盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置

本发明涉及一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，属于盾构法隧道科学研究领域。

背景技术：

盾构法隧道以其安全、高效和环保等优点，已经成为地下工程的主要施工方法之一。随着人们对环境质量的要求越来越高，尽可能降低盾构掘进对地层及周边环境的扰动效应，始终是科研和工程领域不屑追求的目标。

盾构对开挖面的扰动是一个动态连续的过程，盾构开挖扰动的传统试验方法中，一般是将这一扰动简化为单一的静力加卸载问题，这与盾构实际的扰动特点差别较大，尤其是没有考虑刀盘转动作用、面板摩擦等因素对开挖面的扰动影响。

此外，随着城市基础设施日趋完善，盾构穿越运营铁路等具有动力效应的构建筑物的情况愈发常见，地面的动力作用对于下部盾构掘进控制同样存在不可忽视的影响作用，特别是在饱和松散砂层等对动力作用十分敏感的地层中，更应特别注意。传统的盾构穿越模型试验中，对于地表的振动作用及其与刀盘旋转的动力耦合作用的考虑不足。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，公开了一种能实现刀盘在不同“转速-推进速度”匹配关系下转动，且能直接观测开挖面变形和失稳形态的试验装置，同时本发明还能用以研究地面动力作用及其与刀盘转动动力耦合作用下的开挖面性态变化。

本发明的内容是

一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，其特征在于，包括土箱部分、盾构系统、推进控制部分、振动加载及测量系统，其中：

所述土箱部分的箱体(3)为长方体，其观测面为透明有机玻璃板(1)，所述的透明有机玻璃板的性质为“半圆凸出型”，所述的半圆内径与刀盘(2)外径一致，可为刀盘(2)转动提供足够的空间。所述的箱体(3)，需要根据实际尺寸、加载条件等进行结构加固，以箱体变形不影响试验结果为准。

所述盾构系统包括隧道(13)、刀盘(2)、刀盘土压力盒(15)：所述隧道结构(13)与箱体结构(3)固定连接；所述的刀盘土压力盒(15)与刀盘(2)固定连接；

所述推进控制部分包括：反力支架(6)、推进控制螺孔块(7)、中心螺杆(9)、旋转手柄(10)：所述反力支架(6)与箱体结构(3)固定连接；推进控制螺孔块(7)通过连接螺栓(8)与反力支架(6)连接；旋转手柄(10)与中心螺杆(9)固定连接。所述推进控制螺孔块(7)与中心螺杆(9)可以更换，采用不同的螺距模拟“推进速度-刀盘转速”的匹配关系。

所述中心螺杆(9)与刀盘中心连杆(12)通过法兰盘(11)连接。所述的刀盘(2)依次在中心连接杆(12)、法兰盘(11)、中心螺杆(9)的联动作用下，可旋转手柄(10)转动，同时，采用不同螺距的推进控制螺孔块(7)可以实现不同推进速度。

所述振动加载及测量系统，包括地表激振器(4)、地表振动加载结构(4-1)、地表加速度计(5)：

所述地表激振器(4)固定在地表振动加载结构4-1上，通过不同的频率及振幅模拟地表的振动作用；所述的地表振动加载结构4-1的形式可根据试验模拟对象灵活设计；所述的地表加速度计5用以测量地表激振器4加载所产生的地表振动程度；

地表振动加载结构(4-1)、地表加速度计(5)直接放置在模型土的上表面。

实现了刀盘转动的同时，开挖面变形及失稳性态的直接观测；实现了地表振动及其与刀盘旋转动力耦合作用下开挖面响应观测。

本发明的优点在于，可以实现刀盘动力扰动、地面振动作用及其共同作用下，开挖面性态的直接观测与分析。

附图说明

图1为装置侧面图；

图2为装置正面图；

图3为装置俯视图；

数字标记：

1.“半圆凸出型”透明有机玻璃板；2.刀盘；3.箱体；

4.地表激振器；4-1.地表振动加载结构；5.地表加速度计；

6.反力支架；7.推进控制螺孔块；8连接螺栓；9.中心螺杆；10.旋转手柄；11.法兰盘；12.刀盘中心连接杆；13.隧道结构；15.土压力盒。

具体实施方式

本实施例针对上述问题，公开了一种能实现刀盘在不同“转速-推进速度”匹配关系下转动，且能直接观测开挖面变形和失稳形态的试验装置，同时本发明还能用以研究地面动力作用及其与刀盘转动动力耦合作用下的开挖面性态变化。

一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，其特征在于，包括土箱部分、推进控制部分、盾构系统、振动加载及测量部分，其中：

所述土箱箱体(3)部分为长方体，其观测面为透明有机玻璃板(1)，所述的透明有机玻璃板的性质为“半圆凸出型”，所述的半圆内径与刀盘(2)外径一致，可为刀盘转动提供足够的空间。所述的土箱箱体(3)部分，需要根据实际尺寸、加载条件等进行适当结构加固，以箱体变形不影响试验结果为准。

