本发明专利技术涉及一种分析土压平衡盾构机密闭土舱最优轴向尺寸的土压平衡盾构机优化实验装置及其使用方法。本发明专利技术可用于测量不同开口率刀盘面板处的侧向土压力和土舱挡板处的侧向土压力，得出两处侧向土压力的变化规律，利用最优化分析，得出刀盘不同开口率下土舱的最优轴向尺寸。设计了不同开口率的刀盘面板模具模拟刀盘，并在刀盘面板模具上安装嵌入式土压力盒，用来测量不同开口率下刀盘面板处的侧向土压力；设计了活塞式挡板模拟土舱挡板，并在活塞式挡板上安装嵌入式土压力盒，用来测量土舱挡板处侧向土压力。本发明专利技术可清晰地展示土压平衡盾构机掌子面失稳的土体破坏形态，为盾构机在前期定型生产阶段提供设计依据，确保盾构机施工的安全及高效。
【技术实现步骤摘要】
一种土压平衡盾构机优化实验装置及其使用方法
本专利技术涉及地铁隧道盾构
以及土工试验装置领域，提出一种分析土压平衡盾构机密闭土舱最优轴向尺寸的实验装置及其使用方法，具体涉及一种土压平衡盾构机优化实验装置及其使用方法。
技术介绍
在这个经济飞速发展，城镇化水平不断提高的时代，地铁建设成为扩大城市空间开发及利用的重要方面，城市地铁隧道的施工方法也成为广大学者研究的重点课题之一。城市地铁隧道的主要建设方法包括明挖法、矿山法、新奥法和盾构法等，而在种类繁多的地铁隧道施工方法中，盾构法由于其机械化与信息化程度高，对地表建(构)筑物影响小，复杂地质条件适应性强，工期短等特点得到广泛使用。土压平衡盾构机是在土体渗透性不强且硬度适中的地层中应用较为广泛的一种盾构机，其刀盘开口率与密闭土舱的轴向尺寸直接关系到盾构机掘进施工掌子面的安全与稳定。如果当土压平衡盾构机的刀盘开口率一定时，密闭土舱的轴向距离过大，极易造成土舱内部的土压力与刀盘前外部土压力差值过大，导致开挖面土体支护压力不足，进而发生掌子面失稳，地表塌陷，发生重大工程事故。结合上述问题可以得到，土压平衡盾构机的刀盘的开口率与密闭土舱的轴向尺寸存在一定的联系，所以，有必要进行试验测出刀盘面板处侧向土压力以及密闭土舱舱壁侧向土压力的变化趋势，并推测出两者之间的传递系数，以便确定不同开口率刀盘下的密闭土舱最优轴向尺寸。为探测上述原理，本专利技术提出一种实验装置，为盾构机在前期定型生产阶段提供设计依据，确保盾构机施工的安全及高效。
技术实现思路
为了确定土压平衡盾构机刀盘的不同开口率对应的密闭土舱的最优轴向尺寸，本专利技术提出了一个新型实验装置及其使用方法，该装置可用于测量不同开口率刀盘面板处的侧向土压力和土舱挡板处的侧向土压力，得出两处侧向土压力的变化规律，利用最优化分析，得出刀盘不同开口率下土舱的最优轴向尺寸。本专利技术设计了不同开口率的刀盘面板模具模拟刀盘，并在刀盘面板模具上安装嵌入式土压力盒，用来测量不同开口率下刀盘面板处的侧向土压力，此外，本专利技术在设计了活塞式挡板模拟土舱挡板，并在活塞式挡板上安装嵌入式土压力盒，用来测量土舱挡板处侧向土压力。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种土压平衡盾构机优化实验装置，包括模型箱、盾构隧道模具、隧道模具固定板、活塞式挡板、位移控制器、活塞拉杆、刀盘面板模具和嵌入式土压力盒。其中：模型箱为顶部敞口的刚性透明长方体结构，选择短边一侧的箱体壁预留半圆形孔，用于安装盾构隧道模具；进一步地，所述的模型箱是由有机玻璃组成的顶部敞口的长方体结构，有机玻璃通过框架滑槽拼装而成，方便拆卸。进一步地，所述的模型箱内壁覆盖0.04mm的聚乙烯薄膜，即在有机玻璃制作时其作为模型箱内壁的内表面加工0.04mm的聚乙烯薄膜。进一步地，所述的模型箱长边长度大于或等于盾构隧道模具长度的3倍，短边长度大于或等于盾构隧道模具直径的3倍。盾构隧道模具为半圆筒体，盾构隧道模具采用钢材质，插入模型箱预留的半圆形孔道内，并通过隧道模具固定板固定，模拟已经建成的盾构隧道；隧道模具固定板采用钢板，设置有与将盾构隧道模具外壁形状相同的豁口，豁口上安装有密封条，从而将盾构隧道模具卡合固定，并通过隧道模具螺栓固定在模型箱侧壁上；活塞式挡板为半圆形钢板，嵌入在盾构隧道模具内，活塞式挡板用于模拟土舱内壁，活塞式挡板几何中心处留有螺纹卡槽，用于安装活塞拉杆；活塞式挡板螺纹卡槽的另一侧面上，设置安放嵌入式土压力盒的预留孔洞；活塞式挡板外边缘处涂抹一层固态润滑油，能够实现活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁自由滑动与密封的作用；进一步地，所述的活塞式挡板螺纹卡槽的另一侧面上，围绕几何中心的上下左右设置四个预留孔洞，用来安放嵌入式土压力盒。