专利名称：一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盾构机盾构隧道施工的模拟装置，尤其涉及一种用于模拟 城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机。
技术背景采用模型盾构机进行室内模型试验是研究盾构机对地层的适应性或影响的 一种重要手段，通过模拟对盾构隧道的设计与施工，提供实验数据，以保障城 市地铁施工的高效、安全进行。 一些盾构模型以模拟原型局部为目的开展试验，如曰本学者森麟(1984)制造的半截面模型盾构机、栗原和夫等(1989)制造的泥 水式模型盾构机，Nomoto等(1999)制造的微型盾构机装置以及同济大学(2006) 制造的双壳单螺旋模型盾构机。这些模型盾构机尺寸小，考虑因素单一，通常 只能模拟盾构机的某一方面的性能，因此不能对盾构机的实际的掘进、出土及 推进过程进行有效、全方位的模拟，存在较大的局限性。 发明内容本发明的目的就是提供一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模 型盾构机，该装置能够模拟盾构机的动态掘进，出土、推进等盾构隧道施工的 全过程，在室内完整再现盾构机现场施工的全过程，/人而城市地《失区间盾构隧 道施工对地层的适应性或影响提供更真实、准确的实验数据，保障城市地铁施 工的高效、安全进行。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是， 一种用于模拟城市地铁区间 盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为a、 掘土装置隔板将圆柱形盾壳分隔为前部的土舱和后部的机抢，隔板中 间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴的前端连接刀盘，后端通过机抢内的传动 齿轮与固定在机抢上的刀盘电机相连。b、 螺旋出土器螺旋杆的前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套 合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与固定在机舱上的出土器电机的电机轴 相连；出土套筒的前端固定在隔板上，后端固定在机輪上，出土套筒的后部下 方开有出土孔。
C、推进装置盾壳的机抢的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶， 且四个千斤顶的分布沿才几艙尾部的垂直轴线对称。本发明的工作过程和工作原理是本发明的室内模型盾构机主要由掘土装 置、螺旋出土器和推进装置三部分组成。将其安装、定位于室内的试验土槽内， 三部分同时工作，实现对于城市地铁区间盾构隧道施工的模拟掘土装置在刀盘电机通过传动齿轮刀盘轴带动前方出土舱中的刀盘对准 室内模拟土旋转，实现对真实盾构机削土功能的模拟。通过调节刀盘电机的转 速以及调节刀盘开口率等参数，实现对真实盾构机不同刀盘类型和参数的模拟。 掘土装置削下的土，堆积在土抢中。螺旋出土器出土器电机带动螺旋杆转动将位于土抢中的泥土旋转、后推 进入出土套筒中，泥土从出土套筒后部的出土孔处漏出，然后被送出掘出的隧 道外，实现对盾构机出土功能的模拟。试验中可以替换不同类型、不同内径的 螺旋杆及套筒来模拟—不同类型的真实盾构机的出土器，并通过控制出土器电机 转速来实现出土量的控制。推进装置推进前，在机抢内的尾部采用模拟隧道的管片拼装成环，构成 隧道结构；机舱中后部上均匀分布的四个纵向的千斤顶的后端顶住机抢内尾部 的隧道结构，随着液压千斤顶的伸出，实现模型盾构机的液压推进。该隧道结 构同时在模型盾构机推进过程中实现对模拟围岩的支护。推进装置向前推进最 大距离时，机抢尾部的隧道结构脱环，即隧道结构尾部相对才几抢位置最远；然 后在该脱环位置处，在机艙尾部(隧道结构的前部)再用模拟隧道的管片拼装成 环构成新的一节隧道结构，再进行下一次的推进及脱环。脱环、拼装反复循环， 使隧道结构逐节形成。通过以上方式的三个装置的协调运作，实现对于真实隧道施工过程的掘进、 出土、推进隧道结构形成的完整;f莫拟。与现有技术相比，本发明的有益效果是能将土压平衡盾构机掘进、施工时同时发生的掘削面开挖、螺旋出土器出 土、盾构机推进、管片拼装和盾尾脱环进行全面、综合的模拟，从而在室内实 现了盾构机现场施工的所有过程的动态实时模拟。相比于现有同类试验装置， 该装置在研究盾构施工对周围环境的影响时更为全面和真实，实验数据更真实 可靠，从而更加可靠地保障了城市地铁施工的高效、安全进行。
