本发明专利技术公开了一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。舱壳内部设有工作舱，前隔板将工作舱划分为泥水舱和气垫舱，主轴的一端依次穿设过气垫舱、前隔板和泥水舱后与刀盘连接，主轴的另一端与驱动电机连接；舱壳中的一端与土箱的开口之间活动连接，舱壳的另一端与动力箱固定连接，动力箱固定安装在油缸上，主轴中靠近驱动电机的一侧设有扭矩传感器，泥水箱分别与泥浆泵和泥水舱连接，泥水舱还与渣土箱连接。通过操控本发明专利技术的泥水平衡盾构在土箱中掘进开挖，利用气垫舱中的气体压力将泥水舱中的泥浆压出并渗透成膜，以模拟大埋深、高水压下泥水平衡盾构渗透成膜机理，获取开挖面稳定的控制理论与技术，为跨海越江和深地盾构技术提供参考价值。术提供参考价值。术提供参考价值。
【技术实现步骤摘要】
一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法
[0001]本专利技术属于泥水平衡盾构模型试验领域的一种泥水平衡盾构掘进试验装置及方法，尤其是涉及了一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。
技术介绍
[0002]双舱式泥水平衡盾构采用泥水舱结合气垫舱的形式，将开挖面支护压力分为气体压力与泥浆自重产生的压力两部分，其中气体压力为支护压力的主导项。相比单舱式泥水平衡盾构，双舱式泥水平衡盾构的支护压力在掘进过程中更容易调控，不会受泥浆密度变化等的影响产生大幅度波动。针对大埋深、高水压下的复杂地层的隧道建设，泥浆支护压力的稳定性显得格外重要，波动过大便很容易产生盾构掌子面主动或者被动破坏的危险。
[0003]考虑实际泥水平衡盾构掌子面为对称结构，目前的模型试验大多采用“D”字形盾壳作为研究对象，这种装置结合装有透明面板的模型箱便于观测掌子面前方泥浆渗透情况和开挖面稳定性问题，但是因为边界效应的存在，这种模型不利于研究泥浆三维渗透问题以及开挖面前方的水土压力真实变化情况。加之，目前的模型试验基本都是单舱式泥水平衡盾构装置，还没有研究涉及到双舱式泥水平衡盾构。故针对大埋深、高水压复杂地层的研究，如何掌握双舱式泥水平衡盾构的支护压力控制机理是当前亟待解决的问题。
技术实现思路
[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于设计一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置及方法。本专利技术装置的泥水平衡盾构工作舱被前隔板分为气垫舱与泥水舱两部分，即开挖面支护压力分为气体压力与泥浆自重产生的压力两部分，气体压力大小通过保压设备进行调节，泥浆自重产生的压力通过进排浆流量进行调节。同时，间隔两舱的前隔板上设置多种管路的安装接口，可以实现进排浆、压力传递和监测设备连接等功能
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]一、一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置：
[0007]包括土箱、盾体、盾构动力系统、进排浆系统；土箱、盾构动力系统和进排浆系统均放置在外部的底座上，土箱和盾构动力系统之间通过盾体连接，盾体还与进排浆系统相连。
[0008]所述的盾体包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘、环状的前隔板和主轴；前隔板位于舱壳的内部并将工作舱划分为泥水舱和气垫舱，刀盘位于靠近泥水舱的一侧，主轴的一端与盾构动力系统连接，主轴的另一端依次穿设过气垫舱、前隔板和泥水舱后与刀盘同轴连接；舱壳中设有泥水舱的一端与土箱的开口之间可前后移动地活动连接，舱壳中设有气垫舱的一端与盾构动力系统之间固定连接，泥水舱和刀盘均设置在土箱的开口位置处。
[0009]所述的盾构动力系统包括驱动电机、扭矩传感器、动力箱、油缸和滚珠导轨；滚珠导轨固定在底座的上表面，油缸可沿着滚珠导轨的延伸方向往复运动地安装在滚珠导轨上，动力箱固定安装在油缸上，驱动电机和扭矩传感器均设置在动力箱的内部，动力箱的侧壁通过连接法兰与舱壳的一端固定连接，动力箱中在靠近盾体一侧的侧壁上设有开口作为
动力箱出口，主轴的一端穿设过动力箱出口后与驱动电机的输出轴连接，主轴中靠近驱动电机的一侧的外表面设有扭矩传感器。
[0010]所述的进排浆系统包括泥浆泵、泥水箱和渣土箱；泥浆泵、泥水箱和渣土箱均放置在底座上，泥浆泵和泥水箱的输入端之间电连接，泥水箱的输出端通过送浆管与泥水舱的输入端连接，泥水舱的输出端通过排浆管与渣土箱的输入端连接。
[0011]所述前隔板的底部开设有排浆管口，排浆管的一端穿设过排浆管口后与泥水舱连通，排浆管的另一端与渣土箱的输入端连通，排浆管中设有无轴螺旋。
[0012]所述的气垫舱中设有气体压力监测设备和液位监测设备，进气管的一端和排气管的一端均与气垫舱连通，气体压力监测设备、液位监测设备、进气管的另一端和排气管的另一端均外接调压设备。
[0013]所述刀盘中靠近泥水舱的一侧固定连接有搅拌棒，搅拌棒穿设过舱壳上的开孔后伸入到泥水舱中。
[0014]二、一种进行双舱式泥水平衡盾构掘进的试验方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1：按照预设比例的膨润土和水制备泥浆，然后将泥浆注入到泥水箱中，通过泥浆泵将泥浆持续注入到工作舱中，当泥水舱充满泥浆且气垫舱中的液位达到舱壳管径的2/3液位处后进行步骤2；
