专利名称：一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型试验装置，该装置可以模拟土压平衡盾构施工过程，评价土样的传力性能、渗透性、流动性，适用于土压平衡盾构机施工中改良土体性能评价试验研究与应用，属于模拟隧道开挖试验机械装置。
背景技术：
土压平衡盾构施工是一种暗挖隧道施工方法，其施工过程是盾构前方的土体经刀盘掘削进入土舱，土舱内的渣土通过充分混合后具有盾构施工所需的塑流性状态，在螺旋排土器内形成压力梯度维持土舱压力，并能顺利排出实现连续掘进。可见，盾构机内土体的性能对其顺利、高效施工具有决定性的作用，然而随着应用盾构施工的土层范围不断拓宽，所开挖土层往往达不到盾构施工所要求的土体塑流性，引发了许多施工问题。而且现场施工中对土体的改良均依靠现场摸索或工程经验来确定，改良土体的性能缺乏相应评价方法，模型试验是公认的能较全面评价改良土体性能的试验方法。现有的模型试验可以模拟盾构施工过程，简单地反应改良土体的状态变化，如螺旋排土器内改良土体土压力、抗剪强度以及螺旋排土器扭矩的变化规律。但是对土舱内土体的压力分布和压力传递规律研究较少，而且不能较好地模拟盾构施工中土舱内土体的真实情况。本土压舱模型装置可以模拟盾构施工过程，较好的反映土样在盾构施工中的状态变化，如土舱内土体的搅拌，研究土舱和螺旋排土器内改良土体土压力变化规律；比较不同添加剂的土体改良效果，全面评价改良土体性能，为优化添加剂配比方案提供依据，是一种比较可靠的评价改良土体性能的室内试验装置。目前还未见有专利报道能实现这种功能的试验装置。
发明内容
本发明提出了一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型试验，装置主要包括土舱系统和螺旋排土器系统。该装置可以模拟盾构施工，通过改变螺旋排土器的倾斜角度和相关运行参数，研究盾构机内改良土体的压力状态变化过程及螺旋排土器扭矩大小，全面评价改良土体性能，优化土体改良的添加剂配比方案，改善盾构机在不良土层中的施工。为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置，其特征在于本装置包括土舱、土舱盖、土舱千斤顶、搅拌棒、搅拌电动机、土舱支架、混凝土底座、螺旋排土器、螺旋排土器电动机、螺旋转动装置、螺旋排土器支座千斤顶，传感器；其中土舱5是一个上部开口的封闭容器，底部固定在混凝土底座7上；土舱上方的支架 1设一横梁，横梁中心安装垂直向下伸缩的土舱千斤顶2，千斤顶连接土舱盖3，土舱盖周围具有密封止水条；土舱5内部设有搅拌棒4，搅拌棒4固定在固定板17上，固定板17紧贴着土舱5的内壁，横穿土舱5的内部，并通过传动轴15与土舱5外部的搅拌电动机6相连； 土舱5—侧下部通过螺旋排土器转动装置9连接螺旋排土器8 ；螺旋排土器转动装置9由钢珠20、内转动球壳22、外转动球壳21、法兰19组成；内转动球壳22通过不锈钢滚珠20与外转动球壳19构成一个整体结构；内转动球壳22与螺旋排土器8起始端连接，外转动球壳 21通过法兰19固定在土舱5上；螺旋排土器8内部是螺杆14，靠近螺旋排土器8的末端下方设有排土口 12，螺杆14末端连接螺旋排土器电动机11，螺旋排土器8和螺旋排土器电动机11连接在一起，螺旋排土器8和螺旋排土器电动机11通过螺旋排土器支座千斤顶10固定在螺旋排土器支座13上；传感器包括土压力传感器，位移传感器32和扭矩传感器37 ；位移传感器32 —端固定在土舱盖3上表面，另一端固定在支架1上；土舱盖3中间设置土舱盖土压力传感器 33，土舱壁上等间距设置不少于4个土舱壁土压力传感器34，土舱底板中心设置土舱底板土压力传感器36，螺旋排土器8上等间距设置不少于3个排土器土压力传感器35 ；螺旋排土器8末端设置扭矩传感器37。本发明具有如下优点本发明能模拟盾构掘进时土舱内土体的真实情况，详细监测掘进过程中土舱、螺旋排土器内土样的压力状态变化过程，全面评价改良土体性能；通过改变螺旋排土器倾斜角度研究其对盾构机内土压力的影响；方便量取螺旋排土器的出土量，研究土样的螺旋排土器出土效率，为优化盾构施工参数提供参考。