活塞拉杆为一端与活塞式挡板螺纹连接，另一端连接位移传感器，且活塞拉杆上安装力学传感器，在位移控制器上显示杆的轴力；位移控制器通过活塞拉杆与活塞式挡板连接，位置控制器控制活塞拉杆的移动速率，拉动活塞式挡板，使活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁背离开挖面方向滑动，从而实现隧道开挖面逐渐失稳；进一步地，所述的位移控制器上设有三个窗口，三个窗口分别为设置窗口，显示移动距离窗口，显示活塞拉杆轴力的窗口，刀盘面板模具为半圆筒形结构，卡合安装在盾构隧道模具伸入模型箱内的非固定端，用于模拟实际盾构刀盘，在刀盘面板模具上设有预留孔洞用于安放嵌入式土压力盒；进一步地，所述的刀盘面板模具设置为多个不同开口率的刀盘模具，开口率为30％～50％，所述开口率指的是开口位置的面积与刀盘面板模具的面板总面积之比。嵌入式土压力盒分别安装在刀盘面板模具和活塞式挡板的预留孔洞内，用来测量刀盘面板模具表面的土压力以及活塞式挡板表面的土压力。进一步地，本专利技术土压平衡盾构机优化实验装置还设置实验数据收集装置，实验数据收集装置连接嵌入式土压力盒，实验数据收集装置间隔固定时间采集嵌入式土压力盒的测量实验数据。上述土压平衡盾构机优化实验装置的使用方法，步骤如下：(1)盾构隧道模具安装在盾构隧道模具插入模型箱前，在盾构隧道模具中嵌入安装半圆形钢板结构的活塞式挡板，活塞式挡板用于模拟土舱内壁，活塞式挡板与活塞拉杆螺纹连接，活塞拉杆另一端连接位移传感器，且活塞拉杆上安装力学传感器；嵌入式土压力盒安装在活塞式挡板的预留孔洞内；(2)实验装置组装盾构隧道模具插入模型箱内，盾构隧道模具水平放置，隧道模具固定板通过隧道模具螺栓将盾构隧道模具卡合固定在模型箱侧壁上；将刀盘面板模具卡合安装在盾构隧道模具伸入模型箱内的非固定端，用于模拟实际盾构刀盘，嵌入式土压力盒安装在刀盘面板模具的预留孔洞内；(3)填土进行实验实验装置组装完成后，向模型箱内进行填土，土填满模型箱后，通过位移控制器拉动活塞拉杆，进而带动活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁背离开挖面方向滑动，直至掌子面完全坍塌；通过刀盘面板模具上的嵌入式土压力盒可以测得刀盘处的侧向土压力变化情况，通过活塞式挡板上的嵌入式土压力盒可以测得模拟土舱内壁活塞式挡板处的侧向土压力变化情况，然后将装填土体倒出后，更换不同开口率的刀盘模具，重复上述过程；(4)数据处理对不同开口率刀盘面板模具处的侧向土压力监测数据和活塞式挡板处的侧向土压力监测数据进行分析，利用最优化原理，得出土压平衡式盾构机刀盘开口率不同条件下，密闭土舱的最优轴向尺寸。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术新颖独特，操作简单，可以清晰地展示土压平衡盾构机掌子面失稳的土体破坏形态，此外，本专利技术可以测得密闭土舱挡板上与刀盘面板上的土压力，更加准确的分析土压平衡式盾构机密闭土舱内外土压力差，得到土压力在密闭土舱内的传递系数，找出刀盘开口率和密闭土舱轴向尺寸的关系，为盾构机在前期定型生产阶段提供设计依据，确保盾构机施工的安全及高效。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1中土压平衡盾构机优化实验装置的结构示意图；图2为图1中隧道模具固定板的结构示意图；图3为图1中活塞式挡板的结构示意图本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种土压平衡盾构机优化实验装置，其特征在于，该装置包括模型箱、盾构隧道模具、隧道模具固定板、活塞式挡板、位移控制器、活塞拉杆、刀盘面板模具和嵌入式土压力盒；其中：模型箱为顶部敞口的刚性透明长方体结构，选择短边一侧的箱体壁预留半圆形孔，用于安装盾构隧道模具；盾构隧道模具为半圆筒体，盾构隧道模具采用钢材质，插入模型