盾构隧道顶推施工模拟装置及系统的制作方法

本实用新型属于盾构工程领域，具体涉及一种盾构隧道顶推施工模拟装置，以及一种盾构隧道顶推施工模拟系统。

背景技术：

随着我国城市地下铁道交通隧道建设的高速发展，具有机械化程度高、环境影响小、施工高效安全的盾构掘进机是今后地铁隧道建设的主流工法之一。盾构掘进机工法是由刀盘掘进、管片拼装、千斤顶顶推前进、盾尾注浆等一系列复杂工序组成。盾构掘进机开挖前进主要是通过千斤顶顶推前进工序实现的，其实现过程为推进油缸千斤顶作用于已拼装管片环，以提供前进反力；进而，顶推油缸千斤顶油缸伸长，使盾构掘进机掘进前进。

现有国内外学者研究盾构法隧道掘进施工工艺优化内容，主要针对隧道开挖掌子面稳定及掘进速度方面，采用的方法有理论推导、数值模拟、室内试验等，并不能全面的为盾构隧道结构稳定提供试验数据。

而针对顶推千斤顶条件下管片结构受力特性与破坏模式方面的研究方法集中在理论推导与数值模拟两种。其中，理论推导往往假设条件限定过多，且相关变量的改变会导致计算量过大，结果也过于理想化，对实际施工指导意义有限；数值模拟虽然相对减少了计算量，节约计算时间，但模拟过程是基于理论，同样存在结果无法与实际情况相匹配的不足。

室内模型试验是将实际的施工过程进行缩尺真实模拟，具有与实际情况吻合度较好，成本低的特点，是研究盾构顶推施工较为理想的研究方法。

目前，国内外尚无关于盾构顶推施工的模拟装置，且现有研究重点主要集中在盾构掘进开挖掌子面稳定等方面，研究成果较为理想化，实用性有待增强；对不同顶推千斤顶条件下管片结构受力特征、破坏模式等方面的研究需进一步加深，以期对盾构顶推施工方案(工艺)进行优化。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种盾构隧道顶推施工模拟装置，旨在模拟盾构隧道掘进过程中管片结构的受力特征和破坏模式，为盾构隧道结构稳定提供试验数据，优化盾构法隧道掘进施工设计。

为解决上述技术问题本实用新型所采用的方案是：盾构隧道顶推施工模拟装置，包括支撑结构、围岩荷载施力结构、夹持结构、端部约束结构以及轴向荷载施力结构。夹持结构包括呈环形布置的多件弧形板，多件弧形板围合形成限位空间，端部约束结构设置于该限位空间轴线方向的一端、轴向荷载施力结构设置于该限位空间轴线方向的另一端，围岩荷载施力结构包括多件径向荷载施力结构，径向荷载施力结构与弧形板一一相对应，径向荷载施力结构安装于支撑结构上，弧形板连接于径向荷载施力结构的作用力输出端。

在一种优选的实施方案中，每一件弧形板均包括叠设的内层弧板和外层弧板，并且内层弧板和外层弧板之间具有间隔空间，在该间隔空间处通过弹簧将内层弧板和外层弧板连接。在进一步优选的实施方案中，弹簧为按照设定行距和设定排距间隔布置的多件。

在一种优选的实施方案中，围岩荷载施力结构包括第一侧向伸缩件、第二侧向伸缩件、拱部伸缩件以及底部伸缩件，夹持结构包括第一侧向弧板、第二侧向弧板、拱部弧板以及底部弧板，第一侧向弧板与第一侧向伸缩件连接，第二侧向弧板与第二侧向伸缩件连接，拱部弧板与拱部伸缩件连接，底部弧板与底部伸缩件连接，第二侧向弧板与第一侧向弧板呈相对设置，底部弧板与拱部弧板呈相对设置。在进一步优选的实施方案中，支撑结构包括第一侧向支撑架、第二侧向支撑架、拱部支撑架以及底部支撑架，第一侧向支撑架和第二侧向支撑架呈相对设置，第一侧向伸缩件安装于第一侧向支撑架，第二侧向伸缩件安装于第二侧向支撑架，拱部伸缩件安装于拱部支撑架，底部伸缩件安装于底部支撑架；第一侧向伸缩件、第二侧向伸缩件、拱部伸缩件以及底部伸缩件均为第二液压千斤顶。第一侧向弧板包括第一钢板、第一有机玻璃板以及设置于第一钢板与第一有机玻璃板之间的第一弹簧，第一钢板与第一侧向伸缩件连接；第二侧向弧板包括第二钢板、第二有机玻璃板以及设置于第二钢板与第二有机玻璃板之间的第二弹簧，第二钢板与第二侧向伸缩件连接；拱部弧板包括第三钢板、第三有机玻璃板以及设置于第三钢板与第三有机玻璃板之间的第三弹簧，第三钢板与拱部伸缩件连接；底部弧板包括第四钢板、第四有机玻璃板以及设置于第四钢板与第四有机玻璃板之间的第四弹簧，第四钢板与底部伸缩件连接。

