一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法，包括模型试验箱

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法


[0001]本专利技术涉及盾构隧道施工
，具体的说是一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法
。

技术介绍

[0002]随着城市化的发展，地铁已渐渐成为城市交通出行选择的主流，在地铁建设施工中，由于盾构法具有施工高效，对地层扰动小等优点已逐渐成为地铁建设中的主要施工方法之一
。
在富水岩溶地区修建地铁隧道进行盾构隧道施工过程中，溶洞的存在使盾构机在掘进过程易发生偏头
、
栽头，甚至引起围岩失稳坍塌
、
地面大面积沉降，这势必会对盾构隧道工程的施工产生重大影响
。
针对上述在富水岩溶区进行盾构隧道施工存在的问题，为了保证富水岩溶地区盾构隧道施工过程的安全，研究不同地下水位和溶洞参数下盾构施工过程中围岩力学特性及地层沉降规律，对于实际工程中盾构施工参数控制和溶洞处治范围具有重大意义
。
[0003]目前国内外已有部分学者对盾构隧道施工展开模型试验研究，大多数都是针对单一的地层条件下盾构施工的一些影响规律研究，针对岩溶地区盾构隧道施工模型试验研究相对较少，已有的一些岩溶地区盾构模型试验主要为二维的平面应变模型，没有考虑盾构过程中溶洞空间影响
、
盾构顶推力
、
刀盘转速和推进速度等影响因素，并且没有考虑地下水渗流作用影响，无法较为真实模拟出富水岩溶地区盾构隧道施工实际情况
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术目的是提供一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法，能够对不同地下水位和不同溶洞参数（大小
、
形状
、
位置
、
填充程度）条件下盾构隧道施工进行模拟，并且在相应工况下盾构隧道施工过程中围岩力学特性和地层沉降进行监测，为研究富水岩溶地区盾构隧道施工影响提供一定的室内模型试验基础，其试验数据结果丰富
、
真实性较高，可为富水岩溶区盾构隧道施工过程中盾构施工参数控制和溶洞处治范围提供指导作用
。
[0005]一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，包括模型试验箱
、
盾构开挖机构以及监测机构，所述模型试验箱通过透水隔板分成岩土模拟箱与供水箱，所述透水隔板表面开有透水孔，所述岩土模拟箱内内装有试验土体模拟盾构隧道围岩，溶洞置于试验土体中，所述试验土体上方设有加压机构，所述岩土模拟箱两侧面上开设有圆形开孔，所述盾构开挖机构设置于圆形开孔处，所述盾构开挖机构包括工作台
、
开挖组件
、
推进部件以及出土组件，所述开挖组件和出土组件通过受力支架设置于工作台上，且所述出土组件设置与所述开挖组件内，用于将开挖组件挖出的岩土出土排出，所述受力支架与所述工作台滑动连接，所述推进部件的推进端与受力支架相接
。
[0006]进一步地，所述开挖部件包括刀盘
、
圆钢轴
、
盾构壳体
、
初衬隧道
、
可调速电动机，所述盾构壳体和初衬隧道相接形成一空腔，所述刀盘可拆卸安装于盾构壳体前方，所述圆
钢轴与所述刀盘固定连接，并容设于盾构壳体
、
初衬隧道形成一空腔中，所述圆钢轴另外一端通过联轴器与所述可调速电动机连接
。
[0007]进一步地，所述刀盘包括面板，所述面板焊接于盾构壳体前端，所述面板切割有多个开口槽，所述面板上设置有边缘刀头
、
中心盾构刀头，所述面板开口槽处还设置有刀头扩展板，所述刀头扩展板上设置有扩孔刀头，所述面板朝向盾构壳体内部一侧设置有搅拌棒
。
[0008]进一步地，所述出土组件包括挡土板
、
绞龙出土器以及出土电机，所述挡土板设置于盾构壳体和初衬隧道之间，所述挡土板中间开设有出土口，所述圆钢轴穿过所述出土口，所述圆钢轴下方的出土口内还设置有一转轴，所述转轴布设于盾构壳体
、
初衬隧道内，所述绞龙出土器呈盘旋叶片状焊接于转盘上，所述转轴一端连接有出土电机
。
[0009]进一步地，所述盾构壳体由铝合金管制作，所述初衬隧道由高密度聚乙烯树脂制成的
PE
管，所述刀盘直径大于盾构壳体直径，盾构壳体直径大于初衬隧道直径
。
[0010]进一步地，所述盾构推进装置包括推力杆
、
调速器
、
反立支架，所述推力杆与调速器连接，所述反立支架固定在工作台上，推力杆一端朝向受力支架，一端固定于反力支架上
。
[0011]进一步地，所述监测机构包括土压力盒
、
伸缩式位移计和百分表，所述百分表置于试验土体表层，所述伸缩式位移计上端通过数据线与位移传感器连接，下端置于试验土体中，所述土压力盒埋在预开挖试验土体隧道四周，土压力盒通过数据线与应力采集仪连接
。
[0012]进一步地，所述模型试验箱为上方敞开的透明有机玻璃箱结构，四周通过槽钢框架结构固定，所述模型试验箱两侧圆形开孔直径大于刀盘直径，上方焊接有横梁和钢框架
。
[0013]进一步地，所述所述透水隔板与岩土模拟箱接触一面贴有小孔径滤网
。
