[发明专利]一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验装置及方法

说明书

本发明一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验装置及方法，装置包括台架、盾壳和旋转电机；盾壳为圆筒状，水平的固定于台架上，其一端封堵有加压板，另一端设有刀盘，顶部开设有可开闭仓门；加压板外侧设有水平的千斤顶，刀盘由旋转电机通过驱动主轴驱动旋转，驱动主轴上设有传感器组；试验时土体通过盾壳顶部的可开闭仓门加入，千斤顶通过加压板挤压土体，刀盘上的刀具开始对土体进行掘削，开挖处的渣土通过刀盘开口排出，可以观察出土情况。本发明模型试验装置能够对盾构刀盘的开挖进行真实模拟，开挖过程中可以直观地观察掘进的情况，并能够监测到掘进过程中刀盘的扭矩以及出土情况；对预防和处置刀盘泥饼问题具有参考意义。

技术领域

本发明涉及地下工程盾构模型试验技术领域，具体为一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验装置及方法。

背景技术

随着城市化进程的不断加快，许多城市都在积极地进行地铁工程的建设，对隧道的修建在数量和质量上都提出了更高的要求。盾构机在城市地下隧道建设中被广泛使用并取得了良好的经济效益和社会效益，但是随着地铁建的不断深入，盾构穿越的地质条件越来越复杂，许多不良的地层条件给盾构机的开挖带来了一些问题。盾构机在某些粘土或粉土地层中开挖时，粘土极易附着在刀盘上形成泥饼，导致刀具无法继续切削土体，阻塞渣土排出，严重阻碍盾构掘进施工，造成巨大的经济损失。

针对土压平衡盾构机在特定地层中掘进的结泥饼现象进行研究，了解研究泥饼的产生机理及影响因素，以及预防泥饼的方法和泥饼处置措施是保证盾构能够高效快速掘进的关键。由于基于现场的盾构隧道开挖过程试验较难实现，因此可以通过室内模型试验来模拟土压平衡盾构刀盘泥饼的产生，对结泥饼现象进行研究。

国内外学者针对盾构机刀盘泥饼现象进行了已很多的研究，但基本都限于对不同土样进行室内试验测得土样的某些参数后判别其结泥饼的可能性，没有考虑盾构开挖所用刀具类型及分布、关键施工参数等因素的影响。目前针对特定土样进行刀盘掘进结泥饼现象模拟的研究几乎还是空白。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验装置及方法，可以模拟特定土体中的盾构掘进，调整刀具布置和施工参数，直观地观察不同情况下掘进的过程和泥饼的产生，以及泥饼的形态和分布情况，从而为研究结泥饼现象产生机理和泥饼预防及处置方法提供依据。技术方案如下：

一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验装置，包括台架、盾壳和旋转电机；盾壳为圆筒状，水平的固定于台架上，其一端封堵有加压板，另一端设有刀盘，顶部开设有可开闭仓门；加压板外侧设有水平的千斤顶，刀盘由旋转电机通过驱动主轴驱动旋转，驱动主轴上设有传感器组。

进一步的，所述加压板一侧的台架上竖直的固定有加固板，所述千斤顶的底座固定于加固板上，前端固定于加压板上。

更进一步的，所述驱动主轴通过卡口与旋转电机的输出轴固定连接，旋转电机配有调速器。

更进一步的，所述驱动主轴下方设有支撑架，所述传感器组安装于支撑架上。

更进一步的，所述台架上设有条形螺栓槽，所述盾壳通过螺栓固定于条形螺栓槽内。

更进一步的，所述刀盘上设有刀具和刀盘开口，刀盘通过刀盘连接螺栓与所述驱动主轴固定连接。

更进一步的，所述传感器组包括轴力传感器、扭矩传感器、转速传感器和功率传感器。

一种用于土压平衡盾构刀盘结泥饼模拟的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：将试验装置组装在台架上，打开盾壳上部的可开闭仓门放入试验土体，填满加压板与刀盘之间的空间后，关闭仓门；

步骤2：通过千斤顶对土体进行加压，观察千斤顶上压力表示数；压力达到预定范围后，打开旋转电机开关，带动刀盘旋转，模拟盾构机刀盘的开挖；