图1为本发明一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置的结构示意图；图2为本发明中土舱搅拌装置示意图；图3为本发明中螺旋排土器转动装置示意图；图4为本发明中螺旋排土器的结构示意图；图5为本发明中螺旋排土器传动装置的结构示意图；图6为本发明中传感器分布图。图中1、土舱支架，2、土舱千斤顶，3、土舱盖，4、搅拌棒，5、土舱，6、搅拌电动机，7、 混凝土底座，8、螺旋排土器，9、螺旋排土器转动装置，10、螺旋排土器支座千斤顶，11、螺旋排土器电动机，12、排土口，13、螺旋排土器支座，14、螺杆，15、传动轴，16、螺栓，17、圆形固定板，18、滑轮密封装置，19、法兰，20、不锈钢钢珠，21、外转动球壳，22、内转动球壳，23、螺栓孔，24、螺旋排土器内轴，25、螺旋排土器外筒，26、螺旋叶片，27、螺栓，28、螺旋出土器固定装置，29、滑轮密封装置，30、钢管，31、传动轴，32、位移计，33、土舱盖土压力压力计，34、 土舱壁土压力压力计，35、螺旋排土器土压力传感器，36 土舱底板土压力传感器，37、扭矩传感器。
具体实施例方式下面结合附图1 图6对本发明作进一步详细说明。如图1所示，土舱5是一个上部开口长方体容器，具有较好的密封性，能承受 0. 3Mpa的压强，底部固定在混凝土底座7上。土舱5两侧设有支架1，土舱5上方的支架1 上设一横梁，横梁中心安装垂直向下伸缩的土舱千斤顶2，土舱千斤顶2连接土舱盖3，土舱盖3周围具有密封止水条，土舱千斤顶2通过土舱盖3对土舱5内土样加压，土舱千斤顶2 的行程可达800mm。土舱5内部设有搅拌棒4，搅拌棒4横穿土舱5的内部，搅拌棒4连接土舱5外部的搅拌电动机6 ；土舱5 —侧的下部有圆形开口，开口连接螺旋排土器转动装置 9，螺旋排土器转动装置9内部连接螺旋排土器8，螺旋排土器8内部是螺杆14，螺杆14外径与排土器8的间隙在5mm左右，靠近螺旋排土器8的末端下方设有直径为160mm的圆形排土口 12，螺杆14末端连接螺旋排土器电动机11，螺旋排土器8和电动机连接在一起并通过螺旋排土器支座千斤顶10固定在支座13上，可以通过螺旋排土器支座千斤顶10的升降改变螺旋排土器8的倾斜角度。如图2所示，所述的土舱搅拌装置由固定板17、传动轴15和搅拌电动机6组成。 搅拌棒4使用螺栓固定在固定板17上，传动轴15使用螺栓16固定在板17中心，固定板17 紧贴着土舱5的内壁，固定板17通过传动轴15与土舱5外部的搅拌电动机6相连，传动轴 15穿过土舱壁并设有滑轮密封装置18。如图3所示，所述的螺旋排土器转动装置9由不锈钢钢珠20、内转动球壳22、外转动球壳21、法兰19组成。内转动球壳22通过不锈钢滚珠20与外转动球壳19构成一个整体结构，内转动球壳22和外转动球壳21之间可以通过钢珠20的转动相互错动改变螺旋排土器8的倾斜角度。内转动球壳22与螺旋排土器8起始端连接，外转动球壳21通过法兰 19将螺旋排土器8装置固定在土舱5上。如图4所示，所述的螺旋排土器8由螺旋排土器外筒25、螺杆14和排土口 12组成。外筒25是厚度为IOmm的圆筒，内部是与外筒25平行的螺杆14，与外筒25之间的间隙为5mm左右。螺杆14由螺杆内轴M和叶片25组成，叶片25为宽度为40mm的钢板，厚度是10mm，螺旋焊接在螺杆内轴M上。靠近外筒25末端有直径为160mm的开口 12，内轴末端有两个相邻的螺栓孔23。如图5所示，所述的螺旋排土器传动装置由螺栓27、螺旋出土器固定装置观、滑轮密封装置四、钢管30、传动轴31和螺旋排土器电动机11组成。螺旋出土器固定装置观是一个圆柱体，中心开口，直径与外筒25直径相同并固定在外筒25上，螺旋出土器固定装置 28中心穿过一钢管30，通过滑轮密封装置四密封，钢管30直径与螺旋排土器内轴M内径相同，钢管30左端深入内轴M —段距离并使用螺栓27与其固定，钢管30另一端与电动机传动轴31连接。如图6所示，所述的传感器包括土舱盖上、土舱壁、土舱底板和螺旋排土器上的土压力传感器，位移传感器和扭矩传感器。