申请/专利权人：郑州大学

申请日：2018-08-27

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN108868801B

主分类号：E21D9/08

分类号：E21D9/08;E21D11/10;E21D9/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2024.04.02#著录事项变更;2024.04.02#专利申请权的转移;2020.05.01#著录事项变更;2018.12.18#实质审查的生效;2018.11.23#公开

摘要：本发明涉及能够模拟注浆的模型盾构机，模型盾构机包括盾构机外壳，盾构机外壳的前端设置有轴线沿前后方向延伸的刀盘，刀盘的后侧设置有输送装置，模型盾构机还包括用于置于相应模型管与盾构机外壳之间的模拟注浆装置，此装置用于填充相应模型管片与盾构机外壳之间的建筑孔隙，模拟注浆装置包括至少两个沿前后方向顺序布置的囊，每个囊均具有充气口或充液口，模拟注浆装置包括与对应囊相连以在盾构机外壳朝前移动时将对应囊由盾构机外壳后侧拉出的施拉机构。本发明可以模拟盾构机掘进过程中同步注浆工况，除此之外，还能够模拟管片拼装完成后二次补注浆工况，本发明主要能够模拟实现同步注浆及二次注浆工况对地层扰动和地面沉降的影响研究。

主权项：1.一种能够模拟注浆的模型盾构机，包括盾构机外壳，盾构机外壳的前端设置有轴线沿前后方向延伸的刀盘，刀盘的后侧设置有输送装置，其特征在于：模型盾构机还包括用于置于相应模型管与盾构机外壳之间的模拟注浆装置，模拟注浆装置包括至少两个沿前后方向顺序布置的囊，每个囊均具有充气口或充液口，模拟注浆装置包括与对应囊相连以在盾构机外壳朝前移动时将对应囊由盾构机外壳后侧拉出的施拉机构，所述输送装置为与所述刀盘同轴固连的螺旋出土器，螺旋出土器后端设置用于驱动的动力装置，动力装置通过转接盘与顶推装置相连。

