒(1)，尺寸较小，呈上大下小的形状，尾部有导线(2)穿出，用于测量模型盾构机内部的土压力。

如图2所示，刀盘(3)，装在模型盾构机(4)的最前端，通过旋转切削前方土体。刀盘面板(5)上有一定的开口(6)，切削下来的土体经过刀盘(3)上的开口(6)进入刀盘后面的土压舱(7)内。

所述的刀盘面板(5)上挖有通透的凹槽(8)，呈上大下小的形状，与微型土压力盒(1)的形状和大小相一致。将微型土压力盒(1)放入刀盘(3)的凹槽(8)内后，由于刀盘面板(5)上的凹槽(8)上大下小，微型土压力盒(1)不会掉出。刀盘面板(5)的厚度大于微型土压力盒(7)的高度。

如图3所示，土压舱(7)，位于模型盾构机(4)刀盘(3)的后面，用于暂时储存刀盘(3)切削下的土体，并通过内部土体的支护力来平衡开挖面上的水土压力。舱壁(9)厚度大于微型土压力盒(1)的高度。

所述的土压舱(7)的舱壁(9)上挖有通透的凹洞(10)，呈上大下小的形状，与微型土压力盒(1)的形状和大小相一致。将微型土压力盒(1)放入舱壁(9)的凹洞(10)内后，由于孔内的凹洞(10)上大下小，微型土压力盒(1)不会掉出。

如图4所示，螺旋出土器(11)，安装在模型盾构机(4)的内部，用来排出土压舱(7)内的土体。并通过调节螺旋出土器(11)的转速来维持土压舱(7)内的支护力与开挖面上水土压力相平衡。

在螺旋出土器(11)的管壁(12)内壁底部等间距挖出几个上大下小的孔(13)，孔(13)的大小、形状与微型土压力计(1)相同，将微型土压力盒(1)放入螺旋出土器(11)的孔(13)内，不会掉出。其管壁(12)厚度大于微型土压力盒(1)的高度。

一种盾构隧道开挖面主动破坏过程中盾构机内部土压传递规律的方法，其步骤如下：

①模型箱(14)内填土完成后，静置24h，记录下模型盾构机(4)刀盘(3)上、土压舱(7)舱壁(9)上和螺旋出土器(11)底部的微型土压力盒(1)的初始读数。

②将模型盾构机(4)紧靠模型箱(14)洞口(15)，准备开挖。同时开启盾构机的顶进电机(16)、刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)，模型盾构机(4)开始掘进。刀盘电机(17)的转速为5r/min，螺旋出土器电机(18)的转速为6r/min，顶进电机(16)的前进速度为10mm/min。当各处微型土压力盒(1)的读数稳定后，记录下刀盘(3)上、土压舱(7)舱壁(9)上和螺旋出土器(11)底部的微型土压力盒(1)的读数。

③模型盾构机(4)继续开挖10cm后，同时关闭顶进电机(16)、刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)，盾构机停止掘进。静置2小时，待半小时以内所有微型土压力盒(1)的读数都稳定在允许范围内时，此时读取各处微型土压力盒(1)的读数。

④开始盾构开挖面主动破坏试验。启动刀盘电机(17)以3r/min的速度空转，同时打开螺旋出土器电机(18)以2r/min的速度出土，不开顶进电机(16)。实时记录各处微型土压力盒的读数，包括刀盘(3)上、土压舱(7)舱壁(9)上和螺旋出土器(11)底部的微型土压力盒(1)的读数。

⑤试验结束后，关闭刀盘电机(17)和螺旋出土器电机(18)，静置1h后测模型盾构机(4)内部各处微型土压力盒(1)的读数。

以上对本发明的实例进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明要点的范围内进行适当变更。

实施方式与效果：

本发明上述实例，通过模型盾构机刀盘上、土压舱内、螺旋出土器内安装微型土压力盒的方式，完成了对盾构机内部土压力监测点的布设；将前期盾构掘进过程中各处微型土压力盒达到的稳定值，作为研究开挖面主动破坏过程中盾构机内部土压传递规律的模型盾构机内部各处土压力的初始值；通过模型盾构机刀盘空转、螺旋出土器出土的试验方法，模拟真实盾构机主动破坏的过程，进而研究主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律。本发明可用于模拟有水和无水条件下，砂土、黏土、砂卵石土等地层中盾构隧道开挖面主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律。