所述盾构系统包括隧道(13)、刀盘(2)、刀盘土压力盒(15)：所述隧道结构(13)与箱体结构(3)固定连接；所述的刀盘土压力盒(15)与刀盘(2)固定连接；

所述推进控制部分包括：反力支架(6)、推进控制螺孔块(7)、中心螺杆(9)、旋转手柄(10)：所述反力支架(6)与箱体结构(3)固定连接；推进控制螺孔块(7)通过连接螺栓(8)与反力支架(6)连接；旋转手柄(10)与中心螺杆(9)固定连接。所述推进控制螺孔块(7)与中心螺杆(9)可以更换，采用不同的螺距模拟“推进速度-刀盘转速”的匹配关系。

所述中心螺杆(9)与刀盘中心连杆(12)通过法兰盘(11)连接。所述的刀盘(2)依次在中心连接杆(12)、法兰盘(11)、中心螺杆(9)的联动作用下，可旋转手柄(10)转动，同时，采用不同螺距的推进控制螺孔块(7)可以实现不同推进速度。

所述振动加载及测量系统，包括地表激振器(4)、地表振动加载结构(4-1)、地表加速度计(5)：

所述地表激振器(4)固定在地表振动加载结构(4-1)上，通过不同的频率及振幅模拟地表的振动作用；所述的地表振动加载结构(4-1)的形式可根据试验模拟对象灵活设计；所述的地表加速度计(5)用以测量地表激振器4加载所产生的地表振动程度；

地表振动加载结构(4-1)、地表加速度计(5)直接放置在模型土的上表面。

实现了刀盘转动的同时，开挖面变形及失稳性态的直接观测；实现了地表振动及其与刀盘旋转动力耦合作用下开挖面响应观测。

以上为本发明专利的具体说明，但本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或变形例。

技术特征：

1.一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，其特征在于，包括土箱部分、盾构系统、推进控制部分、振动加载及测量系统，其中：

所述土箱部分的箱体(3)为长方体，其观测面为透明有机玻璃板(1)，所述的透明有机玻璃板的性质为“半圆凸出型”，所述的半圆内径与刀盘(2)外径一致，可为刀盘(2)转动提供足够的空间；所述的箱体(3)，需要根据实际尺寸、加载条件等进行结构加固，以箱体变形不影响试验结果为准；

所述盾构系统包括隧道(13)、刀盘(2)、刀盘土压力盒(15)：所述隧道结构(13)与箱体结构(3)固定连接；所述的刀盘土压力盒(15)与刀盘(2)固定连接；

所述推进控制部分包括：反力支架(6)、推进控制螺孔块(7)、中心螺杆(9)、旋转手柄(10)：所述反力支架(6)与箱体结构(3)固定连接；推进控制螺孔块(7)通过连接螺栓(8)与反力支架(6)连接；旋转手柄(10)与中心螺杆(9)固定连接；所述推进控制螺孔块(7)与中心螺杆(9)可以更换，采用不同的螺距模拟“推进速度-刀盘转速”的匹配关系；

所述振动加载及测量系统，包括地表激振器(4)、地表振动加载结构(4-1)、地表加速度计(5)；

所述地表激振器(4)固定在地表振动加载结构(4-1)上，通过不同的频率及振幅模拟地表的振动作用；所述的地表振动加载结构(4-1)的形式可根据试验模拟对象灵活设计；所述的地表加速度计(5)用以测量地表激振器(4)加载所产生的地表振动程度。

2.如权利要求1所述的一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，其特征在于，所述中心螺杆(9)与刀盘中心连杆(12)通过法兰盘(11)连接；所述的刀盘(2)依次在中心连接杆(12)、法兰盘(11)、中心螺杆(9)的联动作用下，可旋转手柄(10)转动，同时，采用不同螺距的推进控制螺孔块(7)可以实现不同推进速度。

3.如权利要求1所述的一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，其特征在于，地表振动加载结构(4-1)、地表加速度计(5)直接放置在模型土的上表面；实现了刀盘转动的同时，开挖面变形及失稳性态的直接观测；实现了地表振动及其与刀盘旋转动力耦合作用下开挖面响应观测。

技术总结
本发明公开一种盾构刀盘转动及地表振动作用下开挖面稳定性模型试验装置，属于盾构法隧道科学研究领域。其特征在于，包括土箱部分、盾构系统、推进控制部分、振动加载及测量系统，其中：所述土箱部分的箱体(3)为长方体；所述盾构系统包括隧道(13)、刀盘(2)、刀盘土压力盒(15)；所述推进控制部分包括：反力支架(6)、推进控制螺孔块(7)、中心螺杆(9)、旋转手柄(10)；所述振动加载及测量系统，包括地表激振器(4)、地表振动加载结构(4‑1)、地表加速度计(5)；本发明的优点在于，可以实现刀盘动力扰动、地面振动作用及其共同作用下，开挖面性态的直接观测与分析。

技术研发人员：廖少明;刘孟波;何君佐;周文锋;王永志;孙佳程;吕文博;马思浩;李泽文
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2021.04.27
技术公布日：2021.07.30