CN118187892A - 一种多功能盾构模型机掘进试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能盾构模型机掘进试验装置，由前盾、盾构机壳体、旋转控制系统、推进控制系统、螺旋出土系统、泥水循环系统、盾尾、前进导向装置组成；其特点是，模块化快装模式，可实现土压平衡盾构、泥水平衡盾构、TBM盾构等多种功能，并可方便进行变换；可实现主轴扭矩、转速、掌子面土压力、土仓压力、推进速度、出土速度等闭环控制，具有姿态调整、长距离推进、盾壳防转等功能，可进行多种施工方案盾构掘进参数、刀具参数及磨损、开挖面稳定、对周围环境及建筑物的影响等模拟试验。

Description

一种多功能盾构模型机掘进试验装置

技术领域

本发明涉及隧道盾构模拟试验技术领域，具体地讲是一种多功能盾构模型机掘进试验装置；适用于模拟盾构在不同地层条件下掘进及管片支护。

背景技术

当前盾构施工法作为一种安全高效的隧道施工法在隧道工程中得到了极为广泛的应用。在盾构掘进试验研究中，对于现场实测，明显的问题包括：研究周期长，工作量大，试验不可重复性，试验也会影响施工的效果和工期，而且一旦试验失败就会对工程级周边环境造成极大的危害与损失。同时，盾构掘进的相关数据大多表现得离散性强,规律不容易从量测数据中总结出来,其影响因素多、偶然性大；对于目前盾构模型试验研究，存在下面一些问题：（1）大多数模型试验没有考虑盾构机的持续动态掘进，只是静态研究；（2）大部分只针对盾构隧道施工过程中单一问题进行研究，全面性和系统性有待完善；（3）盾构模型机出现螺旋出土器和刀盘共轴、没有刀盘等与实际盾构机不符合的情况；（4）盾构模型机不能实现土压平衡—泥水平衡双功能转换、掘进过程中的管片拼装等重要施工过程,只能进行单一功能下的盾构模拟实验。

发明内容

本发明的目的是克服上述已有技术存在的不足，而提供一种多功能盾构模型机掘进试验装置。

本发明提供的技术方案是：一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特殊之处在于，由前盾、盾构机壳体、旋转控制系统、推进控制系统、螺旋出土系统、泥水循环系统、盾尾、前进导向装置组成；

所述前盾包括刀盘、驱动轴、挡板，所述刀盘与驱动轴连接；所述驱动轴上套装轴承套，轴承套与挡板连接；所述刀盘与轴承套、挡板、盾构机壳体围成土舱；所述盾构机壳体内部前端与挡板连接；所述挡板和刀盘上均安装土压力传感器；

所述旋转控制系统由主轴驱动马达、主轴扭矩传感器、光电编码器组成；所述主轴驱动马达前端法兰与主轴扭矩传感器连接，主轴扭矩传感器与轴承套连接；所述主轴驱动马达的传动轴与驱动轴连接，带动刀盘旋转；所述主轴驱动马达后端输出轴上设光电编码器，用于测量实时转角，主轴扭矩传感器用于测量实时扭矩，旋转控制系统能实现扭矩或转速闭环控制；

所述推进控制系统由推进油缸、荷载传感器、位移传感器和耳座组成；所述推进油缸有四组，按圆周均布；所述推进油缸的活塞杆与荷载传感器一端连接，荷载传感器另一端安装一组耳座，耳座与盾尾连接；所述推进油缸的侧面设位移传感器，能实现荷载或位移闭环控制；通过控制四组推进油缸不同的位移、荷载，对盾构模型机掘进方向进行纠偏；

所述螺旋出土系统由出土驱动马达、出土扭矩传感器、螺旋出土器、出土引导管组成；所述出土驱动马达前端法兰与出土扭矩传感器连接，出土驱动马达的传动轴与螺旋出土器一端连接；所述螺旋出土器的另一端穿过挡板下端延伸到土舱内底部；所述螺旋出土器上设出土引导管；