[0016]步骤2：将土箱从底座上拆下，然后在土箱中分层制备土样并在土样中埋设传感器，并采用钢丝刷对土样顶部进行抛毛处理；
[0017]步骤3：将土箱放置在外部的饱和箱中，通过抽真空的方式将饱和箱中的无气水抽至土箱内，无气水抽取完毕后将土箱重新固定在底座上；
[0018]步骤4：利用盾构动力系统控制盾体向前稳定掘进，同时利用保压设备将工作舱中的泥浆挤压渗透到土箱的土样中；
[0019]步骤6：盾体向前稳定掘进预设的时间段后，利用盾构动力系统控制盾体停止掘进，然后利用气体压力监测设备实时监测气垫舱中的气体压力大小，并通过进气管和排气管对气体压力大小进行调节，并利用液位监测设备监测气垫舱中的液位高度，同时观察盾体和土样之间接触面的破坏情况，来模拟真实工况下泥水平衡盾构开挖面发生主、被动破坏时的工况，进而获取泥水平衡盾构开挖面的稳定性规律。
[0020]盾体(盾构掘进系统)利用前隔板将工作舱分为气垫舱与泥水舱两部分，前隔板上设置多种管路安装接口，可以实现进排浆、压力传递和监测设备连接等功能，盾构动力系统集合在动力箱内，利用油缸提供动力，伴随着刀盘切削向前前进，进排浆系统与气压系统共同控制掌子面支护压力大小，通过调节进排浆流速与气体压力的大小实现开挖面的稳定性。通过操控本专利技术的泥水平衡盾构在土箱中掘进开挖，利用气垫舱中的气体压力将泥水舱中的泥浆压出并渗透成膜，过程中实时采集土箱中传感器的监测数据，以模拟大埋深、高水压下泥水平衡盾构渗透成膜机理，获取开挖面稳定的控制理论与技术，为跨海越江和深地盾构技术提供参考价值。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]1、将盾构工作舱分为气垫舱与泥水舱两部分，会造成开挖面支护压力分为气体压力与泥浆自重产生的压力两部分，气体压力大小通过保压设备进行调节，泥浆自重产生的压力通过进排浆流量进行调节。掘进过程中相比其它试验装置更容易实现支护压力的调
控，不至于产生较大的波动，影响开挖面的稳定性。
[0023]2、间隔两舱的前隔板上设置多种管路的安装接口，可以实现进排浆、压力传递和监测设备连接等功能。
[0024]3、本专利技术装置机械化程度更高，对于泥水平衡盾构掘进过程的还原度也更高，可以模拟大埋深、高水压下盾构掘进和泥浆渗透的全过程。
附图说明
[0025]图1为本专利技术装置的结构图；
[0026]图2为本专利技术装置的俯视图；
[0027]图3为本专利技术的盾体内部结构示意图；
[0028]图4为本专利技术的泥水箱结构示意图；
[0029]图中：1、土箱；2、盾体；3、刀盘；4、泥水舱；5、前隔板；6、气垫舱；7、主轴；8、无轴螺旋；9、支撑管路；10、进浆管；11、排浆管；12、泥浆泵；13、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：包括土箱(1)、盾体(2)、盾构动力系统、进排浆系统；土箱(1)、盾构动力系统和进排浆系统均放置在外部的底座(18)上，土箱(1)和盾构动力系统之间通过盾体(2)连接，盾体(2)还与进排浆系统相连。2.根据权利1所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述的盾体(2)包括内部设有工作舱的舱壳、刀盘(3)、环状的前隔板(5)和主轴(7)；前隔板(5)位于舱壳的内部并将工作舱划分为泥水舱(4)和气垫舱(6)，刀盘(3)位于靠近泥水舱(4)的一侧，主轴(7)的一端与盾构动力系统连接，主轴(7)的另一端依次穿设过气垫舱(6)、前隔板(5)和泥水舱(4)后与刀盘(3)同轴连接；舱壳中设有泥水舱(4)的一端与土箱(1)的开口之间可前后移动地活动连接，舱壳中设有气垫舱(6)的一端与盾构动力系统之间固定连接，泥水舱(4)和刀盘(3)均设置在土箱(1)的开口位置处。3.根据权利2所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述的盾构动力系统包括驱动电机(13)、扭矩传感器(14)、动力箱(15)、油缸(16)和滚珠导轨(17)；滚珠导轨(17)固定在底座(18)的上表面，油缸(16)可沿着滚珠导轨(17)的延伸方向往复运动地安装在滚珠导轨(17)上，动力箱(15)固定安装在油缸(16)上，驱动电机(13)和扭矩传感器(14)均设置在动力箱(15)的内部，动力箱(15)的侧壁通过连接法兰(21)与舱壳的一端固定连接，动力箱(15)中在靠近盾体(2)一侧的侧壁上设有开口作为动力箱出口，主轴(7)的一端穿设过动力箱出口后与驱动电机(13)的输出轴连接，主轴(7)中靠近驱动电机(13)的一侧的外表面设有扭矩传感器(14)。4.根据权利2所述的一种双舱式泥水平衡盾构掘进试验装置，其特征在于：所述的进排浆系统包括泥浆泵(12)、泥水箱(19)和渣土箱(20)；泥浆泵(12)、泥水箱(19)和渣土箱(20)均放置在底座(18)上，泥浆泵(12)和泥水箱(19)的输入端之间电连接，泥水箱(19)的输出端通过送浆管(10)与泥水舱(4)的输入端连接，泥水舱(4)的输出端通过排浆管(11)与渣土箱(20)的输入端连接。5...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈延博，吕延栋，刘昊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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