[发明专利]一种模型试验用土压平衡式顶管机模拟方法及结构装置

说明书

本发明涉及顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验技术领域，用于岩土工程中的地质力学模型试验，是一种模型试验用土压平衡式顶管机结构装置。包括，壳体、切削刀头、螺旋出土器；切削刀头设置在该顶管机结构装置的最前端；切削刀头包括开挖刃脚，开挖刃脚呈环形，其前端呈倾斜面；壳体与前端设置的切削刀头连接；螺旋出土器位于壳体后半部分内部，螺旋出土器包括出土器外壳、螺旋叶片和传动轴；传动轴与螺旋叶片连接，该传动轴带动螺旋叶片转动。本申请结构简单、使用方便，为顶管隧道施工过程中地层变位、土压力变化及管片受力情况等相关模型试验研究奠定基础。

技术领域

本发明涉及顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验技术领域，用于岩土工程中的地质力学模型试验，是一种模型试验用土压平衡式顶管机模拟方法及结构装置。

背景技术

随着社会的发展及人口密度的迅速增长，人们对城市地下空间开发的步伐也在加快，而轨道交通、城市管廊以及地下电力管网等作为城市地下空间开发利用的主要形式，常常需要穿越建(构)筑密集区。由于传统明挖顺作法施工在这些区域受到严重限制，因此采用对地面和周围环境影响都相对较小的暗挖施工方法称为趋势和必然。其中，顶管法因其不阻碍交通、不破坏环境、噪音少、污染少，对周围居民影响较小，同时开挖量小、作业面小、施工工期短、综合成本低等优点，成为了一种比较常见和重要的暗挖施工方法。

由于顶管施工过程较为复杂，且对周围城市的建构筑物也会产生一定的影响，因此国内外相关学者也开展了一些相关研究。

目前考虑前端顶管机的掘进施工过程，开展顶管法施工的相关室内或模型试验研究较少，少数试验中尚未考虑开挖施工过程的影响。因此探索顶管法施工大比尺物理模型试验的新方法，研发其对应的试验装置，建立其适用的监测系统及方法，进行考虑顶管机掘进的顶管法施工过程模拟分析，研究其施工过程中地层的空间变位特征及应力变化情况，具有重要的理论和实践意义。

发明内容

本申请目的是设计一种结构简单、使用方便的开挖模拟装置，通过进行顶管隧道施工中掘进、切土和渣土输出等过程的模拟使用，为顶管隧道施工过程中地层变位、土压力变化及管片受力情况等相关模型试验研究奠定基础。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种模型试验用土压平衡式顶管机结构装置，包括，壳体、切削刀头、螺旋出土器；所述切削刀头设置在该模型试验用土压平衡式顶管机结构装置的最前端，用以切削土体；所述切削刀头包括开挖刃脚，所述开挖刃脚呈环形，其前端呈倾斜面，该开挖刃脚用以在顶进过程中切削土体；所述壳体与前端设置的所述切削刀头连接，用以支撑开挖后的土体不坍塌、且为螺旋出土器螺旋输送提供作业空间；所述螺旋出土器位于壳体后半部分内部，所述螺旋出土器包括出土器外壳、螺旋叶片和传动轴；所述传动轴与螺旋叶片连接，该传动轴带动螺旋叶片转动；所述螺旋出土器用以将切削的土体输送至顶管机模型后方。

进一步的，所述切削刀头还包括分割刃脚，所述分割刃脚设置有水平和竖直方向布置多条刃脚，用以把开挖刃脚切下的土体分块。

进一步的，所述开挖刃脚的最底部中间设置有纠偏导向孔，用以纠正该模型试验用土压平衡式顶管机结构装置掘进过程中发生偏移。

进一步的，所述纠偏导向孔贯穿的设置在所述壳体壁上。

进一步的，所述壳体的前段径向设置有土仓后壁，所述土仓后壁与所述壳体的前段共同围成所述搅拌土仓，所述搅拌土仓用以容纳所述切削刀头切下的土体。

进一步的，所述搅拌土仓设置有搅拌器，该搅拌器用以将所述切削刀头切下后进入搅拌土仓的土体转动搅拌至松散状并落入搅拌土仓底部。

进一步的，所述土仓后壁上设置有与所述螺旋出土器尺寸相同的开口，所述螺旋出土器前端与所述土仓后壁的开口连接；且所述传动轴通过开口与所述搅拌器连接，该传动轴带动搅拌器转动。