所述泥水循环系统由进浆管、出浆管、泥浆处理池组成；所述进浆管一端与挡板连接，另一端与泥浆处理池连接，用于将泥浆处理池内的泥浆输送到土舱内；所述出浆管一端与挡板连接，另一端与泥浆处理池连接，用于将土舱内混合均匀的渣土排出到泥浆处理池；

所述前进导向装置设置在盾构机壳体外侧，所述前进导向装置由夹紧块、导向臂、滑套、导向柱组成；所述导向臂中间位置绕盾构机壳体周边设多块夹紧块，通过顶紧夹紧块实现导向臂与盾构机壳体固定；所述导向柱固定在岩土箱的侧板上；所述导向臂上设滑套，滑套分别与导向柱配合，实现低摩擦前后运动，同时约束转动。

进一步地，所述盾构机壳体尾部有管片安装孔，管片安装孔上安装一个或多个垫块，所述盾构机壳体中部与推进油缸连接。

进一步地，所述旋转控制系统设置扭矩报警，当扭矩过大时及时停止掘进，以避免对系统造成损伤。

进一步地，所述泥水循环系统的进浆管和出浆管上分别设电子节流阀，控制进浆速度和出浆速度。

进一步地，所述刀盘上设搅拌棒。

进一步地，所述刀盘外圈上均匀设置刮刀，中间位置安装鱼尾刀，所述刀盘、刮刀、鱼尾刀均采用模块化快装模式；所述刮刀和鱼尾刀位置均设置了抗剪槽，防止刀具发生错动，此结构用于软土层。

进一步地，所述刀盘中间位置设置中心滚刀，外侧均匀设置多个单刃滚刀，单刃滚刀上设置刮渣板，所述刀盘、中心滚刀、单刃滚刀均采用模块化快装模式；此结构用于硬岩层。

进一步地，所述推进油缸与盾构机中轴线有夹角，通过控制四个油缸不同推进速度可以对盾构机掘进方向进行纠偏，包括应对掘进面软硬不均匀的情形。

本发明的有益效果：

1、旋转控制系统设置主轴扭矩传感器和光电编码器，可实现扭矩或转速闭环控制；同时设置扭矩报警，当扭矩过大时及时停止掘进，以避免对系统造成损伤；

2、推进油缸有四组堆成布置，并设置荷载传感器和位移传感器，可实现荷载或位移独立闭环控制；推进油缸与盾构机中轴线有一定的夹角，通过控制四个油缸不同位移、荷载可以对盾构机掘进方向进行纠偏，包括应对掘进面软硬不均匀的情形；

3、盾构机壳体外侧设置了前进导向装置，抵消刀盘产生的扭转切削反力，同时不限制盾构机的前进运动；

4、两种刀盘刀具均采用模块化快装模式，刀具可更换，刀具形状可调整，刀盘开口率可调整；

5、结构合理简单，工作稳定，可围绕主流施工方法—土压平衡盾构、泥水平衡盾构和TBM盾构来开展多功能盾构模拟试验系统的建设、

6、可实现推进荷载或位移闭环控制，具有姿态调整、长距离推进、盾壳防转等功能，可进行大直径盾构机的原状地层下盾构掘进参数、刀具参数及磨损、开挖面稳定、盾构施工方案、对周围环境及建筑物的影响等多场-多体模型试验；

