專利名稱：隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種隧道工程機(jī)械掘進(jìn)試驗機(jī)械裝置，具體是一種隧道掘進(jìn)試驗用 模擬盾構(gòu)機(jī)，屬于應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的地下工程巖土盾構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?，特別適用于地鐵 工程、隧道等地下洞室工程的隧道盾構(gòu)法施工模擬的試驗研究與應(yīng)用。
本實用新型地下工程巖土盾構(gòu)實驗?zāi)Ｐ褪侵袊V業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程"國家重
點(diǎn)學(xué)科"985工程建設(shè)項目、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號50304012、 50674095)、北京 市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目(批準(zhǔn)號20071D1600700414)、北京市教育委員會產(chǎn)學(xué)研合作 項目研究成果之一。
背景技術(shù)：
近幾十年，我國的地下工程建設(shè)和施工技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前是我國城 市地鐵等地下工程建設(shè)的快速發(fā)展時期。地鐵隧道盾構(gòu)施工以其快速和安全的優(yōu)勢成為 了地鐵施工中最重要的施工方法。盾構(gòu)施工過程的模擬在地鐵工程、隧道工程等地下工 程領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。地下工程隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)是以一定比例縮小的盾構(gòu) 掘進(jìn)機(jī)具，配合本申請人所在項目組研制的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的城市地下工程真三維加 載大尺度模型試驗系統(tǒng)一起使用，可以實現(xiàn)不同盾構(gòu)工況的模擬。
本實用新型的開發(fā)目的是在模擬盾構(gòu)機(jī)在城市地下工程真三維加載大尺度模型試 驗系統(tǒng)平臺上，研究盾構(gòu)機(jī)土倉土 (水)壓力、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、頂進(jìn)推力、刀盤開口 率等關(guān)鍵工藝參數(shù)、以及這些關(guān)鍵參數(shù)與地層變形、地下水壓力、地層應(yīng)力之間的關(guān)系。 模擬研究不同覆土及周邊建筑載荷、不同地下水狀況、不同盾構(gòu)施工工況下的地面沉降 和土體分層沉降，以及盾構(gòu)施工對周圍土體、周邊建構(gòu)筑物及管線的影響，揭示其影響 規(guī)律。研制出隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，為研究城市復(fù)雜環(huán)境下地鐵等隧道工程建設(shè)、 地鐵局部凍結(jié)加固工程的研究、為降低隧道工程建設(shè)風(fēng)險提供實驗平臺與基礎(chǔ)條件。由 于盾構(gòu)隧道施工及相關(guān)技術(shù)研究的深度和廣度不足，在實際工程施工中仍然事故頻發(fā)。 為了滿足工程需要，深入研究盾構(gòu)隧道對周邊巖土環(huán)境的影響，迫切需要相關(guān)的實驗設(shè) 備。我國的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)制造和應(yīng)用始于1963年?，F(xiàn)在，我國在盾構(gòu)隧道施工方面已有 了一定的成功經(jīng)驗和技術(shù)積累，除了在盾構(gòu)機(jī)械制造、設(shè)備的自動集成控制和施工管理 等方面存在綜合技術(shù)問題以外，在巖土工程的領(lǐng)域內(nèi)也存在許多尚待解決的理論和技術(shù) 問題。上海隧道工程公司結(jié)合上海軟土地層對盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、預(yù)制鋼混凝土襯砌、隧道掘 進(jìn)施工參數(shù)、隧道接縫防水進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，研制了一臺直徑4.2111的手掘式盾 構(gòu)機(jī)械進(jìn)行淺埋和深埋隧道掘進(jìn)試驗，隧道掘進(jìn)長度68m。
國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的情況是，目前只有上海隧道工程股份有限公司等少數(shù)幾家施工單位 和機(jī)構(gòu)在盾構(gòu)模擬實驗方面作一些探索，取得了有益的進(jìn)展。如上海隧道工程股份有限 公司研制過小型實驗盾構(gòu)機(jī)(外徑400mm)，但該系統(tǒng)平臺采用開放式土槽，不能實現(xiàn) 地下工程真三維模擬加載實驗，對于真實地下水及水土壓力模擬尚無法實現(xiàn)，同時尚難 克服與實驗平臺的尺寸效應(yīng)和邊界影響等問題。