在一种优选的实施方案中，端部约束结构朝向轴向荷载施力结构的一侧具有第一环形凹槽；轴向荷载施力结构包括反力墙、第一液压千斤顶以及限位支架，第一液压千斤顶安装于反力墙，限位支架与第一液压千斤顶的输出端连接，限位支架朝向端部约束结构的一侧具有第二环形凹槽。在进一步优选的实施方案中，第一液压千斤顶设置有至少3个，第一液压千斤顶呈环形设置。轴向荷载施力结构还包括楔形垫块，楔形垫块可分离地设置于反力墙的底部。

在上述盾构隧道顶推施工模拟装置的基础上，本实用新型同时还提供一种盾构隧道顶推施工模拟系统，该盾构隧道顶推施工模拟系统包括盾构隧道顶推施工模拟装置及管片结构，管片结构的两端安装在端部约束结构以及轴向荷载施力结构之间，管片结构的外壁与夹持结构中的每一件弧形板的内壁均抵触；若端部约束结构具有第一环形凹槽、轴向荷载施力结构具有第二环形凹槽，管片结构的两端分别嵌入第一环形凹槽和第二环形凹槽。

在一种优选的实施方案中，该盾构隧道顶推施工模拟系统还包括检测装置，检测装置为下列装置中的任意一种或者多种之间任意组合：压力计、应变计、位移计、静态应变采集仪和图像采集系统；其中，压力计用于监测围岩荷载施力结构以及轴向荷载施力结构施加的作用力，应变计用于监测管片结构受力，位移计用于监测管片结构位移，静态应变采集仪用于采集记录试验过程中管片结构模拟材料所受压力和自身的应力应变的变化规律，图像采集系统用于记录试验过程中管片结构破坏模式。

本实用新型的有益效果是：该盾构隧道顶推施工模拟装置包括支撑结构、围岩荷载施力结构、夹持结构、端部约束结构以及轴向荷载施力结构。其中，夹持结构形成用于夹持管片结构的限位空间，围岩荷载施力结构用于模拟围岩荷载，轴向荷载施力结构用于模拟轴向荷载。本实用新型通过控制围岩荷载施力结构的荷载大小，实现不同围岩压力条件下试验模拟研究，实现不同围岩荷载条件下的施工模拟；本实用新型可实现不同顶推千斤顶行程差条件下试验模拟研究，实现不同行程差条件下的施工模拟。该盾构隧道顶推施工模拟装置能够模拟盾构隧道掘进过程中管片结构的受力特征和破坏模式，为盾构隧道结构稳定提供试验数据，优化盾构法隧道掘进施工设计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本申请实施例提供的盾构隧道顶推施工模拟装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的支撑结构、围岩荷载施力结构及夹持结构的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的第一侧向弧板的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的端部约束结构的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的轴向荷载施力结构的结构示意图。

图中标记：100-盾构隧道顶推施工模拟装置；110-支撑结构；111-第一侧向支撑架；113-第二侧向支撑架；115-拱部支撑架；117-底部支撑架；130-围岩荷载施力结构；131-第一侧向伸缩件；133-第二侧向伸缩件；135-拱部伸缩件；137-底部伸缩件；150-夹持结构；151-第一侧向弧板；1511-第一钢板；1513-第一有机玻璃板；1515-第一弹簧；153-第二侧向弧板；155-拱部弧板；157-底部弧板；170-端部约束结构；171-第一环形凹槽；190-轴向荷载施力结构；191-反力墙；193-第一液压千斤顶；195-限位支架；1951-第二环形凹槽。