7、对于解决包括轨道交通及其他隧道建设中的重大理论和技术问题具有十分重要的现实意义，并可为今后进行相关大型盾构及TBM掘进试验提供宝贵经验。

附图说明

图1是本发明的盾构机结构示意图；

图2是本发明的用于软土层开挖的刀盘示意图；

图3是本发明的用于硬岩层开挖的刀盘示意图；

图4是本发明的前进导向装置示意图。

图中：1前盾，2盾构机壳体，3 旋转控制系统，4 推进控制系统，5 螺旋出土系统，6泥水循环系统，7 盾尾，8 前进导向装置，9 刀盘，10驱动轴，11轴承套，12挡板，13主轴驱动马达，14 主轴扭矩传感器，15 推进油缸，16 荷载传感器，17 耳座，18 出土驱动马达，19出土扭矩传感器， 20 螺旋出土器，21 出土引导管，22 刮刀，23 鱼尾刀， 24夹紧块，25 导向臂，26 滑套，27 导向柱，28光电编码器，29位移传感器，30垫块，31 搅拌棒，32 土舱，33土压力传感器，34 进浆管，35 出浆管，36 中心滚刀，37单刃滚刀，38 刮渣板，39 泥浆处理池。

具体实施方式

为了更好地理解与实施，下面结合附图详细说明本发明。

如图1、2、3、4所示，一种多功能盾构模型机掘进试验装置， 由前盾1、盾构机壳体2、旋转控制系统3、推进控制系统4、螺旋出土系统5、泥水平衡系统6、盾尾7、前进导向装置8组成；

前盾1包括刀盘9、驱动轴10、挡板12，将刀盘9与驱动轴10连接，刀盘9上安装搅拌棒31；将驱动轴10上套装轴承套11，轴承套11与挡板12连接，刀盘9与轴承套11、挡板12、盾构机壳体2围成土舱32；盾构机壳体2内部前端与挡板12连接；

刀盘9有两种结构，一种是在外圈上均匀设置四个位置安装刮刀22，用于去除外侧的砂土，中间位置安装鱼尾刀23，用于去除中心位置的砂土，刀具位置均设置了抗剪槽，防止刀具发生错动，刀盘上还设置开口，用于开挖的砂土进入到32土舱中；此结构用于软土层；另一种是在刀盘9中间位置安装中心滚刀36，用于破碎中心位置的岩石，外侧均匀安装多个单刃滚刀37，用于破碎外侧的岩石，单刃滚刀37上安装刮渣板38，用于开挖的碎岩进入到32土舱中；此结构用于硬岩层；

刀盘9和刀具均采用模块化快装模式，可安装适合不同掘进模式刀盘9、刀具，可实现土压平衡盾构、TBM盾构的快速转换；刀具可更换，刀具形状可调整，刀盘开口率可调整；

盾构机壳体2尾部有管片安装孔，管片安装孔上安装一个或多个垫块30，盾构机壳体2中部与推进油缸15连接；通过增加盾尾垫块30的数量，实现长距离推进；

旋转控制系统3由主轴驱动马达13、主轴扭矩传感器14、光电编码器28组成；主轴驱动马达13前端法兰与主轴扭矩传感器14连接，从而实现主轴扭矩的测量，主轴扭矩传感器14与轴承套11连接；主轴驱动马达13的传动轴通过花键与驱动轴10连接，带动刀盘9旋转，从而实现土的切削；主轴驱动马达13后端输出轴与光电编码器28连接，用于测量实时转角，从而实现主轴转角的测量；主轴扭矩传感器14用于测量实时扭矩，进而实现扭矩或转角的闭环控制；旋转控制系统3可实现扭矩或转速闭环控制；旋转控制系统3设置扭矩报警，当扭矩过大时及时停止掘进，以避免对系统造成损伤；

推进控制系统4由推进油缸15、荷载传感器16、位移传感器29和耳座17组成；推进油缸15有四组，按圆周均匀分布；推进油缸15的活塞杆前端螺纹与荷载传感器16一端连接，从而实现推力的测量；荷载传感器16另一端安装一组耳座17，耳座17与盾尾7连接；推进油缸15与盾构模型机中轴线有夹角，通过控制四个推进油缸15不同的伸出速度，可以调整盾构模型机掘进方向，包括应对掘进面软硬不均匀的情形；推进油缸15的侧面安装位移传感器29，推进油缸15的活塞杆前端与位移传感器29的测量头连接，从而实现位移的测量，进而实现荷载或位移的闭环控制；通过控制四个推进油缸15不同的位移、荷载，可以对盾构模型机掘进方向进行纠偏；