實用新型內(nèi)容
為了研究盾構(gòu)隧道施工對巖土環(huán)境的影響，并克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實 用新型提供了一種隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)。該模擬盾構(gòu)機(jī)通過機(jī)械液壓油缸提供掘 進(jìn)前進(jìn)動力，掘進(jìn)動力電機(jī)帶動掘進(jìn)刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，被切削的土體通過螺旋排土器 排出盾構(gòu)模型，實現(xiàn)模型的模擬掘進(jìn)。通過調(diào)速裝置可以控制掘進(jìn)動力電機(jī)、螺旋排土 器電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而控制掘進(jìn)刀盤土體的切削量和土體排放量，實現(xiàn)盾構(gòu)連續(xù)自動掘進(jìn)過 程的模擬。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)包括調(diào)速裝置、機(jī)械液壓油缸、盾構(gòu)支撐外殼、掘進(jìn) 動力電機(jī)、掘進(jìn)刀盤、螺旋排土器電機(jī)、螺旋排土器和支架八個部分。其中，掘進(jìn)動力 電機(jī)、掘進(jìn)刀盤、螺旋排土器電機(jī)和螺旋排土器均設(shè)置在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)，盾構(gòu)支撐外 殼整體可滑動地安裝在支架上。所述調(diào)速裝置與掘進(jìn)動力電機(jī)和螺旋排土器電機(jī)相連 接，可調(diào)節(jié)和控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速。所述機(jī)械液壓油缸水平設(shè)置在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)，其缸 座端固定安裝在支架的后端部，其活塞端安裝在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)部的前端立板上。所述 掘進(jìn)動力電機(jī)固設(shè)在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)的最前端，其輸出軸上安裝所述掘進(jìn)刀盤。所述螺 旋排土器電機(jī)位于機(jī)械液壓油缸和掘進(jìn)動力電機(jī)的下方，并且固定安裝在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)部的后端，其輸出軸與水平設(shè)置的所述螺旋排土器連接，該螺旋排土器的尾端固定在 盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)部的前端。
進(jìn)一步地，所述機(jī)械液壓油缸與外部油泵連接，提供穩(wěn)定的前進(jìn)推動力以將包括所 述掘進(jìn)動力電機(jī)、掘進(jìn)刀盤、螺旋排土器電機(jī)和螺旋排土器在內(nèi)的盾構(gòu)支撐外殼整體向 前推進(jìn)。
進(jìn)一步地，所述機(jī)械液壓油缸的油壓壓力是可調(diào)整的，以改變前進(jìn)推動力，實現(xiàn)不 同工況下盾構(gòu)實驗?zāi)M的需要。
進(jìn)一步地，所述掘進(jìn)刀盤可以是一系列具有不同開口率的刀盤，每一種刀盤的開口 率固定，所述開口率是指刀盤開口面積與刀盤面積的比值。所述開口率的范圍為
1(M0%。使用時，可以根據(jù)實驗的要求安裝選用所需開口率的刀盤進(jìn)行掘進(jìn)。
進(jìn)一步地，所述隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)的下面為全封閉，盾構(gòu)支撐外殼(也可 以稱做"盾構(gòu)護(hù)筒")內(nèi)部隔離，可以模擬飽和水狀態(tài)下的盾構(gòu)工況。
本實用新型的隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)適用于模擬地鐵、隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)以及公 路、鐵路、水電等隧道工程的連續(xù)開挖，對復(fù)雜地層層損傷機(jī)理與地面沉降進(jìn)行研究。 其具有如下有益效果設(shè)備制造簡單，可靠性髙，易控性好，可以實現(xiàn)復(fù)雜工程條件下 的模擬實驗，電機(jī)與液壓系統(tǒng)既可獨(dú)立也可聯(lián)動工作，液壓推進(jìn)控制精確，用于試驗研 究盾構(gòu)隧道通用性很髙。本實用新型很好地解決了以往研究難以解決實現(xiàn)掘進(jìn)和排土的 土壓力平衡模擬及地下水影響，實現(xiàn)了完全真三維加載，克服了無法模擬地下水及水土 壓力的問題，克服了與實驗平臺的尺寸效應(yīng)和邊界影響等問題。


