一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置及方法与流程

本发明涉及一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置及方法，属于地下岩土工程盾构模型试验技术领域。

背景技术：

随着国民经济的飞速发展，交通量日益增大，在加快城市建设和保护周边环境的要求下，很多城市正在积极合理地开发地下空间建设地铁。盾构法作为地铁建设中主要的施工方法已得到了广泛应用，但盾构开挖过程对周围土层扰动较为明显，同时考虑到刀盘直径大于管片外径，管片拼装完毕并脱出盾尾后，将与土体形成一个环向间隙，往往会造成较大的地层沉降，而盾尾注浆能有效降低地表变形和土层移动。

针对盾构施工过程的研究对于了解盾构隧道本身结构特性及其对周边环境的影响具有重要意义，其中利用试验手段进行相关研究可获得较为直观的结果。限于施工环境影响及测量手段不足，基于现场的盾构隧道开挖过程试验较难实现，因此可通过模型试验完成对盾构隧道开挖注浆的工程模拟。

国内外学者针对盾构隧道开挖和注浆的相关问题进行了一系列模型试验，较好的完成了盾构隧道的开挖模拟及开挖后的注浆模拟。但是已有成果中对于盾构隧道开挖及注浆的同步模拟研究较少，难以同时考虑盾构开挖对周围土层的扰动及盾尾注浆对地层变形的影响。为此，需要一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置及方法，不仅结构紧凑，而且方便用于模拟开挖和注浆过程，同时方法简便。

本发明的技术方案在于：一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置，包括工作台，所述工作台上设置有隧道圆管，所述隧道圆管的前侧设置有由驱动机构驱动的刀盘，所述刀盘的后侧设置有用于存储开挖后的渣土的密闭室，所述密闭室的下部设置有吸渣机构，密闭室的上部设置有与吸渣机构同步完成启闭的通气机构，所述隧道圆管上套置有内侧面与隧道圆管相粘结的橡胶管套，所述橡胶管套设置有模拟注浆机构，所述工作台的前侧还设置有用于填入土层材料的模拟箱，所述模拟箱的两侧部分别预留有用于刀盘钻进的孔洞。

进一步地，所述驱动机构包括与刀盘相连接的传力杆，所述传力杆穿过隧道圆管且后端与驱动电机相连接。

进一步地，所述刀盘上设置有内圈和外圈两组刀片，所述刀片与钻进方向形成夹角，所述外圈的刀片密布排列。

进一步地，所述刀盘外套置有金属罩壳，所述金属罩壳与密闭室连接为整体。

进一步地，所述吸渣机构包括前端与密闭室下部相连通的出渣导管，所述出渣导管穿过隧道圆管并设置有吸渣器，出渣导管的后端与设置于工作台后侧的渣土收集器相连接。

进一步地，所述通气机构包括前端与密闭室上部相连通的通气导管，所述通气导管穿过隧道圆管且穿过隧道圆管的端部上设置有通气阀门。

进一步地，所述橡胶管套沿隧道圆管的轴向自前向后由窄至宽分为若干段，相邻两段之间紧密相连；所述模拟注浆机构包括与每段橡胶管套相连接的注水软管，所述注水软管分别穿过隧道圆管并与液压泵相连接。

进一步地，所述模拟箱上孔洞的直径与刀盘直径相同。

一种用于盾构模型试验的钻进式试验方法一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置，步骤如下：

1）将模型箱组装完成，填入与所模拟盾构施工现场的实际土层相似的土层材料，并夯实静置；

2）在工作台上组装刀盘、密闭室和隧道圆管，并连接驱动机构；

3）在橡胶管套外表面需涂抹润滑液，调整刀盘的钻进位置；

4）模拟开挖时，开启驱动机构使刀盘向前钻进，每次钻进距离为实际盾构管片纵向尺寸按照几何相似比转换所得，同时打开吸渣机构，将开挖后的渣土排出，并开启通气机构维持密闭室内气压稳定；

5）单次钻进完成后关闭驱动机构、吸渣机构及通气机构，将隧道圆管跟进对应钻进长度；

6）模拟注浆时，利用液压泵沿着注水软管向橡胶管套中注入液体，通过橡胶管套的膨胀模拟注浆效果；

7）下一步钻进开挖前，需减小液压泵压力，排出橡胶管套中部分液体，以便降低隧道圆管跟进时与周围土层的摩擦；

8）循环步骤4）至步骤7），直到开挖全部完成。

进一步地，所述的模型箱中的土层材料基于现场实际土层由材料相似比转换所得。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

模型试验装置做到将开挖钻进和盾尾注浆相结合，通过驱动电机来控制刀盘的开挖速度和进程，模拟开挖扰动，通过液压泵控制橡胶管套内液压大小来模拟盾尾注浆，很好地还原了现场盾构开挖注浆的过程。刀盘后形成密闭室，便于渣土的收集和排出，实现了自动出土，同时也可防止出渣导管将周围未开挖的相似土层材料吸入，通气导管的加入使密闭室内气压更趋于稳定。此模型试验装置能够重复利用，可以进行多工况试验，是一种适用性较好的盾构开挖注浆模型试验装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的隧道圆管的剖视示意图；

图3为本发明的刀盘的示意图；

图4为本发明的橡胶管套与周围结构连接细部剖面图；

图中：1-模型箱、1a-孔洞、2-刀盘、2a-内圈刀片、2b-外圈刀片、3-密闭室、4-传力杆、5-驱动电机、6-出渣导管、7-渣土收集器、8-吸渣器、9-通气导管、10-通气阀门、11-隧道圆管、12-橡胶管套、13-注水软管、14-液压泵、15-工作台。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图4

