[实用新型]泥水平衡式模型盾构试验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及泥水平衡式模型盾构试验装置。 

背景技术

水下隧道结构形式在我国的交通领域内所占比重将会越来越大，泥水平衡式盾构机是水下隧道盾构法施工的主要设备。泥水盾构机在水下隧道施工时，通过在泥水舱内形成特定压力、浓度的泥水回路，在刀盘开挖面形成泥膜，并使开挖面前后压力差保持在设定的范围内，使盾构机能够在高水压的水下环境能顺利掘进，刀盘开挖面切削泥膜的平衡机理对开挖面的稳定和动态掘进过程具有重要的影响。通过对掘进过程进行模拟，对盾构机、土体和地下水的相关参数进行测试，可确定盾构机的泥水平衡机理，确定掘进过程中盾构机和开挖面平衡之间的相互影响关系，为水下盾构隧道的设计和施工提供参考，为盾构机的选型提供依据。 

目前国内外较具代表性的盾构试验设备装置有：早稻田大学研制的微型泥水平衡式盾构机模拟试验装置，利用该微型试验装置对早期泥水平衡式盾构机的掘进机理方面进行了研究，但其对泥水平衡式盾构机的模拟过于简单，很多条件都无法设定，尤其对于水压较高条件下(100米水头)泥水盾构机的掘进过程和平衡机理难以研究。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供泥水平衡式模型盾构试验装置，该系统可以模拟高水压的水下隧道施工中采用泥水盾构机的掘进过程，并同步记录土压、水压、位移和盾构机的掘进参数，从而找出与分析泥水压平衡围岩的机理与条件，为水下隧道的施工和泥水盾构机的设计提供更可靠的实验依据。 

本实用新型实现其发明目的所采用的技术方案是：泥水平衡式模型盾构试验装置，其组成为： 

放置土体的模型箱固定于底座上，制冷冻结装置与模型箱内的冻结管连通； 

盾构机的前部经过模型箱侧面上的导向套进入模型箱，盾构机前部的刀盘通过主轴与液压动力系统的齿轮箱的输出轴相连；位于盾构机左右两侧的千斤顶，连接于模型箱和齿轮箱之间； 

盾构机的刀盘后方设置有隔板，隔板与刀盘之间的空间构成泥水舱；与气压加压装置相连的泥水罐的注浆管在盾构机机壳的尾部穿入盾构机内部，端部固定在隔板上；盾构机内下部的螺旋出土器的进口伸入泥水舱，出口与盾构机后部下方的沉渣罐相连；沉渣罐则通过压力管与泥水罐相连； 

模型箱的上部通过加压管与气压加压装置相连； 

模型箱内的土体中埋有温度传感器、孔隙水压力计、位移计、土压力盒；温度传感器、孔隙水压力计、位移计、土压力盒均与数据采集及控制装置连接。 

本实用新型的具体原理和工作过程是： 

在放置土体的模型箱内放置按相似比配置的土体，以模拟不同围岩。气压加压装置通过模型箱顶部的加压管将气压压入模型箱，控制气压压力，可以模拟围岩承受的不同地下水压。控制千斤顶的油缸进出油，由千斤顶带动齿轮箱及整个盾构机运动，实现盾构机的后退和掘进，并可控制掘进过程中盾构机速度；同时液压动力系统通过齿轮箱、主轴驱动刀盘旋转，切削模型箱内的土体；刀盘的刀具和开口率能根据不同的围岩类别进行调整。同时气压加压装置还向泥水罐施加压力，使泥水罐内的泥水以特定的压力、浓度通过注浆管向泥水舱内灌注泥浆，进入盾构机前方刀盘处，在刀盘切削土体时，形成泥膜，平衡开挖面的稳定；然后切削下来的土体，连同泥浆，经过刀盘面板开口，进入泥水舱下部，再通过螺旋出土器内的螺旋轴的旋转，推动土体向后移动，排入到沉渣罐内。沉渣罐内的泥水再回流到泥水罐内，形成泥水的循环流动。这样即实现了泥水盾构机的掘进与切削过程的模拟。 

待掘进到一定位置时，停止盾构机及刀盘的运转，启动制冷冻结装置，向模型箱内的冻结管输入液氮，迅速将围岩及切削面上的泥膜冻结；然后打开模型箱取出已冻结固化的围岩及泥膜；从而可以通过钻探、切割的方法得到泥膜的形成范围、厚度等参数。 

在试验过程中，模型箱内预先埋设了温度传感器、孔隙水压力计、土压力盒和位移计，可以分别对土体的相关参数进行测试：温度传感器可测试泥膜和土体的冻结温度；孔隙水压力计用于测试土体的水压力，并和加气压装置的数据进行比较；土压力盒用于测试开挖土体周边的土压力；位移计用于测试地层的竖向位移。在试验过程中，同时记录下各对应时刻的模型盾构机的掘进参数，包括千斤顶推力，刀盘转速、螺旋出土器转速、泥水压力、泥浆量等。通过分 析即可得出这些数据与泥膜形状、厚度的关系；进而得到泥水盾构机的适宜掘进参数，以指导隧道现场施工和盾构机的机型参数优化。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：