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專利名稱：大型盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種用于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域模擬試驗裝置，特別是一種大型盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺。
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)條件進行合理的盾構(gòu)選型，均需要進行不同地層的盾構(gòu)掘進適應(yīng)性試驗研究。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，日本專利JP8029297，名稱為一種盾構(gòu)掘進離心模型試驗裝置和試驗方法，該技術(shù)通過采用實物進行力學(xué)相似原理，可模擬并確認作用在管片上的荷載，并提供盾構(gòu)推進模型試驗方法。在離心力裝置上放置一個裝有模型土體的試驗土箱后，利用離心力加載裝置對實物進行模型縮尺1/n倍后將模型放入n倍的離心加速度場中進行模型試驗。通過離心模型試驗裝置模擬模型盾構(gòu)推進過程，將作用在盾構(gòu)隧道管片的荷載以模型試驗的方式來測量和確認隧道的受力狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本實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)掘進模擬試驗平臺。使其能夠模擬不同盾構(gòu)在不同地層中的掘進過程，從而提高掘進機的設(shè)計、制造水平，擴大我國掘進機的國產(chǎn)率。
本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本實用新型包括土箱、模擬盾構(gòu)掘進機、拉桿、主頂裝置、后靠、囊袋、底座、加載系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，模擬盾構(gòu)掘進機采用φ1800mm，拉桿將土箱和后靠連接起來，底座是主頂裝置的基礎(chǔ)，土箱內(nèi)設(shè)置若干只囊袋，囊袋通過管道與加載系統(tǒng)連接起來，土箱中裝滿典型土層，土箱中還設(shè)置有若干個土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器，這些傳感器與監(jiān)測系統(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)掘進機安置在主頂裝置上，同時模擬盾構(gòu)機得頭部刀盤通過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)軸向長度不小于6.0m、土箱上方留有直徑為1.5m的兩個圓形開口，另外，土箱為密封結(jié)構(gòu)。
所述的模擬盾構(gòu)掘進機刀盤轉(zhuǎn)速0～5rpm，推進速度60mm/min。
所述的主頂裝置為模擬盾構(gòu)掘進機提供動力，主頂裝置頂進速度60mm/min。
所述的土箱內(nèi)設(shè)置若干個囊袋，通過加載系統(tǒng)用水對囊袋充水加壓。
所述的加載系統(tǒng)的作用是通過對土箱中的土體施加一定的壓力來模擬盾構(gòu)掘進機在地下的施工工況，最大加載壓力為0.5Mpa。
本實用新型可以模擬盾構(gòu)掘進全過程，包括刀盤切削和盾構(gòu)推進過程、排土過程、盾尾注漿等；與背景專利相比，通過每次試驗不能夠模擬盾構(gòu)掘進的全過程，背景專利每次試驗只能模擬單一功能；本實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)實現(xiàn)多種典型地層和混合地層的模擬；例如，通過土箱中通過囊袋加壓可改變土箱中的土性，從而實現(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；本實用新型土箱長度可根據(jù)試驗需要進行組合，可滿足不同地層(混合地層)的模擬和不同掘進長度的需要；這是背景專利和國內(nèi)外其它類似裝置或試驗平臺所沒有的功能，實際上背景專利中涉及的試驗裝置中的掘進長度是有限的；本實用新型土箱是多功能的，除了滿足盾構(gòu)掘進模擬試驗，還可進行凍結(jié)、螺旋輸送機出土和注漿等多種試驗。這也是背景專利和國內(nèi)外其它類似裝置或試驗平臺所沒有的功能；本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)可以自動記錄試驗過程中各類數(shù)據(jù)并實時顯示相關(guān)曲線；由于試驗裝置的規(guī)模較大，在典型土層中和模擬盾構(gòu)掘進機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過程中的數(shù)據(jù)，而背景專利設(shè)計的試驗裝置規(guī)模較小，只能布置有限個傳感器，使試驗中采集的數(shù)據(jù)量受到限制，不便于作全面的、詳細的分析。


圖1為模擬試驗平臺示意圖其中土箱1，模擬盾構(gòu)掘進機2，拉桿3，主頂裝置4，后靠5，囊袋6，底座7。
圖2盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺的平面布置示意圖其中加載系統(tǒng)8，監(jiān)測系統(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。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，本實用新型包括土箱1、模擬盾構(gòu)掘進機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)測系統(tǒng)9、加載系統(tǒng)8、控制系統(tǒng)10。