位移传感器32 —端固定在土舱盖3上表面，另一端固定在支架1上，量程为1000mm。土舱盖3中间设置土舱盖土压力传感器33测量土舱 5上部土体压力，土舱壁上等间距设置不少于4个土舱壁土压力传感器34测量土体压力变化，土舱底板中心设置土舱底板土压力传感器36，螺旋排土器8上以等间距设置不少于3个排土器土压力传感器35测量土压力变化，以上所有的土压力传感器量程为0 0. 6Mpa，精度为0. 5%。螺旋排土器8底部设置扭矩传感器37测量螺旋排土器的转速和扭矩。使用时，操作步骤如下准备大约0. 3m3的土样，升高土舱盖3，将土样装入土舱5 中，以土样填满土舱5为宜，启动土舱千斤顶2对土体加压到设定压力；启动搅拌电动机6， 转动土舱5内搅拌棒4，设定转动角速度为5rev/min，模拟刀盘转动，充分搅拌土舱5内的土体；启动螺旋排土器支座千斤顶10，调整螺旋排土器8的倾斜角度；打开螺旋排土器开口12，启动螺旋排土器电动机11，设定螺旋排土器8转速，在排土过程中维持土舱千斤顶压力 2不变，待土舱千斤顶2量程达到600mm时，关闭螺旋排土器电动机11，清理土舱5和螺旋排土器8中的渣土。
权利要求
1. 一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置，其特征在于本装置包括土舱、土舱盖、土舱千斤顶、搅拌棒、搅拌电动机、土舱支架、混凝土底座、螺旋排土器、螺旋排土器电动机、螺旋转动装置、螺旋排土器支座千斤顶，传感器；其中土舱( 是一个上部开口的封闭容器，底部固定在混凝土底座(7)上；土舱上方的支架(I)设一横梁，横梁中心安装垂直向下伸缩的土舱千斤顶O)，千斤顶连接土舱盖(3)，土舱盖周围具有密封止水条；土舱(5)内部设有搅拌棒G)，搅拌棒固定在固定板(17)上， 固定板(17)紧贴着土舱(5)的内壁，横穿土舱(5)的内部，并通过传动轴(15)与土舱(5) 外部的搅拌电动机(6)相连；土舱( 一侧下部通过螺旋排土器转动装置(9)连接螺旋排土器(8)；螺旋排土器转动装置(9)由钢珠(20)、内转动球壳(22)、外转动球壳(21)、法兰 (19)组成；内转动球壳02)通过不锈钢滚珠00)与外转动球壳(19)构成一个整体结构； 内转动球壳02)与螺旋排土器⑶起始端连接，外转动球壳通过法兰(19)固定在土舱( 上；螺旋排土器(8)内部是螺杆(14)，靠近螺旋排土器(8)的末端下方设有排土口(12)，螺杆(14)末端连接螺旋排土器电动机(11)，螺旋排土器(8)和螺旋排土器电动机(II)连接在一起，螺旋排土器(8)和螺旋排土器电动机(11)通过螺旋排土器支座千斤顶 (10)固定在螺旋排土器支座(1 上；传感器包括土压力传感器，位移传感器(3 和扭矩传感器(37)；位移传感器(32) — 端固定在土舱盖C3)上表面，另一端固定在支架(1)上；土舱盖C3)中间设置土舱盖土压力传感器(33)，土舱壁上等间距设置不少于4个土舱壁土压力传感器(34)，土舱底板中心设置土舱底板土压力传感器(36)，螺旋排土器(8)上等间距设置不少于3个排土器土压力传感器(3 ；螺旋排土器(8)末端设置扭矩传感器(37)。
全文摘要
本发明涉及一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置。包括土舱和螺旋排土器两大部分。土舱是一个上部开口的密封容器，上部开口处设土舱盖并通过千斤顶对土样加压，土舱内部设有搅拌棒；螺旋排土器连接在土舱底部，能将土舱里的土体排出，排土器的倾斜角度可在20°～40°之间变化，上部设有排土口。此装置能模拟盾构掘进时土舱内的真实情况，试验过程中实时监测土舱、螺旋排土器内土压力及螺旋排土器扭矩变化过程，全面评价改良土体性能；改变螺旋排土器倾斜角度研究其对盾构机内土压力的影响；方便量取螺旋排土器的出土量，研究土样的螺旋排土器出土效率，为优化盾构施工参数提供参考。
文档编号G01N33/24GK102305844SQ20111013697
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者姜厚停, 龚秋明 申请人:北京工业大学