本发明的刀盘的类型、开口率及转速可以变化调整，螺旋出土器的类型、 规格及参数也可调整，推进力的大小也可随意调整。因此，本发明的模型盾构 机可以重复利用，适用于不同类型和环境的城市地铁盾构隧道施工的模拟试验， 对于地铁隧道安全、高效施工具有十分重要的意义。上述的土艙内刀盘后方的刀盘轴上，还安装有径向的搅拌棒。搅拌棒的旋 转能将土舱内堆积的泥土搅松，有利于泥土向下进入螺旋杆的螺旋槽内而被送 走。 、上述的四个千斤顶的油路连接方式为相对的两个千斤顶串联，左侧的两 个千斤顶并联，右侧的两个千斤顶并联。这样使得对角线(即相对)的两个串联千斤顶行程一致，可以在盾构机掘 进方向变化时，通过调整端盖的伸出位置，达到在掘进过程中纠偏的目的。如 若盾构机向左偏斜，将左侧两个千斤顶的端盖旋出一定距离，使其相对右侧伸 出一定位移，先于右侧千斤顶接触后方管片，使左侧千斤顶先出力，右侧千斤 顶暂不出力，盾构机左侧先行前移，为模型盾构机提供了一个向右偏的弯矩， 从而纠正模型盾构机的左偏斜。当模型盾构机向其它方向偏斜时，同样只需把 偏斜方向侧的千斤顶端盖旋出一定距离即可。上述的刀盘为辐条型或面板型。这样，可通过更换不同类型的刀盘，实现 对于不同的类型的真实盾构机在隧道施工中的掘进过程的模拟，尤其方便研究 刀盘开口率对掘进过程的影响。下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图l是本发明实施例在刚拼装成环，开始推进时的结构示意图。 图2是本发明实施例在推进至最大位置处，完成盾尾脱环时的结构示意图。 图3是本发明实施例的四个千斤顶的油路连接关系示意图。
具体实施方式
实施例图1、 2示出，本发明的一种具体实施为， 一种用于模拟城市地铁区间盾构 隧道施工的室内才莫型盾构^L,其组成为a、掘土装置隔板2将圆柱形盾壳1分隔为前部的土舱7和后部的机艙8， 隔板2中间通过刀盘轴承3安装刀盘轴4，刀盘轴4的前端连接刀盘5,后端通
过机艙8内的传动齿4仑15与固定在机抢8上的刀盘电机6相连。b、 螺旋出土器螺旋杆9的前部位于土舱7内刀盘5后方，其余部分穿过 隔板2套合在机抢8内的出土套筒11内，螺旋杆9后端与固定在机抢8上的出 土器电机10的电机轴相连；出土套筒11的前端固定在隔板2上，后端固定在 机舱8上，出土套筒11的后部下方开有出土孔12。c、 推进装置盾壳1的机抢8的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤 顶13，且四个千斤顶13的分布沿4几舱8尾部的垂直轴线对称。土舱7内刀盘5后方的刀盘轴4上，还安装有径向的搅拌棒14。刀盘5为 辐条型。当然刀盘5也可选用面板型。图3示出，本例的四个千斤顶13的油路连接方式为相对的两个千斤顶13 串联，左侧的两个千斤顶13'并联，右侧的两个千斤顶13并联。千斤顶的端盖 17以螺紋方式固定在千斤顶13的顶杆端部。图1为管片19刚拼装成环，开始推进时的结构示意图。图2为在推进至最 大位置处，完成盾尾脱环时的结构示意图。可见本发明能够实现对于真实隧道 施工过程的推进、隧道结构形成的完整模拟。
权利要求
1、一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为a、掘土装置隔板(2)将圆柱形盾壳(1)分隔为前部的土舱(7)和后部的机舱(8)，隔板(2)中间通过刀盘轴承(3)安装刀盘轴(4)，刀盘轴(4)的前端连接刀盘(5)，后端通过机舱(8)内的传动齿轮(15)与固定在机舱(8)上的刀盘电机(6)相连；b、螺旋出土器螺旋杆(9)的前部位于土舱(7)内刀盘(5)后方，其余部分穿过隔板(2)套合在机舱(8)内的出土套筒(11)内，螺旋杆(9)后端与固定在机舱(8)上的出土器电机(10)的电机轴相连；出土套筒(11)的前端固定在隔板(2)上，后端固定在机舱(8)上，出土套筒(11)的后部下方开有出土孔(12)；c、推进装置盾壳(1)的机舱(8)的中后部，周向均匀分布有四个纵向的千斤顶(13)，且四个千斤顶(13)的分布沿机舱(8)尾部的垂直轴线对称。
2、 如权利要求1所述的一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模 型盾构机，其特征在于所述的土舱(7)内刀盘(5)后方的刀盘轴(4)上， 还安装有径向的搅拌棒(14 )。
3、 如权利要求1所述的一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模 型盾构机，其特征在于所述的四个千斤顶(13)的油路连接方式为相对的 两个千斤顶(13)串联，左侧的两个千斤顶(13)并联，右侧的两个千斤顶(13) 并联。 '
4、 如权利要求1所述的一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模 型盾构机，其特征在于所述的刀盘(5)为辐条型或面板型。
全文摘要
一种用于模拟城市地铁区间盾构隧道施工的室内模型盾构机，其组成为a.掘土装置圆形盾壳通过隔板分隔为前部的土舱和后部的机舱，隔板中间通过刀盘轴承安装刀盘轴，刀盘轴前端连接刀盘，后端通过传动齿轮与刀盘电机相连。b.螺旋出土器螺旋杆前部位于土舱内刀盘后方，其余部分穿过隔板套合在机舱内的出土套筒内，螺旋杆后端与出土器电机相连；出土套筒前、后端分别固定在隔板、机舱上，其后部开出土孔。c.推进装置机舱尾部分布四个纵向千斤顶。该装置能模拟土压平衡式盾构机的动态掘进，出土、推进、拼装、脱环等施工的全过程，为城市地铁盾构隧道施工对地层的适应性或影响提供真实、准确的实验数据，保障城市地铁施工的高效、安全进行。
文档编号E21D9/06GK101398986SQ20081004651
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年11月10日
发明者川 何, 佳 吾, 勇 方, 赵强政, 磊 郭, 非 马 申请人:西南交通大学