本发明专利技术关于一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置，涉及地下工程模型试验技术领域。包括仿形掘进切削机构、旋转推进机构以及支撑及排渣装置；其中，仿形掘进切削机构，位于仿形掘进装置的掘进端，用于实现仿形掘进；旋转推进机构，位于仿形掘进切削机构尾端，用于驱动仿形掘进切削机构；支撑及排渣装置；用于为仿形掘进切削机构和旋转推进机构提供支撑，并实现掘进过程中渣石抽排。本发明专利技术采用仿形掘进切削机构实现仿形掘进，在十字形刀盘上安装钨合金切削刀头，使其在掘进过程中能够达到更好的冲击和切削效果，并保证了隧道掘进的进度，从而能够有效解决方形截面的成型问题。从而能够有效解决方形截面的成型问题。从而能够有效解决方形截面的成型问题。
【技术实现步骤摘要】
一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置
[0001]本专利技术涉及地下工程模型试验
，具体为一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置。
技术介绍
[0002]近几年来，随着城市地下空间开发数量的日趋镇长，巨形断面的地下构筑物(隧道)的使用也越来越多。为研究掘进施工对周边环境及建构筑物扰动的影响，国内外学者常用的研究方法有:经验公式法、解析法、理论分析法、模型试验法、数值分析法等。由于掘进施工涉及复杂的施工流程和管理环节，基本不具备可重复性，在单一变量条件下难以获得确切的研究成果，而模型试验对隧道施工过程能够进行较好地真实再现，具有严格的理论基础和简便易行等优点，研究成果的可靠度也比较高，因而模型试验方法被广泛应用于岩土和地下工程领域。
[0003]在岩土和地下工程领域的使用功能上来看，公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、人行地道、地下共同沟等的断面形式以矩形或方形最为合适，方形截面隧道的施工设备历来是地下工程
中的一个难点，因为通常盾构掘进机的刀盘都是圆型的，无法适应异形截面，如方形截面隧道的施工。与圆型截面相比，方形截面的有效使用面积通常大于20％以上，在市政隧道工程中尤以矩形最为经济。盾构法和矩形顶管法对周边环境影响较小、综合成本低。但现阶段，大断面矩形顶管机掘进过程中，净空断面面积较大，全断面开挖风险高，难以实现掌子面压力控制，造成掌子面稳定性差，地层扰动大等问题。
[0004]施工过程中掘进参数(推进速度、盾构直径)的选取对其周围土体的扰动程度具有较大影响，在实际工程当中通常是基于施工现场的反馈从而调整掘进的参数，对于风险管控具有一定滞后性，存在安全隐患。然而目前掘进施工过程中，用于模型试验的方形隧洞仿形掘进装置较少，从而无法在施工前知晓方形隧洞中土体扰动的衍化进程。因此，针对现有技术的不足，设计了用于模型试验的方形隧洞仿形掘进装置。
[0005]根据相似原理，岩土工程相似物理模型试验中隧洞模型的形状要与原型隧洞相似，但尺寸一般仅为原型隧洞的1/10
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1/200。岩土工程隧洞常见的形状有圆形、直墙拱形、三心拱形、矩形等。试验模型的相似性越好，隧洞开挖等施工过程与原型工程越相似，试验结果可靠性越高，可供工程人员的借鉴性就越大。
[0006]目前，模型试验中隧洞开挖普遍采用以下四种方法：
[0007](1)模型制作时，在指定位置预埋与开挖洞形一致的柱体，待模型干燥后拔出柱体使隧洞一次成型，再加载，即先预制隧洞后加载的方法，不符合实际，因为现场隧洞的开挖施工是在原岩应力场中进行的。
[0008](2)模型制作时，在指定位置预埋与开挖洞形一致的柱体，柱体可由数小段构成，力学性质(如弹模)尽量与模型一致，模型干燥后加载至初始应力，再将预埋的小段柱体依次取出，模拟分段开挖，即先预埋隧洞，加载后取出模拟开挖的方法，这种方法会遇到高压下隧洞变形收缩，前部柱体不容易取出的情况。
[0009](3)将制作的模型干燥后加载至初始应力，在预定位置手动开挖出一定形状的隧洞，即手动开挖方法，该方法开挖的隧洞形状不规则，成形粗糙，不能精确控制隧洞尺寸、形状以及开挖进尺，特别当开挖隧洞较长、存在隐蔽开挖时，在狭小的空间内手动开挖困难较大。
[0010](4)将制作的模型干燥后加载至初始应力，在预定位置利用钻机或小型开挖设备机械开挖出指定形状的隧洞，即机械自动开挖方法，该方法开挖的隧洞形状规则。
[0011]目前，物理模拟试验中对于圆形隧洞已经实现了高精度掘进开挖。如：
[0012]中国专利CN201711463818.7专利技术的“可实现石门隧洞掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法”，实现了对煤与瓦斯突出模型试验中圆形隧洞定量控制掘进与突出过程捕捉；中国专利CN201620279733.8专利技术的“一种圆形隧洞全切割掘进实验装置”，适用于相似模拟试验圆形隧洞的全断面切割开挖；中国专利CN201610278246.4专利技术的“配套三维物理模型试验机器人系统模拟开采方法”，可通过机器人实现模拟圆形隧洞的自动开挖及工作面回采。但对于直墙拱形、三心拱形、矩形等工程常用的非圆形隧洞，还没有在模型试验中实现一次性成型全断面机械自动开挖。
