本发明专利技术公开了一种可在离心机上模拟盾构隧道施工的模型装置，包括框架和模型盾构机，在框架的前端设有模型箱，模型箱的后侧壁上设有开孔，在框架的后部设有一个竖立的隔板，模型盾构机包括盾壳和模型隧道衬砌，盾构切削、顶推和出渣系统；盾构切削电机提供扭矩，通过传动轴带动刀盘旋转，实现模型盾构机对模型箱内土体的开挖；通过盾构顶推系统控制模型盾构机的推进速度，同时通过盾构切削系统控制刀盘和渣土输送机的转速，待切削后的土体位于土仓内，通过出渣系统将渣土排出模型盾构机。此装置旨在保证离心机加速情况下能够顺利模拟黏土中盾构隧道的开挖过程，更优于以往普遍使用的排液法，实现了更加精细化的黏土地层中隧道开挖离心机试验研究。开挖离心机试验研究。开挖离心机试验研究。
【技术实现步骤摘要】
一种可在离心机上模拟盾构隧道施工的模型装置
[0001]本专利技术属于盾构施工
，具体涉及一种盾构隧道开挖装置。
技术介绍
[0002]随着当今社会对交通日益增长的需求，人们已经将重点转移至城市地下空间的开发利用，其中隧道占有主要比例。由于地铁隧道，地下管廊等的修建，地铁隧道施工环境日趋拥挤，单线隧道已经逐渐淡出人们的视野，目前，双线甚至多线近接盾构隧道已成为地铁隧道建设的主要设计方案。然而，近接隧道由于隧道之间间距较小，各条隧道之间的相互影响不可忽视，可能会造成难以估量的地表沉降，对地面建筑物及结构等造成危害，甚至可能面临开裂，倒塌的风险。另外，天津市地铁隧道施工大部分在黏土地层中进行，黏土具有高压缩性，土体强度较低的特点，相比于砂土地层，更容易引起较大的地表沉降。因此，有必要针对近接隧道施工的相互作用机理开展离心机试验研究，旨在通过机理研究探寻相应的地表沉降控制措施。需要设计一套盾构隧道开挖装置，既能满足在黏土中掘进开挖，又可以在离心机加速条件下保证装置可行性。Nomoto(1999)等人研制了适用于干砂的盾构开挖离心机试验，此模型盾构机可以很好地模拟干砂地层中盾构机地掘进过程，但是在黏土地层中，存在隧道开孔处漏水以及黏土地层开挖难度较大的问题尚未解决。Chapman(2007)等人研制了适用于黏土地层的小型盾构设备，但该设备较为简单，与真实盾构机差距较大，且未考虑开挖不利情况下对渣土进行改良。在模拟真实盾构机的同时，应尽可能简化装置动作，过于复杂的装置，如北京工业大学(2018)研制的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，虽然可实现盾构掘进过程并监测多种参数，但并不适用于离心机试验。因而设计一种能够在离心机加速条件下正常工作，并在黏土地层中模拟真实盾构机掘进过程的盾构隧道开挖装置是十分必要的。
技术实现思路
[0003]针对现有技术，本专利技术提出一种可在离心机上模拟盾构隧道施工的模型装置，可以在离心机的重力加速度下实现黏土中的隧道掘进。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种可在离心机上模拟盾构隧道施工的模型装置，包括框架和模型盾构机，在所述框架的前端设有模型箱，所述模型箱的后侧壁上设有开孔，在框架的后部设有一个竖立的隔板，所述模型盾构机包括同轴设置的盾壳和模型隧道衬砌，所述模型隧道衬砌的尾部与所述隔板之间采用螺栓连接；所述盾壳和模型隧道衬砌内设有盾构切削系统和出渣系统；在所述框架的底部设有盾构顶推系统；所述盾构切削系统包括盾构切削电机、传动轴和刀盘，所述盾构切削电机固定在所述隔板上，所述传动轴的一端与所述盾构切削电机的输出端相连，所述传动轴的另一端至所述模型隧道衬砌的前端，所述刀盘安装在所述传动轴的另一端；所述盾构切削电机提供扭矩，通过所述传动轴带动所述刀盘旋转，实现所述模型盾构机对所述模型箱内土体的开挖；所述盾构顶推系统包括盾构顶推电机和顶进丝杠；所述盾构顶推电机安装在所述框架后端的底部，所述顶进
丝杠设置在所述框架的底部，所述顶紧丝杠的一端与所述盾构顶推电机的输出端相连，所述顶紧丝杠的另一端至所述模型箱的后侧壁，所述隔板与所述顶进丝杠之间为螺纹连接，所述盾构顶推电机的输出端通过传动机构带动所述顶进丝杠旋转，所述顶进丝杠带动所述隔板前后移动，实现所述模型盾构机对所述模型箱内土体的开挖过程中的掘进；所述出渣系统包括固定在所述传动轴上的螺旋输送机和设置在所述模型隧道衬砌尾部底端的渣土排放口；所述刀盘和所述模型隧道衬砌之间的空间构成土仓，所述螺旋输送机伸入土仓内，在所述传动轴旋转的同时，将所述刀盘切削后的土体送入螺旋输送机中，并通过所述渣土排放口排出。
[0005]进一步讲，本专利技术所述的模型装置，其中：
[0006]所述盾构顶推系统还包括设置在所述框架底部的导轨，所述导轨与所述顶进丝杠平行，所述导轨与所述顶进丝杠等长；所述隔板与所述导轨为轴孔配合。
[0007]所述隔板上预留有用于固定模型盾构机的另外的开孔；当一条盾构隧道开挖完成，将所述模型隧道衬砌从所述隔板上分离，再在隔板上预留的另外一个开孔处重新安装另一个模型盾构机，实现近接隧道连续开挖的模拟。
[0008]所述刀盘及刀具组件的选择依据土体类型进行设计。
[0009]对于黏土中的盾构隧道开挖，所述刀具组件包括先行刀、切削刀和鱼尾中心刀，所述刀盘选用辐条式刀盘，所述先行刀和切削刀安装在所述辐条上，所述鱼尾中心刀安装在所述刀盘的中心；安装鱼尾中心刀。对于均一性较好的软土地层中的盾构隧道开挖，刀盘开口率为40％
‑
75％。
[0010]在所述刀盘上设置有土压力传感器以监测刀盘前方的土压力；所述土压力传感器选用无线传感器。
[0011]所述盾壳和所述模型隧道衬砌为截面尺寸不等的同心圆，所述模型隧道衬砌的直径小于所述盾壳的直径。