盾尾7主要由多个垫块30组成，如推进油缸15行程不满足实验要求，可在推进油缸15活塞杆基本完全伸出的情况下，松开耳座17和垫块30的连接螺栓，然后将推进油缸15活塞缩回，这样耳座17和垫块30之间就有了一定的空间，可以再放入一个或多个垫块30，固定螺栓后可继续推进了；

螺旋出土系统5由出土驱动马达18、出土扭矩传感器19、螺旋出土器20、出土引导管21组成；出土驱动马达18前端法兰与出土扭矩传感器19连接，出土驱动马达18的传动轴与螺旋出土器20一端连接；螺旋出土器20的另一端穿过挡板12下端延伸到土舱32内底部；螺旋出土器20上安装出土引导管21，出土引导管21上有排土孔，将砂土排出；出土驱动马达18带动螺旋出土器20转动，从而将土舱内32的砂土卷入到出土引导管21中，并通过出土引导管21端部的排土孔排出到设备外；

在挡板12和刀盘9上均安装了土压力传感器33，可实时监测掌子面土压力和土舱土压力，通过推进控制系统4与螺旋出土系统5控制掘进速度与出土速度，模拟不同工况；

泥水循环系统6由进浆管34、出浆管35、泥浆处理池39组成，进浆管34一端与挡板12连接，另一端与泥浆处理池39连接，用于将泥浆处理池39内的泥浆输送到土舱32内；出浆管35一端与挡板12连接，另一端与泥浆处理池39连接，用于将土舱32内混合均匀的渣土排出到泥浆处理池39；进浆管34和出浆管35上分别连有电子节流阀，控制进浆速度和出浆速度；

前进导向装置8设置在盾构机壳体2外侧，前进导向装置8由夹紧块24、导向臂25、滑套26、导向柱27组成；27导向柱为精加工的光轴，一组共四个，固定在岩土箱的侧板上；导向臂25上安装四个滑套26，四个滑套26分别与四个导向柱27配合，可实现低摩擦滑动，同时限制盾构机壳体2的转动，抵消刀盘产生的扭转切削反力；导向臂25中间位置绕盾构机壳体2周边设置多块夹紧块24，沿各个方向夹紧盾构机壳体2，通过顶紧夹紧块24实现导向臂25与盾构机壳体2固定；从而实现整体的导向作用。

本发明的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，可安装适合不同掘进模式刀盘、刀具；可实现土压平衡盾构、TBM盾构的快速转换；设备配备了螺旋出土系统、泥水循环系统，可实现泥水平衡盾构；并在挡板和刀盘均安装了土压力传感器，可实时监测掌子面土压力和土舱土压力，可实时测量两个位置的压力差，据此调整掘进与出土速度，模拟不同工况。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的技术特征都属于现有技术。尽管上面结合附图对本发明专利的实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员均可以在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出更多的形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，由前盾（1）、盾构机壳体（2）、旋转控制系统（3）、推进控制系统（4）、螺旋出土系统（5）、泥水循环系统（6）、盾尾（7）、前进导向装置（8）组成；

所述前盾（1）包括刀盘（9）、驱动轴（10）、挡板（12），所述刀盘（9）与驱动轴（10）连接；所述驱动轴（10）上套装轴承套（11），轴承套（11）与挡板（12）连接；所述刀盘（9）与轴承套（11）、挡板（12）、盾构机壳体（2）围成土舱（32）；所述盾构机壳体（2）内部前端与挡板（12）连接；所述挡板（12）和刀盘（9）上均安装土压力传感器（33）；