箱预留的半圆形孔道内，并通过隧道模具固定板固定，模拟已经建成的盾构隧道；隧道模具固定板采用钢板，设置有与将盾构隧道模具外壁形状相同的豁口，豁口上安装有密封条，隧道模具固定板将盾构隧道模具卡合固定，并通过隧道模具螺栓固定在模型箱侧壁上；活塞式挡板为半圆形钢板，嵌入在盾构隧道模具内，活塞式挡板用于模拟土舱内壁，活塞式挡板几何中心处留有螺纹卡槽，用于安装活塞拉杆；活塞式挡板螺纹卡槽的另一侧面上，设置安放嵌入式土压力盒的预留孔洞；活塞式挡板外边缘处涂抹一层固态润滑油，能够实现活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁自由滑动与密封的作用；活塞拉杆为一端与活塞式挡板螺纹连接，另一端连接位移传感器，且活塞拉杆上安装力学传感器，在位移控制器上显示杆的轴力；位移控制器通过活塞拉杆与活塞式挡板连接，位置控制器控制活塞拉杆的移动速率，拉动活塞式挡板，使活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁背离开挖面方向滑动，从而实现隧道开挖面逐渐失稳；刀盘面板模具为半圆筒形结构，卡合安装在盾构隧道模具伸入模型箱内的非固定端，用于模拟实际盾构刀盘，在刀盘面板模具上设有预留孔洞用于安放嵌入式土压力盒；嵌入式土压力盒分别安装在刀盘面板模具和活塞式挡板的预留孔洞内，用来测量刀盘面板模具表面的土压力以及活塞式挡板表面的土压力。...
【技术特征摘要】
1.一种土压平衡盾构机优化实验装置，其特征在于，该装置包括模型箱、盾构隧道模具、隧道模具固定板、活塞式挡板、位移控制器、活塞拉杆、刀盘面板模具和嵌入式土压力盒；其中：模型箱为顶部敞口的刚性透明长方体结构，选择短边一侧的箱体壁预留半圆形孔，用于安装盾构隧道模具；盾构隧道模具为半圆筒体，盾构隧道模具采用钢材质，插入模型箱预留的半圆形孔道内，并通过隧道模具固定板固定，模拟已经建成的盾构隧道；隧道模具固定板采用钢板，设置有与将盾构隧道模具外壁形状相同的豁口，豁口上安装有密封条，隧道模具固定板将盾构隧道模具卡合固定，并通过隧道模具螺栓固定在模型箱侧壁上；活塞式挡板为半圆形钢板，嵌入在盾构隧道模具内，活塞式挡板用于模拟土舱内壁，活塞式挡板几何中心处留有螺纹卡槽，用于安装活塞拉杆；活塞式挡板螺纹卡槽的另一侧面上，设置安放嵌入式土压力盒的预留孔洞；活塞式挡板外边缘处涂抹一层固态润滑油，能够实现活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁自由滑动与密封的作用；活塞拉杆为一端与活塞式挡板螺纹连接，另一端连接位移传感器，且活塞拉杆上安装力学传感器，在位移控制器上显示杆的轴力；位移控制器通过活塞拉杆与活塞式挡板连接，位置控制器控制活塞拉杆的移动速率，拉动活塞式挡板，使活塞式挡板紧贴盾构隧道模具内壁背离开挖面方向滑动，从而实现隧道开挖面逐渐失稳；刀盘面板模具为半圆筒形结构，卡合安装在盾构隧道模具伸入模型箱内的非固定端，用于模拟实际盾构刀盘，在刀盘面板模具上设有预留孔洞用于安放嵌入式土压力盒；嵌入式土压力盒分别安装在刀盘面板模具和活塞式挡板的预留孔洞内，用来测量刀盘面板模具表面的土压力以及活塞式挡板表面的土压力。2.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机优化实验装置，其特征在于，所述的模型箱是由有机玻璃组成的顶部敞口的长方体结构，有机玻璃通过框架滑槽拼装而成。3.根据权利要求2所述的土压平衡盾构机优化实验装置，其特征在于，所述的模型箱内壁覆盖0.04mm的聚乙烯薄膜，即在有机玻璃制作时其作为模型箱内壁的内表面加工0.04mm的聚乙烯薄膜。4.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机优化实验装置，其特征在于，所述的模型箱长边长度大于或等于盾构隧道模具长度的3倍，短边长度大于或等于盾构隧道模具直径的3倍。5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵文，程诚，路博，董驾潮，王云墨，马娇，夏治康，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。