一种用于泥水盾构模型试验的试验系统及方法与流程

本发明涉及一种用于泥水盾构模型试验的试验系统及方法，主要涉及盾构试验领域。

背景技术：

进入二十一世纪以来，我国经济迅猛发展，城市人口密度愈来愈大，交通量日益增大，因此合理地开发城市地下空间就显得尤为重要。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，但盾构施工过程中对周围土层的存在扰动，且考虑到隧道管片与盾构机存在间隙，往往会对地面造成不同程度的沉降，进行盾尾注浆能有效减少地面沉降。

现如今，对于盾构施工的工程评估，主要通过数值模拟，模型试验法等。其中模型试验法是研究盾构施工过程的重要方法。模型实验法不仅能节约成本，而且能够有效地模拟实际工程的真实情况，通过模拟不同工况条件，可以得到对应于实际中不同情况的重要可靠的参考数据，对于研究盾构开挖对底层影响有着重要意义。现有技术中盾构试验设备大多稳定性较差，无法更真实的还原盾构的过程，试验的参考性不足。

技术实现要素：

针对以上现有技术的不足，本发明提出一种用于泥水盾构模型试验的试验系统及方法，提高试验过程的稳定性、还原性和可参考性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：包括模拟单元和盾构单元；

所述模拟单元包括隧道圆管和填充土壤的土壤箱，所述隧道圆管水平设置，其中该隧道圆管的尾端与所述土壤箱连通对接；所述盾构单元包括机壳、刀盘、转轴和反力墙，所述刀盘转轴配合于所述机壳的首端，所述机壳内腔沿其横截面间隔设有第一隔板和第二隔板，并且在机壳的尾端设有第三隔板，该第一隔板和所述刀盘之间形成土仓，所述土仓连接有泥浆输进管和泥浆输出管，所述泥浆输进管和所述泥浆输出管于所述第一隔板连通至所述土仓，所述转轴贯穿所述第一隔板和所述第二隔板配合，该转轴的尾端与电机联动配合，该转轴的首端与所述刀盘背面固定，所述反力墙设置于所述机壳的尾端外侧，所述反力墙上设有千斤顶，该千斤顶的输出端抵靠至所述机壳尾端外侧，千斤顶使机壳尾端首端自隧道圆管向土壤箱滑动。

本发明的技术原理及有益效果如下：

本方案在试验的时候在土壤箱内加装土壤，刀盘通过电机在机壳内部转动，机壳整体则通过设置在尾部的千斤顶推动，通过千斤顶将机壳的首段向隧道圆管的首端进入，然后从隧道圆管的内部慢慢滑动，其中转动的刀盘与土壤箱内的土壤接触，由于千斤顶的推动，刀盘一边转动一边随着机壳向土壤箱内掘进。整个过程更加稳定，能够更加真实的还原盾构过程，提高试验的准确性。

本方案在土仓内设有泥浆输进管和泥浆输出管，能够向土仓内输入输出泥浆，完美的还原盾构过程的注浆操作，通过泥浆输进管将外部的泥浆输入到土仓内，同步用泥浆输出管将泥渣运送到外部。

优选地，所述隧道圆管的尾端向所述土壤箱中有延伸部分，便于在刀盘进入土壤箱内之后还可以保持方向的稳定性。

优选地，所述泥浆输进管上设有泥浆压力泵，控制泥浆压力，以改变流速，所述泥渣输出管上布置吸渣器，保证出浆管道不堵塞，确保开挖工作的正常进行。

优选地，所述制备区设置泥浆浓度检测器，便于实时对隔制备区泥浆的浓度，以便根据浓度精确的调整泥浆浓度。

优选地，所述隧道圆管外周壁与所述土壤箱之间设有加强板，提高隧道圆管与土壤箱之间的连接强度。

优选地，所述转轴的外周壁设有若杆加强肋与所述刀盘的背面固定，提高转轴与刀盘之间的配合强度。

优选地，所述刀盘上设置八个刀片，八个所述刀片成等夹角排列，刀盘开口率为33％度，以便提高盾构效率和均衡度。

优选地，所述第一隔板与所述转轴通过轴承配合；所述第二隔板与所述转轴也通过轴承配合，便于转轴相对第一隔板和第二隔板转动。

一种用于泥水盾构模型试验的试验方法：实验步骤如下：

(1)布设传感器，先将孔隙水压力计与土压力盒固定于支架上，放置于拟测点；

(2)向土壤箱内填入与观测点相似材料，20cm为一层，根据密度和每层体积求得每层所需质量，分层夯实，并且采用静水饱和法分层使土体饱和；

(3)按比例配置泥浆，泥浆膨化12h；

(4)开始试验，以一定的压力将泥浆缓慢注入泥水舱内，等待泥浆进浆及出浆流量稳定；

(5)开始掘进，使舱压稳定在试挖时确定的泥浆压力，开启电机及千斤顶，使隧道以一定速率向前掘进，此时，刀盘转速、进浆流量、出浆流量保持恒定；

(6)盾构掘进到最终掘进点，保持刀盘转动，保持泥浆输进管进浆流量，缓慢减小泥舱压力，直至开挖面主动破坏；

(7)试验过程中进行舱压、泥浆流量、各测点土压力、孔隙水压力及地表位移实时监测；

(8)开挖面破坏后，进行地表破坏形式、破坏面及泥浆渗透情况的观测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中两幅，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的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的模拟单元的示意图；

图3为本发明实施例的盾构单元的示意图；

图4为本发明实施例的泥浆池的示意图。

其中，土壤箱1、加强板2、支架3、隧道圆管4、滚珠轨道5、刀盘6、泥水舱7、密封胶圈8、机壳9、千斤顶10、泥浆池11、泥浆输进管12、泥浆输出管13、过滤隔板14、吸渣器15、反力墙16、存储区17、制备区18、筛网19、导流叶片20、电机21、第一隔板22、第二隔板23、接触轮24、第三隔板25、转轴26、速度检测器27。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明包括模拟单元、盾构单元和泥浆过滤单元；