[0012]所述模型箱后侧壁的开孔处设置密封圈，所述密封圈的内径与所述模型隧道衬砌的外径密封。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0014](1)本模型盾构机可以模拟对开挖难度较大的黏土地层的盾构掘进过程；
[0015](2)本模型盾构机便于安装和拆卸，适用于黏土地层中近接连续盾构隧道掘进的模拟；
[0016](3)本模型试验装置很好地解决了开挖过程中可能出现的漏土，漏水情况，保证了离心机试验的精确性。
附图说明
[0017]图1是本专利技术所述模型装置的轴向剖面示意图；
[0018]图2是本专利技术所述模型装置中刀盘的结构示意图；
[0019]图中：
[0020]1‑
刀盘
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传动轴
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盾构切削电机
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隔板
[0021]5‑
顶进丝杠
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导轨
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盾构顶推电机
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螺旋输送机
[0022]9‑
渣土排放口
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10
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模型隧道衬砌
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11
‑
土压力传感器
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12
‑
盾壳
[0023]13
‑
先行刀
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14
‑
切削刀
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15
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鱼尾中心刀
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16
‑
开孔
[0024]17
‑
模型箱
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18
‑
密封圈
具体实施方式
[0025]本专利技术提出的可在离心机上模拟盾构隧道施工的模型装置的设计构思是：模拟实际软土地层中的盾构开挖，通过盾构顶推系统控制模型盾构机的推进速度，同时通过盾构切削系统控制刀盘和螺旋本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可在离心机上模拟盾构隧道施工的模型装置，包括框架和模型盾构机，在所述框架的前端设有模型箱(17)，所述模型箱(17)的后侧壁上设有开孔(16)，其特征在于：在框架的后部设有一个竖立的隔板(4)，所述模型盾构机包括同轴设置的盾壳(12)和模型隧道衬砌(10)，所述模型隧道衬砌(10)的尾部与所述隔板(4)之间采用螺栓连接；所述盾壳(12)和模型隧道衬砌(10)内设有盾构切削系统和出渣系统；在所述框架的底部设有盾构顶推系统；所述盾构切削系统包括盾构切削电机(3)、传动轴(2)和刀盘(2)，所述盾构切削电机(3)固定在所述隔板(4)上，所述传动轴(2)的一端与所述盾构切削电机(3)的输出端相连，所述传动轴(2)的另一端至所述模型隧道衬砌(10)的前端，所述刀盘(2)安装在所述传动轴(2)的另一端；所述盾构切削电机(3)提供扭矩，通过所述传动轴(2)带动所述刀盘(1)旋转，实现所述模型盾构机对所述模型箱(17)内土体的开挖；所述盾构顶推系统包括盾构顶推电机(7)和顶进丝杠(5)；所述盾构顶推电机(7)安装在所述框架后端的底部，所述顶进丝杠(5)设置在所述框架的底部，所述顶紧丝杠(5)的一端与所述盾构顶推电机(7)的输出端相连，所述顶紧丝杠(5)的另一端至所述模型箱(17)的后侧壁，所述隔板(4)与所述顶进丝杠(5)之间为螺纹连接，所述盾构顶推电机(7)的输出端通过传动机构带动所述顶进丝杠(5)旋转，所述顶进丝杠(5)带动所述隔板(4)前后移动，实现所述模型盾构机对所述模型箱(17)内土体的开挖过程中的掘进；所述出渣系统包括固定在所述传动轴(2)上的螺旋输送机(8)和设置在所述模型隧道衬砌(10)尾部底端的渣土排放口(9)；所述刀盘(1)和所述模型隧道衬砌(10)之间的空间构成土仓，所述螺旋输送机(8)伸入土仓内，在所述传动轴(2)旋转的同时，将所述刀盘(1)...
【专利技术属性】
技术研发人员：张天奇，王瑞坤，郑刚，任林专，雷亚伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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