圖1是本實用新型的模擬盾構(gòu)機(jī)的原理圖2是本實用新型的模擬盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)圖。
圖中
1-調(diào)速裝置 2-螺旋排土器電機(jī) 3-機(jī)械液壓油缸
4-盾構(gòu)支撐外殼 5-掘進(jìn)動力電機(jī) 6-掘進(jìn)刀盤
7-螺旋排土器 8-支架
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
如圖1所示，該隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)包括調(diào)速裝置l、螺旋排土器電機(jī)2、 機(jī)械液壓油缸3、盾構(gòu)支撐外殼4、掘進(jìn)動力電機(jī)5、掘進(jìn)刀盤6、螺旋排土器7和支架 8等八個部分。其中，螺旋排土器電機(jī)2、掘進(jìn)動力電機(jī)5、掘進(jìn)刀盤6和螺旋排土器7 均設(shè)置在盾構(gòu)支撐外殼4內(nèi)。支架8位于模擬盾構(gòu)機(jī)的下部并且支撐著盾構(gòu)支撐外殼4， 盾構(gòu)支撐外殼4整體可滑動地安裝在支架8上。調(diào)速裝置1與掘進(jìn)動力電機(jī)5和螺旋排 土器電機(jī)2相連接。
所述機(jī)械液壓油缸3呈水平設(shè)置在盾構(gòu)支撐外殼4內(nèi)的中心位置上，其缸座端固定 安裝在支架8的后端部，其活塞端安裝在盾構(gòu)支撐外殼4內(nèi)部的前端立板上。所述掘進(jìn) 動力電機(jī)5固設(shè)在盾構(gòu)支撐外殼4內(nèi)的最前端，該掘進(jìn)動力電機(jī)5的輸出軸上安裝所述 掘進(jìn)刀盤6。
所述螺旋排土器電機(jī)2位于機(jī)械液壓油缸3和掘進(jìn)動力電機(jī)5的下方，并且固定安 裝在盾構(gòu)支撐外殼4內(nèi)部的后端，其輸出軸與水平設(shè)置的所述螺旋排土器7連接，螺旋 排土器7的尾端固定在盾構(gòu)支撐外殼4內(nèi)部的前端。
所述機(jī)械液壓油缸3與外部油泵(圖中未示)連接，由外部油泵供壓和控制，提供 穩(wěn)定的前進(jìn)推動力，該推動力可以將包括掘進(jìn)動力電機(jī)5、掘進(jìn)刀盤6、螺旋排土器電 機(jī)2和螺旋排土器7在內(nèi)的盾構(gòu)支撐外殼4整體向前推進(jìn)。另外，如圖1中的上部虛線 所示，調(diào)速裝置1可以調(diào)節(jié)控制掘進(jìn)動力電機(jī)5和螺旋排土器電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)掘進(jìn) 控制和排土控制。
所述掘進(jìn)刀盤6可以是一系列具有不同開口率的刀盤，每一種刀盤的開口率固定， 所述開口率的取值范圍為10~40%。使用時，可以根據(jù)實驗的要求安裝選用所需開口率 的刀盤進(jìn)行掘進(jìn)。
另外，當(dāng)本隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)的下面為全封閉，且盾構(gòu)支撐外殼(盾構(gòu)護(hù) 筒)內(nèi)部隔離時，可以模擬飽和水狀態(tài)下的盾構(gòu)工況。
圖2示出了本實用新型模擬盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)。如圖2所示，當(dāng)外部油泵供壓時， 機(jī)械液壓油缸3的活塞向前推進(jìn)，提供掘進(jìn)前進(jìn)推動力。與此同時，調(diào)速裝置l控制掘 進(jìn)動力電機(jī)5和螺旋排土器電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，掘進(jìn)動力電機(jī)5帶動掘進(jìn)刀盤6旋轉(zhuǎn)切削土體，實現(xiàn)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)，而螺旋排土器旋轉(zhuǎn)可將掘進(jìn)時切削的土體排出到盾構(gòu)模型的外
部，實現(xiàn)模擬盾構(gòu)排土。在掘進(jìn)模擬和排土模擬的過程中，隨著機(jī)械液壓油缸3的活塞 逐步向前推進(jìn)，包括掘進(jìn)動力電機(jī)5、掘進(jìn)刀盤6、螺旋排土器電機(jī)2和螺旋排土器7 在內(nèi)的盾構(gòu)支撐外殼4整體在支架8上滑動著向前推進(jìn)。
通過調(diào)速裝置1可以控制掘進(jìn)動力電機(jī)5、螺旋排土器電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，從而控制掘 進(jìn)刀盤6的土體切削量和土體排放量。
通過調(diào)整機(jī)械液壓油缸3的油壓壓力可以改變前進(jìn)推動力，實現(xiàn)不同工況下盾構(gòu)實 驗?zāi)M的需要。