[0014]一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验方法，包括如下步骤：
S1、
进行模型试验箱相似设计：首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1：
L
，
L
为缩尺比例，然后根据几何相似比，对岩土模拟箱内试验土体参数
、
地下水位
、
施加的竖向压力
、
溶洞大小
、
刀盘直径
、
盾构壳体和初衬隧道的材料弹性模量
、
直径
、
壁厚和隧道埋深按原型尺寸的进行设计；
S2、
模型试验箱填筑和监测机构的布置：将根据相似原理设计配置好的土体分层填筑在岩土模拟箱内，同时在填筑过程中将土压力盒和伸缩式位移计按照实验设计要求布置到位，在土体填充完之后，在土层表面按实验设计要求布置百分表；
S3、
地下水位和地应力模拟：待模型试验箱填筑和监测机构布置完成之后，对模拟溶洞材料进行相应处理，模拟地层中存在溶洞工况，向供水箱内加水，水箱内的水通过透水隔板上的透水孔与岩土模拟箱内的土体连通，将水位按实验设计要求加到一定位置，保持水位
24h
不变后停止加水，之后将所述加压装置设置在所述岩土模拟箱中土层的上方，向所述试验土体施加压力，模拟地应力；
S4、
盾构隧道施工模拟：将盾构壳体和初衬隧道套在圆钢轴外侧，盾构壳体前端紧贴刀盘，将圆钢轴通过联轴器与可调速电动机连接，调整圆钢轴高度使刀盘中心与模型试验箱开孔中心处于同一
水平高度，接通电源本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，包括模型试验箱
、
盾构开挖机构以及监测机构，其特征在于，所述模型试验箱通过透水隔板分成岩土模拟箱与供水箱，所述透水隔板表面开有透水孔，所述岩土模拟箱内内装有试验土体模拟盾构隧道围岩，溶洞置于试验土体中，所述试验土体上方设有加压机构，所述岩土模拟箱两侧面上开设有圆形开孔，所述盾构开挖机构设置于圆形开孔处，所述盾构开挖机构包括工作台
、
开挖组件
、
推进部件以及出土组件，所述开挖组件和出土组件通过受力支架设置于工作台上，且所述出土组件设置与所述开挖组件内，用于将开挖组件挖出的岩土出土排出，所述受力支架与所述工作台滑动连接，所述推进部件的推进端与受力支架相接
。2.
如权利要求1所述的用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，其特征在于，所述开挖部件包括刀盘
、
圆钢轴
、
盾构壳体
、
初衬隧道
、
可调速电动机，所述盾构壳体和初衬隧道相接形成一空腔，所述刀盘可拆卸安装于盾构壳体前方，所述圆钢轴与所述刀盘固定连接，并容设于盾构壳体
、
初衬隧道形成一空腔中，所述圆钢轴另外一端通过联轴器与所述可调速电动机连接
。3.
如权利要求2所述的用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，其特征在于，所述刀盘包括面板，所述面板焊接于盾构壳体前端，所述面板切割有多个开口槽，所述面板上设置有边缘刀头
、
中心盾构刀头，所述面板开口槽处还设置有刀头扩展板，所述刀头扩展板上设置有扩孔刀头，所述面板朝向盾构壳体内部一侧设置有搅拌棒
。4.
如权利要求2所述的用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，其特征在于，所述出土组件包括挡土板
、
绞龙出土器以及出土电机，所述挡土板设置于盾构壳体和初衬隧道之间，所述挡土板中间开设有出土口，所述圆钢轴穿过所述出土口，所述圆钢轴下方的出土口内还设置有一转轴，所述转轴布设于盾构壳体
、
初衬隧道内，所述绞龙出土器呈盘旋叶片状焊接于转盘上，所述转轴一端连接有出土电机
。5.
如权利要求4所述的用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，其特征在于，所述盾构壳体由铝合金管制作，所述初衬隧道由高密度聚乙烯树脂制成的
PE
管，所述刀盘直径大于盾构壳体直径，盾构壳体直径大于初衬隧道直径
。6.
如权利要求1所述的用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，其特征在于，所述盾构推进装置包括推力杆
、
调速器
、
反力支架，所述推力杆与调速器连接，所述反力支架固定在工作台上，推力杆一端朝向受力支架，一端固定于反力支架上
。7.
如权利要求1所述用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，其特征在于，所述监测机构包括土压力盒
、
伸缩式位移计和百分表，所述百分表置于试验土体表层，所述伸缩式位移计上端通过数据线与位移传感器连接，下端置于试验土体中，所述土压力盒埋在预开挖试验土体隧道四周，土压力盒通过数据线与应力采集仪连接
。8.<...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭文祥，周柳，李磊，汪唯，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：