一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置，包括工作台15，所述工作台上设置有隧道圆管11，所述隧道圆管的前侧设置有由驱动机构驱动的刀盘2，所述刀盘的后侧设置有用于存储开挖后的渣土的密闭室3，开挖过程中需保证密闭室内部区域密封。所述密闭室的下部设置有吸渣机构，密闭室的上部设置有与吸渣机构同步完成启闭的通气机构，所述隧道圆管上套置有内侧面与隧道圆管相粘结的橡胶管套12，所述橡胶管套设置有模拟注浆机构，所述工作台的前侧还设置有用于填入土层材料的模拟箱1，所述模拟箱的两侧部分别预留有用于刀盘钻进的孔洞1a，所述孔洞的直径与刀盘直径相同，以便刀盘的钻进。

本实施例中，所述驱动机构包括与刀盘相连接的传力杆4，所述传力杆穿过隧道圆管且后端与驱动电机5相连接，从而为刀盘提供旋转动力。并，通过控制驱动电机的旋转速度和推进力来模拟不同盾构开挖速度及开挖过程对土层的扰动情况。

本实施例中，所述刀盘上设置有内圈刀片2a和外圈刀片2b，所述外圈的刀片密布排列，可使开挖断面受力更加均匀，便于刀盘2前进；各组刀片与钻进方向形成一定夹角，实现刀片对前方土层的切削。

本实施例中，所述刀盘外套置有金属罩壳，所述金属罩壳与密闭室连接为整体，以保证刀盘2在内部转动时不会带动后侧密闭室3旋转。

本实施例中，所述吸渣机构包括前端与密闭室下部相连通的出渣导管6，所述出渣导管穿过隧道圆管并设置有吸渣器8，出渣导管的后端与设置于工作台后侧的渣土收集器7相连接。通过吸渣器8完成出渣导管开闭及吸土出渣工作，使每次开挖后的渣土不会填塞密闭室，从而保证开挖工作正常进行。

本实施例中，所述通气机构包括前端与密闭室上部相连通的通气导管9，所述通气导管穿过隧道圆管且穿过隧道圆管的端部上设置有通气阀门10。通过通气阀门10与出渣导管6同步完成管路开闭，保持密闭室3内部气压稳定，使出渣导管6吸气出渣时不至于破坏前方未开挖土层断面的稳定性。

本实施例中，隧道圆管11对应于实际盾构管片按照一定材料相似比制作而成，隧道圆管11外径和厚度由几何相似比转换所得，总长为开挖长度。刀盘2开挖过程中，通过隧道圆管11沿前方开挖隧洞的跟进来模拟盾构管片的安装。

本实施例中，所述橡胶管套加压填充后模拟衬砌管片外的注浆情况。所述橡胶管套沿隧道圆管的轴向自前向后由窄至宽分为若干段，相邻两段之间紧密相连。最前端各段长度由实际盾构管片纵向尺寸按几何相似比转换所得，充满后的截面面积相当于刀盘2的开挖面积与隧道圆管11的截面积之差。

本实施例中，所述模拟注浆机构包括与每段橡胶管套相连接的注水软管，所述注水软管分别穿过隧道圆管并与液压泵相连接。各橡胶管套12分别通过液压泵14提供液压使其膨胀或收缩，来模拟注浆效果，具体加压大小需根据实际盾构施工过程中管片与周围土层浆液压力相似转换所得。

本实施例中，所述工作台用于放置待钻进试验装置的钻进部分及驱动电机5，可根据具体试验要求改变工作台15高度及位置，保证钻进部分与驱动电机5的连接，并可对对钻进方向进行实时调控。

一种用于盾构模型试验的钻进式试验方法一种用于盾构模型试验的钻进式试验装置，步骤如下：

1）将模型箱组装完成，填入与所模拟盾构施工现场的实际土层相似的土层材料，并夯实静置，所述的模型箱中的土层材料基于现场实际土层由材料相似比转换所得；

2）在工作台上组装刀盘、密闭室和隧道圆管，并连接驱动机构；

3）在橡胶管套外表面需涂抹润滑液，以减小与土层材料间的摩擦，降低隧道圆管11向开挖隧道内部跟进过程中因橡胶管套12与周围土层的切向力作用导致的土层不稳；并调整刀盘的钻进位置；

4）模拟开挖时，开启驱动电机，通过传力杆4控制刀盘2向前钻进，每次钻进距离为实际盾构管片纵向尺寸按照几何相似比转换所得，同时打开吸渣器8，将开挖后的渣土沿出渣导管6排至模型箱1外的渣土收集器7，并保证通气导管9畅通，维持密闭室3内气压稳定；

5）单次钻进完成后关闭驱动机构、吸渣机构及通气机构，将粘结有橡胶管套的隧道圆管跟进对应钻进长度；

6）模拟注浆时，利用液压泵沿着注水软管向橡胶管套中注入液体，通过橡胶管套的膨胀模拟注浆效果；

7）下一步钻进开挖前，需减小液压泵压力，排出橡胶管套中部分液体，以便降低隧道圆管跟进时与周围土层的摩擦；

8）循环步骤4）至步骤7），直到开挖全部完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的用于盾构模型试验的钻进式试验装置及方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。