權(quán)利要求1. 一種隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，包括調(diào)速裝置(1)、機(jī)械液壓油缸(3)、盾構(gòu)支撐外殼(4)、掘進(jìn)動力電機(jī)(5)、掘進(jìn)刀盤(6)、螺旋排土器電機(jī)(2)、螺旋排土器(7)和支架(8)，其中，所述掘進(jìn)動力電機(jī)(5)、掘進(jìn)刀盤(6)、螺旋排土器電機(jī)(2)和螺旋排土器(7)均設(shè)置在所述盾構(gòu)支撐外殼(4)內(nèi)，該盾構(gòu)支撐外殼(4)整體可滑動地安裝在所述支架(8)上；所述調(diào)速裝置(1)與掘進(jìn)動力電機(jī)(5)和螺旋排土器電機(jī)(2)相連接；其特征在于所述機(jī)械液壓油缸(3)水平設(shè)置在盾構(gòu)支撐外殼(4)內(nèi)，其缸座端固定安裝在支架(8)的后端部，其活塞端安裝在盾構(gòu)支撐外殼(4)內(nèi)部的前端立板上；所述掘進(jìn)動力電機(jī)(5)固設(shè)在盾構(gòu)支撐外殼(4)內(nèi)的最前端，其輸出軸上安裝所述掘進(jìn)刀盤(6)；所述螺旋排土器電機(jī)(2)位于機(jī)械液壓油缸(3)和掘進(jìn)動力電機(jī)(5)的下方，并且固定安裝在盾構(gòu)支撐外殼(4)內(nèi)部的后端，其輸出軸與水平設(shè)置的所述螺旋排土器(7)連接，該螺旋排土器(7)的尾端固定在盾構(gòu)支撐外殼(4)內(nèi)部的前端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，其特征在于所述機(jī)械液 壓油缸(3)與外部油泵連接并提供前進(jìn)推動力，以將包括所述掘進(jìn)動力電機(jī)(5)、掘進(jìn)刀 盤(6)、嫘旋排土器電機(jī)(2)和螺旋排土器(7)在內(nèi)的盾構(gòu)支撐外殼(4)整體向前推進(jìn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，其特征在于所述機(jī)械液 壓油缸(3)的油壓壓力可調(diào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 、 2或3所述的隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，其特征在于所 述掘進(jìn)動力電機(jī)(5)和嫘旋排土器電機(jī)(2)的轉(zhuǎn)速通過調(diào)速裝置(1)調(diào)整。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 、 2或3所述的隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，其特征在于所 述掘進(jìn)刀盤(6)是一系列具有不同開口率的刀盤，所述開口率的范圍為10~40%:每一 種刀盤的開口率固定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l 、 2或3所述的隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，其特征在于該隧 道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)的下面為全封閉，所述盾構(gòu)支撐外殼(4)的內(nèi)部隔離。
專利摘要一種隧道掘進(jìn)試驗用模擬盾構(gòu)機(jī)，適用于模擬地鐵、隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)及交通、水電等隧道工程的連續(xù)開挖對復(fù)雜地層損傷與地面沉降的研究。該模擬盾構(gòu)機(jī)包括機(jī)械液壓油缸、盾構(gòu)支撐外殼、掘進(jìn)刀盤、掘進(jìn)動力電機(jī)、螺旋排土器、螺旋排土器電機(jī)、調(diào)速裝置和支架。機(jī)械液壓油缸設(shè)置在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)，缸座安裝在支架后端；掘進(jìn)動力電機(jī)設(shè)在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)部的最前端，其輸出軸上安裝掘進(jìn)刀盤；螺旋排土器電機(jī)位于機(jī)械液壓油缸下方，且固定在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)部的后端，其輸出軸與螺旋排土器連接，螺旋排土器尾端設(shè)在盾構(gòu)支撐外殼內(nèi)部前端。本模擬盾構(gòu)機(jī)可靠性高，易控性好，可實現(xiàn)復(fù)雜工程條件下的模擬實驗，液壓推進(jìn)控制精確，可應(yīng)用于盾構(gòu)隧道模擬試驗。
文檔編號G09B25/00GK201307365SQ200820140298
公開日2009年9月9日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者波 劉, 劉紀(jì)峰, 朋 李, 濤 李, 陶龍光 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)