具体实施方式

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系；可以是电性连接，也可以是电气连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1示出了一种盾构隧道顶推施工模拟装置100的结构示意图。请参阅图1，本实用新型中的盾构隧道顶推施工模拟装置100，包括支撑结构110、围岩荷载施力结构130、夹持结构150、端部约束结构170以及轴向荷载施力结构190，夹持结构150包括呈环形布置的多件弧形板，多件弧形板围合形成限位空间，端部约束结构170设置于该限位空间轴线方向的一端、轴向荷载施力结构190设置于该限位空间轴线方向的另一端，围岩荷载施力结构130包括多件径向荷载施力结构，径向荷载施力结构与弧形板一一相对应，径向荷载施力结构安装于支撑结构110上，弧形板连接于径向荷载施力结构的作用力输出端。在一种优选的实施方案中，每一件弧形板均包括叠设的内层弧板和外层弧板，并且内层弧板和外层弧板之间具有间隔空间，在该间隔空间处通过弹簧将内层弧板和外层弧板连接。弧形板采用上述实施方式，通过径向荷载施力结构可以模拟主动抗力、通过弹簧可以模拟被动抗力，更准确地模拟盾构隧道顶推施工的工况。在进一步优选的实施方案中，弹簧为按照设定行距和设定排距间隔布置的多件。在具体实施时，弹簧的规格数量及布置的间排距可以根据实际情况进行选择和更换。

图2示出了一种支撑结构110、围岩荷载施力结构130及夹持结构150的结构示意图。请参阅图2，为更准确地模拟盾构隧道顶推施工的工况，在一种优选的实施方案中，围岩荷载施力结构130包括第一侧向伸缩件131、第二侧向伸缩件133、拱部伸缩件135以及底部伸缩件137，夹持结构150包括第一侧向弧板151、第二侧向弧板153、拱部弧板155以及底部弧板157，第一侧向弧板151与第一侧向伸缩件131连接，第二侧向弧板153与第二侧向伸缩件133连接，拱部弧板155与拱部伸缩件135连接，底部弧板157与底部伸缩件137连接，第二侧向弧板153与第一侧向弧板151呈相对设置，底部弧板157与拱部弧板155呈相对设置。

请继续参阅图2，为方便安装围岩荷载施力结构130及夹持结构150，在进一步优选的实施方案中，支撑结构110包括第一侧向支撑架111、第二侧向支撑架113、拱部支撑架115以及底部支撑架117，第一侧向支撑架111和第二侧向支撑架113呈相对设置，第一侧向伸缩件131安装于第一侧向支撑架111，第二侧向伸缩件133安装于第二侧向支撑架113，拱部伸缩件135安装于拱部支撑架115，底部伸缩件137安装于底部支撑架117。在具体设置时，第一侧向支撑架111、第二侧向支撑架113、拱部支撑架115以及底部支撑架117均为钢支架。示例性地，第一侧向伸缩件131、第二侧向伸缩件133、拱部伸缩件135以及底部伸缩件137均为第二液压千斤顶，例如第二液压千斤顶为分离式油缸千斤顶。分离式油缸千斤顶可以通过螺栓连接固定在围岩荷载施力结构130。

图3示出了一种第一侧向弧板151的结构示意图。请参阅图3，在具体设置时，第一侧向弧板151包括第一钢板1511、第一有机玻璃板1513以及设置于第一钢板1511与第一有机玻璃板1513之间的第一弹簧1515，第一钢板1511与第一侧向伸缩件131连接。

第二侧向弧板153、拱部弧板155、底部弧板157与第一侧向弧板151的具体结构相近似，因此不再单独进行图示。第二侧向弧板153包括第二钢板、第二有机玻璃板以及设置于第二钢板与第二有机玻璃板之间的第二弹簧，第二钢板与第二侧向伸缩件133连接；拱部弧板155包括第三钢板、第三有机玻璃板以及设置于第三钢板与第三有机玻璃板之间的第三弹簧，第三钢板与拱部伸缩件135连接；底部弧板157包括第四钢板、第四有机玻璃板以及设置于第四钢板与第四有机玻璃板之间的第四弹簧，第四钢板与底部伸缩件137连接。

图4示出了一种端部约束结构170的结构示意图，请参阅图4，为更准确地模拟盾构隧道顶推施工的工况，在一种优选的实施方案中，端部约束结构170朝向轴向荷载施力结构190的一侧具有第一环形凹槽171；在具体设置时，端部约束结构170由砖混材料砌筑固结于地面，并在内侧开设第一环形凹槽1711，以使管片结构插入，形成端部约束。