全文数据：一种能够模拟注浆的模型盾构机技术领域[0001]本发明涉及一种能够模拟注浆的模型盾构机。背景技术[0002]为了解决国内大规模地铁建设中，盾构机刀盘切除既有建或构筑物复合地基粧体，导致复合地基承载力降低，进而诱发上部建或构）筑物沉降或倾斜，甚至结构开裂问题。需要基于实际工程，通过一种盾构机切桩穿越复合地基模型盾构试验台，全面探究盾构切桩全过程，地层位移变形特征、切除部分桩体后复合地基荷载传递机制、复合地基残桩与隧道管片的协同作用等问题。[0003]模型盾构机作为真实盾构机重要试验数据的来源，其功能是否完善也相当重要。公开号为CNl〇7123359A、申请名称为“一种实验型盾构机推进试验平台”的中国专利中公开了一种模型盾构机，模型盾构机包括盾构机外壳，盾构机的外壳前端设置有刀盘，刀盘的后侧设置有土料输送装置，盾构机外壳的后端还设置有推进装置。推进试验平台还包括土壤箱，试验时，模型盾构机对土壤箱中的模型土掘进，进而活动相应的试验数据。但是现有的这种模型盾构机存在以下问题:在真实盾构施工中，刀盘所钻孔径相比模型管会较大，需要在模型管片外径与盾构机外壳之间的建筑空隙中进行同步注浆，来防止管片下沉或塌陷，而现有技术中的模型盾构机无法模拟盾构注浆这一实际工况;此外，现有技术中的土壤箱功能也过于单一，不能模拟多种地层和多种粧土复合地基，无法分析隧道切粧穿越引起的地面沉降和地层位移，对复合地基传力机制的影响，以及残桩与隧道管片的相互作用和受力问题。发明内容[0004]本发明的目的在于提供一种能够模拟注浆的模型盾构机。[0005]为解决上述技术问题，本发明中模型盾构机的技术方案如下：一种能够模拟注浆的模型盾构机，包括盾构机外壳，盾构机外壳的前端设置有轴线沿前后方向延伸的刀盘，刀盘的后侧设置有输送装置，模型盾构机还包括用于置于相应模型管与盾构机外壳之间的模拟注浆装置，模拟注浆装置包括至少两个沿前后方向顺序布置的囊，每个囊均具有充气口或充液口，模拟注浆装置包括与对应囊相连以在盾构机外壳朝前移动时将对应囊由盾构机外壳后侧拉出的施拉机构。[0006]施拉机构包括囊相连的介质输送管，介质输送管与囊的充气口或充液口相连。[0007]所述介质输送管构成所述施拉机构。[0008]各囊的内腔被周向分布的格挡分隔成至少三个独立腔室，每个独立腔室上均设置有所述的充气口或充液口。[0009]所述输送装置为与所述刀盘同轴固连的螺旋输送机。[0010]本发明的有益效果为:本发明中模型盾构机的盾构机外壳在朝移动时，通过施拉机构将对应的囊由盾构机外壳后侧拉出，囊将处于模型管的外围，向囊中充气或液体，可以模拟同步注浆，在掘进完成后，还可以继续向对应囊中充气或液体加压来模拟二次注浆，以模拟出更为真实的盾构工况。附图说明[0011]图1是本发明模型盾构机的一个实施例的使用状态图；图2是图1中模型盾构机的结构示意图；图3是图1中囊与盾构机外壳和模型管片的配合不意图；图4是图1中囊的结构示意图。具体实施方式[0012]一种能够模拟注浆的模型盾构机的实施例如图1〜4所示：图中项5表示模型试验箱5,模型试验箱5、模型盾构机3和试验台座一起构成切桩穿越复合地基盾构试验台，本实施例中试验台座包括底座2和反力墙1，底座2和反力墙1构成L形结构，反力墙1上设置有用于带动模型盾构机水平掘进的顶推装置7,本实施例中顶推装置7为顶推液压缸，顶推液压缸通过液压缸座固定于反力墙上，液压缸座包括夹板17、锁紧螺母16和锁紧螺杆15,两块夹板夹设于反力墙的两侧，通过锁紧螺杆和锁紧螺母将夹板固定于反力墙1上，顶推液压缸通过螺栓固定于夹板17上。模型盾构机3包括沿轴线前后方向延伸的盾构机外壳20,盾构机外壳2〇的前端设置有刀盘18,刀盘18的后侧设置有螺旋出土器19,图中项24表示螺旋出土器19的传动轴，传动轴24与动力装置的动力输出端固定连接，螺旋出土器19与刀盘18同轴相连接，刀盘18可以拆卸替换，模型盾构机3还包括设置于螺旋出土器19后端的用于驱动的动力装置8,动力装置8通过转接盘与顶推装置7相连，动力装置8用于带动刀盘转动。模型盾构机还包括模型管片23,模型管片23为由多片管片环通过纵横向螺栓连接的拼装结构，试验时，通过人工将模型管片送入到盾构机外壳20内，模型盾构机机体内还包括模拟注浆装置，此装置用于填充相应模型管片与盾构机外壳之间的建筑孔隙，模拟注浆装置包括多个沿盾构轴线方向布置的囊，本实施例中的囊为气囊，每个气囊21的内腔均被周向分布的格挡26分隔成四个独立腔室，每个独立腔室上对应注浆孔的位置处均设置有充气口，在各充气口上均连接有介质输送管25,一方面可以通过介质输送管25向对应充气口中充气，另外一方面可以利用介质输送管将对应气囊施拉出盾尾，在实际试验时，各气囊先按顺序叠在盾构机机体内，在模型盾构机掘进过程中，每掘进一环即一段轴向距离，通过施拉相应气囊上的介质输送管，将对应气囊由盾构机外壳后侧拉出，拖拉气囊的同时对四个充气孔同步充气来近似模拟同步注浆的过程，在掘进完成后，可以通过对气囊继续加压来模拟二次注浆过程，进而模拟现场注浆的真实工况。模型管片的外表面均匀的布设有薄膜压力传感器，用于测量隧道周围土体对模型管的压力以及盾构切桩后残桩对隧道管片的作用力。[0013]模型试验箱的加载板10能上下移动，切桩穿越复合地基盾构试验台还包括向加载板提供竖向加载力的加载装置，加载装置包括门形结构的加载反力架4,加载反力架置于试验台座的底座上，加载反力架的横梁上通过转接盘设置竖向加载千斤顶9。