所述旋转控制系统（3）由主轴驱动马达（13）、主轴扭矩传感器（14）、光电编码器（28）组成；所述主轴驱动马达（13）前端法兰与主轴扭矩传感器（14）连接，主轴扭矩传感器（14）与轴承套（11）连接；所述主轴驱动马达（13）的传动轴与驱动轴（10）连接，带动刀盘（9）旋转；所述主轴驱动马达（13）后端输出轴上设光电编码器（28），用于测量实时转角，主轴扭矩传感器（14）用于测量实时扭矩，旋转控制系统（3）能实现扭矩或转速闭环控制；

所述推进控制系统（4）由推进油缸（15）、荷载传感器（16）、位移传感器（29）和耳座（17）组成；所述推进油缸（15）有四组，按圆周均布；所述推进油缸（15）的活塞杆与荷载传感器（16）一端连接，荷载传感器（16）另一端安装一组耳座（17），耳座（17）与盾尾（7）连接；所述推进油缸（15）的侧面设位移传感器（29），能实现荷载或位移闭环控制；通过控制四组推进油缸（15）不同的位移、荷载，对盾构模型机掘进方向进行纠偏；

所述螺旋出土系统（5）由出土驱动马达（18）、出土扭矩传感器（19）、螺旋出土器（20）、出土引导管（21）组成；所述出土驱动马达（18）前端法兰与出土扭矩传感器（19）连接，出土驱动马达（18）的传动轴与螺旋出土器（20）一端连接；所述螺旋出土器（20）的另一端穿过挡板（12）下端延伸到土舱（32）内底部；所述螺旋出土器（20）上设出土引导管（21）；

所述泥水循环系统（6）由进浆管（34）、出浆管（35）、泥浆处理池（39）组成；所述进浆管（34）一端与挡板（12）连接，另一端与泥浆处理池（39）连接，用于将泥浆处理池（39）内的泥浆输送到土舱（32）内；所述出浆管（35）一端与挡板（12）连接，另一端与泥浆处理池（39）连接，用于将土舱（32）内混合均匀的渣土排出到泥浆处理池（39）；

所述前进导向装置（8）设置在盾构机壳体（2）外侧，所述前进导向装置（8）由夹紧块（24）、导向臂（25）、滑套（26）、导向柱（27）组成；所述导向臂（25）中间位置绕盾构机壳体（2）周边设多块夹紧块（24），通过顶紧夹紧块（24）实现导向臂（25）与盾构机壳体（2）固定；所述导向柱（27）固定在岩土箱的侧板上；所述导向臂（25）上设滑套（26），滑套（26）分别与导向柱（27）配合，实现低摩擦前后运动，同时约束转动。

2.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述盾构机壳体（2）尾部有管片安装孔，管片安装孔上安装一个或多个垫块（30），所述盾构机壳体（2）中部与推进油缸（15）连接。

3.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述旋转控制系统（3）设置扭矩报警，当扭矩过大时及时停止掘进，以避免对系统造成损伤。

4.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述泥水循环系统（6）的进浆管（34）和出浆管（35）上分别设电子节流阀，控制进浆速度和出浆速度。

5.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述刀盘（9）上设搅拌棒（31）。

6.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述刀盘（9）外圈上均匀设置刮刀（22），中间位置安装鱼尾刀（23），所述刀盘（9）、刮刀（22）、鱼尾刀（23）均采用模块化快装模式；所述刮刀（22）和鱼尾刀（23）位置均设置了抗剪槽，防止刀具发生错动，此结构用于软土层。

7.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述刀盘（9）中间位置设置中心滚刀（36），外侧均匀设置多个单刃滚刀（37），单刃滚刀（37）上设置刮渣板（38），所述刀盘（9）、中心滚刀（36）、单刃滚刀（37）均采用模块化快装模式；此结构用于硬岩层。

8.根据权利要求1所述的一种多功能盾构模型机掘进试验装置，其特征在于，所述推进油缸（15）与盾构机中轴线有夹角，通过控制四个油缸不同推进速度可以对盾构机掘进方向进行纠偏，包括应对掘进面软硬不均匀的情形。