图5示出了一种轴向荷载施力结构190的结构示意图，请参阅图5，为更准确地模拟盾构隧道顶推施工的工况，在一种优选的实施方案中，轴向荷载施力结构190包括反力墙191、第一液压千斤顶193以及限位支架195，第一液压千斤顶193安装于反力墙191，限位支架195与第一液压千斤顶193的输出端连接，限位支架195朝向端部约束结构170的一侧具有第二环形凹槽1951。

继续参阅图5，在进一步优选的实施方案中，第一液压千斤顶190设置有至少3个，第一液压千斤顶190呈环形设置。轴向荷载施力结构190还包括楔形垫块(图中未示出)，楔形垫块可分离地设置于反力墙191的底部，此处的“可分离”是指楔形垫块是活动设置的，可以根据实际需要拆卸更换或者移动调整位置。例如楔形垫块可以是楔形钢块，可以将楔形钢块垫在反力墙191的底部，改变第一液压千斤顶193的倾斜角度，从而实现偏转角度的模拟。

本实用新型的发明人在实践中发现，管片结构与顶推千斤顶作用轴线偏差过大或顶推油缸偏角过大会导致已拼装管片结构局部产生应力集中现象，造成管片结构开裂、破损，对隧道安全稳定及耐久性形成严重威胁。

在上述盾构隧道顶推施工模拟装置的基础上，本实用新型同时还提供一种盾构隧道顶推施工模拟系统，该盾构隧道顶推施工模拟系统包括盾构隧道顶推施工模拟装置及管片结构，管片结构的两端安装在端部约束结构170以及轴向荷载施力结构190之间，管片结构的外壁与夹持结构150中的每一件弧形板的内壁均抵触；若端部约束结构170具有第一环形凹槽171、轴向荷载施力结构190具有第二环形凹槽1951，管片结构的两端分别嵌入第一环形凹槽171和第二环形凹槽1951。在本实用新型的优选实施例中，管片结构的两端分别嵌入第一环形凹槽171和第二环形凹槽1951，管片结构的外壁与第一侧向弧板151、第二侧向弧板153、拱部弧板157以及底部弧板159均抵触。

此外，在具体设置时，管片结构装置可模拟不同拼装方式、强度条件下管片，管片结构模拟材料包括：重晶石粉、石英砂、石膏，按照一定配合比拌合后，使其达到管片结构模拟材料所需强度，进而进行浇筑。可通过调整不同的配合比实现模拟不同强度的管片结构材料。同时，可根据不同管片拼装方式，可依次浇筑管片环中每块管片结构，以实现管片结构不同拼装方式的模拟。

在本实用新型中，该盾构隧道顶推施工模拟系统还包括检测装置。检测装置用于采集试验数据。示例性地，可以使用压力计监测围岩荷载施力结构130以及轴向荷载施力结构190施加的作用力，可以使用应变计监测管片结构受力，可以使用位移计监测管片结构位移，可以使用静态应变采集仪采集记录试验过程中管片结构模拟材料所受压力和自身的应力应变的变化规律，可以使用图像采集系统记录试验过程中管片结构破坏模式。

该盾构隧道顶推施工模拟装置100包括支撑结构110、围岩荷载施力结构130、夹持结构150、端部约束结构170以及轴向荷载施力结构190。

其中，夹持结构150形成用于夹持管片结构的限位空间，围岩荷载施力结构130用于模拟围岩荷载，轴向荷载施力结构190用于模拟轴向荷载。本申请通过控制围岩荷载施力结构130的荷载大小，实现不同围岩压力条件下试验模拟研究(例如：通过更换围岩荷载施加系统单元中等效刚度弹簧)，实现不同围岩荷载条件下的施工模拟；本实用新型可实现不同顶推千斤顶行程差条件下试验模拟研究(例如：通过控制顶推施加系统中油缸千斤顶各自行程长度以实现不同顶推千斤顶行程差条件下的施工模拟)，实现不同行程差条件下的施工模拟；本实用新型可实现不同顶推千斤顶偏转角度条件下试验模拟研究(例如通过在反力墙191的底部施加楔形垫块方式)，实现不同顶推千斤顶偏转角度条件下的施工模拟。综上所述，该盾构隧道顶推施工模拟装置100能够模拟盾构隧道掘进过程中管片结构的受力特征和破坏模式，为盾构隧道结构稳定提供试验数据，优化盾构法隧道掘进施工设计。

以上所述仅为本申请的优选实施方式而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。