模擬盾構(gòu)掘進機2采用φ1800mm，拉桿3將土箱1和后靠5連接起來，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通過管道與加載系統(tǒng)8連接起來，土箱1中裝滿典型土層，土箱1中還設(shè)置有若干個土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器，這些傳感器與監(jiān)測系統(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)掘進機2安置在主頂裝置4上，同時模擬盾構(gòu)機得頭部刀盤通過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)軸向長度大于等于6.0m、土箱1上方留有直徑為1.5m的兩個圓形開口，另外，土箱1為密封結(jié)構(gòu)，使用過程中不漏水、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、位移計、孔壓計等，可方便測量模擬盾構(gòu)掘進過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)掘進機2具有土壓平衡式、泥水平衡式互換以及刀盤互換的特點，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，螺旋機直徑φ300mm，出土量9.16m3/h，扭矩117kNm，刀盤轉(zhuǎn)速0～5rpm，推進速度60mm/min，刀盤開口率30％(面板式)，75％(輻條式)。
所述的主頂裝置4為模擬盾構(gòu)掘進機提供動力，主頂裝置4的主要性能參數(shù)如下油缸型號160/200-1500，額定頂力3000kN，最大頂力3750kN，額定油壓24Mpa，最大油壓30Mpa，頂進速度60mm/min，工作流量50L/min。
所述的囊袋6，整個土箱1內(nèi)共裝有36只，通過加載系統(tǒng)8用水對囊袋6充水加壓，壓力傳到土體，通過分級加載從而實現(xiàn)對土體內(nèi)不同應(yīng)力狀態(tài)的模擬。
所述的加載系統(tǒng)8的作用是通過對土箱1中的土體施加一定的壓力來模擬盾構(gòu)掘進機2在地下的施工工況。其具體形式為通過給模擬土箱1中的多組橡膠囊袋6中注入一定壓力的水來實現(xiàn)對土箱1中土體的加載。其中，通過橡膠囊袋6所施加的壓力分為5組，并要實現(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)掘進模擬試驗為例，先在試驗平臺的土箱1中模擬擬掘進的典型地層，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；利用試驗平臺中加載系統(tǒng)8(設(shè)計適當加壓方式)和囊袋6改變土體中的應(yīng)力狀態(tài)，通過加載系統(tǒng)8適當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)掘進機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)機轉(zhuǎn)速和推進速度，由主頂裝置4通過液壓系統(tǒng)11提供適當動力進行頂進掘進，掘進過程中通過控制系統(tǒng)10調(diào)整模擬盾構(gòu)掘進機2中螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速控制土箱中的土壓平衡；試驗過程中使用液壓系統(tǒng)11控制盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速和推進速度，試驗過程中可以通過不同開口率的刀盤的掘進模擬試驗，使用監(jiān)測系統(tǒng)9測定刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、推進速度、推進頂力等，研究盾構(gòu)機工作參數(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)掘進模擬試驗平臺，包括土箱(1)、模擬盾構(gòu)掘進機(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)測系統(tǒng)(9)、控制系統(tǒng)(10)、液壓系統(tǒng)(11)，模擬盾構(gòu)掘進機(2)采用刀盤直徑φ1800mm，拉桿(3)將土箱(1)和后靠(5)連接起來，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)通過管道與加載系統(tǒng)(8)連接起來，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)掘進機(2)設(shè)置在主頂裝置(4)上，同時模擬盾構(gòu)掘進機(2)頭部刀盤通過密封裝置設(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)掘進模擬試驗平臺，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)掘進模擬試驗平臺，其特征是，所述的土箱(1)上方留有直徑為1.5m的兩個圓形開口，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)掘進模擬試驗平臺，其特征是，所述的土箱(1)內(nèi)設(shè)置若干個囊袋(6)，通過加載系統(tǒng)(8)用水對囊袋(6)充水加壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺，其特征是，所述的模擬盾構(gòu)掘進機(2)刀盤轉(zhuǎn)速0-5rpm，推進速度60mm/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型盾構(gòu)掘進模擬試驗平臺，其特征是，所述的主頂裝置(4)頂進速度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)掘進模擬試驗平臺。模擬盾構(gòu)掘進機采用φ1800mm，拉桿將土箱和后靠連接起來，底座是主頂裝置的基礎(chǔ)，土箱內(nèi)設(shè)置若干只囊袋，囊袋通過管道與加載系統(tǒng)連接起來，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)掘進機安置在主頂裝置上，同時模擬盾構(gòu)機得頭部刀盤通過密封裝置安裝在土箱的端部入口中。本實用新型可以模擬盾構(gòu)掘進全過程，實現(xiàn)多種典型地層和混合地層的模擬，除了滿足盾構(gòu)掘進模擬試驗，還可進行凍結(jié)、螺旋輸送機出土和注漿等多種試驗。
文檔編號G01M99/00GK2771845SQ20042011089
公開日2006年4月12日 申請日期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 申請人:上海隧道工程股份有限公司