模型试验箱的前箱板和后箱板上分别设置有模型盾构机出口13和模型盾构机入口14,模型盾构机3从模型盾构机入口I3开始掘进，到模型盾构机出口14掘进完成。模型试验箱的左右箱板由透明材料制成，便于监测隧道切粧穿越引起的地面沉降和地层位移。模型试验箱中设置有模型土和竖向布置的模型粧12,模型粧为混凝土桩素混凝土粧、石膏材料等按等效刚度原则做的模型粧），以典型的盾构机切桩穿越刚性桩复合地基试验为例，先在模型试验箱中装满细沙设置典型地层，内置模型粧，应考虑模型桩的尺寸效应及模型土的含水量、颗粒成分、密度、土的力学性能等，利用竖向加载千斤顶给刚性桩复合地基施加竖向外荷载，可以模拟不同应力状态下的复合地基，还可以模拟隧道不同上覆土层的厚度，模型试验箱中根据需要埋设土压力传感器，用于测量土层中的土压力，模型管片上的薄膜压力传感器用于测量隧道周围土体对管片的压力以及盾构切桩后残桩对隧道管片的作用力。本实施例中盾构机掘进过程中与刀盘相遇的模型桩为分段拼接结构，具体的操作是将模型桩在盾构机刀盘切削位置处将模型桩提前折断，再用胶水将模型桩粘接好，然后进行切桩试验，这么做的目的是便于模型盾构机完成切桩过程。图中项11表示位于加载板与模型土之间的褥垫层;项6表示控制系统。[0014]模型盾构机的刀盘可以更换，其总推力:0〜2000kN，扭矩：110kNm，刀盘转速:0〜3rmin，推进速度30mmmin，刀盘开口率：10%〜50%。顶推装置为模型盾构机提供前顶进推力，顶推装置的主要性能参数如下：额定顶力：2000kN，最大顶力：2750kN，额定油压：18MPa，最大油压24MPa，顶进速度30mmmin。动力装置为刀盘和螺旋输送机提供转速，动力装置的转速为0〜3rmin。模型盾构机掘进时同步模拟注浆过程，在模型盾构机掘进过程中，模型盾构机每掘进一环，则从盾构机外壳尾部同步拉出气囊并同步充气体或液体来近似模拟同步注浆的过程，掘进完成后，通过气囊继续加压来模拟二次注浆过程，全面模拟现场注浆的真实工况。本发明可以模拟盾构机掘进切削桩土复合地基全过程，包括刀盘切削桩土复合地基的过程。盾构推进过程、模拟同步注浆及二次注浆等。与现有技术相比，本发明可以实现盾构隧道穿越多种地层和不同类型桩土复合地基，背景专利只能单一模拟典型地层;例如，通过加载装置对复合地基上部加载板加压可以改变模型箱中粧土复合地基的承载力，从而实现隧道在不同位置处切粧穿越粧土复合地基的模拟以及不同地层的应力状态模拟;这是背景专利和国内外其他类似装置或者试验系统所没有的功能，本发明的模型试验箱是多功能的，除了能够分析隧道切桩穿越引起的地面沉降和地层位移、对复合地基传力机制的影响、以及残桩与隧道管片的相互作用和受力问题。还可以模拟分析管片的受力和变形问题、结构与围岩的相互作用问题、开挖面稳定问题、隧道与邻近结构物的相互作用问题、隧道施工扰动问题、模拟同步注浆和二次注浆等多种试验。这也是背景专利和国内外其他类似装置或者试验系统所没有的功能;本发明的控制系统为电脑智能化控制可以动态监测并自动记录试验全过程，提高试验精度;模型隧道外表面均匀的布设薄膜压力传感器，能够精准的测出隧道周围土体对管片的压力以及盾构切桩后残桩对隧道管片的作用力，而背景专利布设的土压力传感器只能单一的研宄土压力的变化，不能研究盾构机切粧后土体和残桩对管片的作用。[0015]在本发明的其它实施例中：也可以通过介质输送管向囊中充入液体来模拟注浆过程;介质输送管也可以仅作为输送介质使用，此时需要在气囊上连接额外的拉绳将气囊拉出；气囊的内腔被隔成四个独立腔室，每个独立腔室上对应实际注浆孔的位置均设置有所述的充气口或充液口；根据掘进的长度不同气囊的个数还可以根据需要进行设置，比如说两个、四个、五个或其它个数。[0016]本发明中模型桩预先在盾构机切桩的位置处将桩体截为两段，并用结构胶将折断的两段模型粧粘结起来，然后采用固粧器将模型粧固定于模型箱内设定好的位置处，然后用沙雨法将模型土填置于模型箱中，铺设砂石褥垫层，放置刚性加载板并加压，启动模型盾构机开始切粧穿越粧土复合地基模型试验，截粧的目的是为了便于模型盾构机顺利完成切粧工况。

权利要求：、1•一种能够模拟注浆的模型盾构机，包括盾构机外壳，盾构机外壳的前端设置有轴线沿前后方向延伸的刀盘，刀盘的后侧设置有输送装置，其特征在于:模型盾构机还包括用于置于相应模型管与盾构机外壳之间的模拟注浆装置，模拟注浆装置包括至少两个沿前后方向顺序布置的囊，每个囊均具有充气口或充液口，模拟注浆装置包括与对应囊相连以在盾构机外壳朝前移动时将对应囊由盾构机外壳后侧拉出的施拉机构。2.根据权利要求1所述的模型盾构机，其特征在于:施拉机构包括囊相连的介质输送管，介质输送管与囊的充气口或充液口相连。3.根据权利要求2所述的模型盾构机，其特征在于:所述介质输送管构成所述施拉机构。4.根据权利要求1所述的模型盾构机，其特征在于:各囊的内腔被周向分布的格挡分隔成至少三个独立腔室，每个独立腔室上均设置有所述的充气口或充液口。5.根据权利要求1〜4任意一项所述的模型盾构机，其特征在于:所述输送装置为与所述刀盘同轴固连的螺旋输送机。

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