所述模拟单元包括隧道圆管4和填充土壤的土壤箱1，所述隧道圆管4水平设置，隧道圆管4通过支架3支撑固定，其中该隧道圆管4的尾端与所述土壤箱1连通对接，所述隧道圆管4外周壁与所述土壤箱1之间设有加强板2，提高隧道圆管4与土壤箱1之间的连接强度。所述隧道圆管4的尾端向所述土壤箱1中有延伸部分；

所述盾构单元包括机壳9、刀盘6、转轴26和反力墙16，所述刀盘6转轴26配合于所述机壳9的首端，所述机壳9内腔沿其横截面间隔设有第一隔板22和第二隔板23，该第一隔板22和所述刀盘6之间形成土仓，所述转轴26贯穿所述第一隔板22和所述第二隔板23配合，所述第一隔板22与所述转轴26通过轴承配合，所述第二隔板23与所述转轴26也通过轴承配合，便于转轴26相对第一隔板22和第二隔板23转动。该转轴26的尾端与电机联动配合，该转轴26的首端与所述刀盘6背面固定，所述转轴26的外周壁设有若杆加强肋与所述刀盘6的背面固定，提高转轴26与刀盘6之间的配合强度，所述刀盘6上设置八个刀片，八个所述刀片成等夹角排列，刀盘6开口率为33％，以便提高盾构效率和均衡度。所述反力墙16设置于所述机壳9的尾端外侧，所述反力墙16上设有千斤顶10，，该千斤顶10的输出端抵靠至所述机壳9尾端外侧，千斤顶10使机壳9尾端首端自隧道圆管4向土壤箱1滑动。

所述泥浆过滤单元包括有泥浆输出管13、泥浆输进管12和泥浆池11。

所述泥浆输出管13和所述泥浆输进管12其中一端自所述第一隔板22连通至所述土仓，通过向土仓内输入输出泥浆，以便模拟盾尾注浆，更真实的模拟注浆过程。为了可以实现更好的布置泥浆输出管13和泥浆输进管12，所述泥浆输出管13和所述泥浆输进管12的另一端穿过第二隔板23和第三隔板25，并自机壳9的尾端穿出连接至外部，便于机壳9顺利向内推进的同时实现泥浆内外的交换。

为了提供泥浆的供给和存储，同时将输送的和流出的隔离，避免出现泥渣混合，所述泥浆池11包括存储区和制备区，所述存储区与所述泥浆输出管13的另一端连通，所述制备区与所述泥浆输进管12另一端连通，所述存储区和制备区通过过滤隔板14隔离，通过过滤隔板14允许泥渣部分较清泥浆流向制备区中。

所述过滤隔板14包括中间的百叶导流层和两侧的筛网层，所述百叶导流层包括有若干相互平行设置的导流叶片，所述导流叶片均倾斜设置，并且导流叶片的上端边靠近所述制备区一侧，所述导流叶片的下端靠近存储区一侧。

所述泥浆输进管12上设有泥浆压力泵，通过泥浆压力泵控制泥浆压力，以改变流速，所述泥渣输出管上布置吸渣器15，保证出浆管道不堵塞，确保开挖工作的正常进行。

为了减少盾构机推进时产生的摩擦阻力，所述隧道圆管4的内壁分布有若干条轴向设置的滚珠轨道5，所述机壳9在隧道圆管4内时，该机壳9的外壁与所述滚珠轨道5滑动配合。所述滚珠轨道5包括轨槽和滚珠，所述轨槽在所述机壳9外壁轴向设置，所述滚珠滚动嵌装于所述隧道圆管4的内壁，该滚珠部分凸出于所述隧道圆管4内壁，凸出于所述隧道圆管4内壁的滚珠与所述轨槽配合，以便机壳9能够更加容易向速调圆管内滑动，同时滚珠轨道5能够避免机壳9发生扭转。

所述密封胶圈8厚度大于机壳9与所述空隙，密封胶圈8用于封堵其空隙，防止泥浆从空隙中泄露

所述存储区17和制备区18通过过滤隔板14隔离，所述过滤隔板14包括筛网19和若干∟型折流板，所述筛网19竖直设置，所述∟型折流板的顶角固定于所述筛网19上，所述∟型折流板两翼分别在所述筛网19的两侧向下倾斜设置，相邻所述∟型折流板上下间隔固定。

一种用于泥水盾构模型试验的试验方法：实验步骤如下：

(1)布设传感器，先将孔隙水压力计与土压力盒固定于支架3上，放置于拟测点；

(2)向土壤箱1内填入与观测点相似材料，20cm为一层，根据密度和每层体积求得每层所需质量，分层夯实，并且采用静水饱和法分层使土体饱和；

(3)按比例配置泥浆，泥浆膨化12h；

(4)开始试验，以一定的压力将泥浆缓慢注入泥水舱7内，等待泥浆进浆及出浆流量稳定；

(5)开始掘进，使舱压稳定在试挖时确定的泥浆压力，开启电机及千斤顶10，使隧道以一定速率向前掘进，此时，刀盘6转速、进浆流量、出浆流量保持恒定；

(6)盾构掘进到最终掘进点，保持刀盘6转动，保持泥浆输进管12进浆流量，缓慢减小泥舱压力，直至开挖面主动破坏；

(7)试验过程中进行舱压、泥浆流量、各测点土压力、孔隙水压力及地表位移实时监测；

(8)开挖面破坏后，进行地表破坏形式、破坏面及泥浆渗透情况的观测。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。