[0013]此外，在现有技术中用于矩形断面隧道施工中的掘进装置，也已经被大量研发，如：
[0014]中国专利201910791075.9公开了一种用于模型试验任意形状隧洞开挖的仿形掘进系统及方法，该装置由仿形掘进机构、旋转前进机构、支撑架及排渣装置组成。仿形掘进机构包括用于开挖隧洞的定位刀头、前刀盘、后刀盘和仿形框，定位刀头、前刀盘和后刀盘同轴旋转，其中定位刀头用于定位，前刀盘用于开挖圆形隧洞，后刀盘带动刀头沿着仿形框伸缩旋转，将圆形隧洞扩修成仿形框形状；只需要按照隧洞形状和尺寸更换仿形框就能实现任意洞形全断面机械化开挖。它解决了现有岩土相似模型试验中只能开挖圆形隧洞的问题，对直墙拱形隧洞开挖提供了详细的原理及技术支持，但是对于方形隧洞的仿形掘进，该装置仅仅提供了更改仿形框的解决方法，并不能够在现有理论与技术的条件下科学有效的实现。
[0015]中国专利CN202211268313.6涉及一种盾构全地形掘进模拟试验方法，基于盾构全地形掘进模拟的液压加载智控式模型试验台，主要用于模拟盾构施工的室内模型试验，属于隧道建筑工程
可以进行盾构施工室内模型试验，开展盾构直径、埋深﹑掘进参数、施工工况等方面研究。该专利包括步骤:步骤1土样参数获取，预置于上位机；步骤2试验方案确定，预置于上位机中，形成系统试验任务；步骤3安装挡板；步骤4土样制备；步骤5土样定位；步骤6加压；步骤7盾构掘进；步骤8数据采集；步骤9试验结束；步骤10卸压拆样。其具有可模拟盾构掘进全过程施工、可实现对盾构不同掘进参数研究、可模拟任意埋深下盾构施工、可模拟盾构上跨下穿既有构筑物的优点，但断面切削时排土排渣相对不便，无法保证开挖过程的稳定进行，且开挖精准度不高，试验准确性较差，结构较为复杂。
[0016]综上分析上述单位的方形断面隧道施工中的掘进系统，存在以下不足之处：
[0017]1.常见的用于矩形断面隧道施工中的掘进装置一般是由几个圆形断面刀盘组成，该种掘进方式的隧道轮廓成型慢、耗时费力。
[0018]2.现有的应用于模型试验的方形仿形掘进装置，存在精准度不高、结构较为复杂等问题。
[0019]3.目前，方形断面施工机械的掘进装置在进行切削方形隧道时，有很多刀片切不到的地方，导致隧道施工困难。
技术实现思路
[0020]本专利技术的目的是弥补上述现有技术的不足，提供一种能全断面切削的用于模型试验的方形隧洞仿形掘进系统，其能够普遍适应方形截面隧道的施工,从而大大提高掘进机的施工适应范围,增加掘进机的功能。本专利技术提高了模型试验的效率与精准度，控制隧道截面的形状完全精准的成为一个方形断面，解决了方形隧道的成型问题，大大增加了掘进机的功能和适应范围。
[0021]为达上述目的，本专利技术提供了一种用于模型试验方形隧洞本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置，其特征在于，包括仿形掘进切削机构、旋转推进机构以及支撑及排渣装置；其中，所述仿形掘进切削机构，位于仿形掘进装置的掘进端，用于实现仿形掘进；所述旋转推进机构，位于仿形掘进切削机构尾端，用于驱动仿形掘进切削机构；所述支撑及排渣装置；用于为仿形掘进切削机构和旋转推进机构提供支撑，并实现掘进过程中渣石抽排。2.如权利要求1所述的一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置，其特征在于，所述仿形掘进切削机构包括：中心刀具、圆盘加轮、方形链条和第一梯台刮板；所述中心刀具与所述旋转推进机构的输出端相连，所述圆盘加轮设置有多个，呈方形均布于所述中心刀具的周侧，所述圆盘加轮上设置有第一齿轮，所述方形链条环绕于多个圆盘加轮的外侧，并与所述第一齿轮啮合，所述方形链条的首端安装有梯台刮板。3.如权利要求2所述的一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置，其特征在于，所述中心刀具包括中心轴和十字形刀盘，所述中心轴安装于所述旋转推进机构的输出端，所述十字形刀盘安装于所述中心轴的首端，所述十字形刀盘上安装有多个钨合金切削刀头。4.如权利要求3所述的一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置，其特征在于，所述十字形刀盘的中心位置处安装有定位刀头，所述定位刀头上安装有第二梯台刮板。5.如权利要求4所述的一种用于模型试验方形隧洞掘进的试验装置，其特征在于，所述旋转推进机构包括移动轴承座、切边轴、推进电...
【专利技术属性】
技术研发人员：李梦天，王汉鹏，侯夫斌，张冰，白子涵，王伟，邢文彬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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