用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型tbm開挖系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。該系統(tǒng)包括刀盤，護(hù)盾，撐靴，傳動軸，拉力千斤頂，導(dǎo)軌，電機(jī)，底座等，所述的拉力千斤頂?shù)囊欢伺c支撐臺架固定，另一端的活塞拉動底座和電機(jī)一起前進(jìn)或后退，電機(jī)帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，推動刀盤前進(jìn)切削掌子面“巖體”，撐靴兩側(cè)的千斤頂可推動撐靴臂對“圍巖”施加指定壓力。本實(shí)用新型可準(zhǔn)確模擬刀盤破巖過程，考慮圍巖-撐靴，掌子面-刀盤，圍巖-護(hù)盾的相互作用，既可以應(yīng)用于一般的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)MTBM盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)開挖軟巖隧道、地鐵等，也可應(yīng)用于模擬深埋硬巖隧洞TBM掘進(jìn)機(jī)的開挖，研究巖-機(jī)相互作用和巖爆的關(guān)系。
【專利說明】用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]物理模擬試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)，在配制相似材料的基礎(chǔ)上，通過對模型試件加載、開挖、支護(hù)、監(jiān)測等，通過縮尺的模型研究地下隧洞、廠房的破壞、穩(wěn)定性問題，利用試驗(yàn)結(jié)果對現(xiàn)場的施工進(jìn)行指導(dǎo)的一種研究方法，與室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測共同構(gòu)成了巖土工程的四種研究方法。模型的材料性質(zhì)、試件構(gòu)造特征、加載方法、開挖方法等與原型越相似，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性越高，可供工程人員的借鑒性就越大。
[0003]模型試驗(yàn)中隧洞的開挖主要有四種方法:
[0004](I)制作試件時在指定位置預(yù)埋與開挖洞形一致的柱體，待試件干燥后拔出柱體使隧洞一次成型，再加載。
[0005](2)制作試件時在指定位置預(yù)埋與開挖洞形一致的柱體，柱體由數(shù)小段組成，力學(xué)性質(zhì)(如彈模)盡量與試件一致，試件干燥后加載至初始應(yīng)力，再將預(yù)埋的小段柱體依次頂出，模擬分段開挖。
[0006](3)將制作的試件干燥后加載至初始應(yīng)力，在預(yù)定位置手動開挖出一定形狀的隧洞。
[0007](4)將制作的試件干燥后加載至初始應(yīng)力，在預(yù)定位置利用鉆機(jī)或小型開挖設(shè)備機(jī)械開挖出指定形狀的隧洞。
[0008]以上四種開挖方式主要存在以下缺點(diǎn):
[0009](I)先開孔后加載的方式雖然成洞效果較好但與實(shí)際開挖過程不相符，現(xiàn)場的開挖施工是在原巖應(yīng)力場中進(jìn)行的，因此這種方法不能很好的模擬洞室開挖過程和應(yīng)力重分布特征。
[0010](2)加載后依次頂出預(yù)埋的小圓柱塊模擬分步開挖的方法需要使小圓柱塊的變形與試件變形相協(xié)調(diào)、一致，柱體不能影響試件的變形，且高壓力下也不易頂出。
[0011](3)手動開挖的方法對簡單的試驗(yàn)過程是可行的，但當(dāng)開挖隧洞較長、存在隱蔽開挖時，在狹小的空間內(nèi)手動開挖困難較大。
[0012](4)采用鉆機(jī)或微型開挖設(shè)備開挖時省時省力、效率較高，但采用的簡易機(jī)械開挖方法與現(xiàn)場機(jī)械開挖中的刀盤破巖機(jī)理、巖-機(jī)相互作用等還存在較大差別，無法做到準(zhǔn)確模擬。
[0013]TBM隧洞掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到隧道、深埋硬巖隧洞的開挖中，刀盤對掌子面巖體的巨大推力、撐靴對圍巖強(qiáng)大支撐作用等均對巖爆的發(fā)生產(chǎn)生抑制作用，因此研制一套結(jié)構(gòu)簡單但又可以準(zhǔn)確模擬刀盤破巖過程，可充分考慮刀盤、護(hù)盾和撐靴與巖體的相互作用，從而研究TBM開挖速率、刀盤推力、扭矩、撐靴壓力、護(hù)盾壓力與巖爆的相互作用機(jī)制，是提高開挖效率和模擬結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性的必要條件。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的能夠綜合考慮刀盤破巖過程相似性以及刀盤、護(hù)盾和撐靴與巖體之間復(fù)雜的巖-機(jī)相互作用的微型TBM開挖系統(tǒng)。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0016]用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，所述的微型TBM開挖系統(tǒng)由刀盤，護(hù)盾，撐靴，傳動軸，拉力千斤頂，導(dǎo)軌，電機(jī)，底座，支撐臺架組成，所述的支撐臺架上沿長度方向?qū)ΨQ設(shè)置有導(dǎo)軌，底座活動的置于導(dǎo)軌上，拉力千斤頂一端固定連接在支撐臺架一側(cè)，拉力千斤頂?shù)幕钊祟^固定連接在底座上，拉力千斤頂?shù)妮S線平行于導(dǎo)軌，位于支撐臺架的中心線上，電機(jī)固定安裝在底座上方，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和傳動軸一端通過法蘭連接，傳動軸的軸線與拉力千斤頂?shù)妮S線平行且位于同一豎直平面內(nèi)，傳動軸的另一端套裝有護(hù)盾，護(hù)盾和傳動軸固定連接，傳動軸的端頭固定安裝有刀盤，刀盤直徑與護(hù)盾外徑相等，撐靴活動的套裝在傳動軸上。
[0017]所述的撐靴由靴套，千斤頂，撐靴臂構(gòu)成，靴套呈空心圓柱狀，千斤頂對稱設(shè)置在靴套兩側(cè)，千斤頂?shù)幕钊祟^固定安裝有撐靴臂，撐靴臂呈弧形狀。
[0018]所述的刀盤為圓形，刀盤端面中央過圓心沿徑向布置有一條魚尾刀，魚尾刀兩側(cè)對稱鑲嵌兩個以上合金齒，刀盤上開有出渣孔，出渣孔軸線平行于傳動軸。
[0019]所述的護(hù)盾靠近刀盤一端為圓環(huán)形中空結(jié)構(gòu)，另一端面上中心四周對稱開有等直徑的圓孔。
[0020]由于采用了以上技術(shù)方案，本實(shí)用新型的用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)中，拉力千斤頂提供刀盤破巖的推力，電機(jī)提供刀盤破巖的扭矩，撐靴可通過千斤頂對“圍巖”施加預(yù)定的壓力，刀盤上的魚尾刀和鑲嵌合金齒可壓入掌子面切削“巖體”。本實(shí)用新型可以準(zhǔn)確的模擬工程現(xiàn)場TBM掘進(jìn)過程中圍巖-撐靴，掌子面-刀盤，圍巖-護(hù)盾的相互作用，使刀盤對圍巖的壓力和扭矩及撐靴對圍巖的壓力定量化，既可以應(yīng)用于一般的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)MTBM盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)開挖軟巖隧道、地鐵等，也可應(yīng)用于模擬深埋硬巖隧洞TBM掘進(jìn)機(jī)的開挖，重點(diǎn)研究撐靴壓力、刀盤推力對巖爆的抑制作用和巖爆對護(hù)盾的破壞。本實(shí)用新型既可以提高物理模擬試驗(yàn)中的隧洞開挖效率和開挖模擬的準(zhǔn)確性，又可為研究TBM開挖速率、刀盤推力、扭矩、撐靴壓力、護(hù)盾壓力與巖爆的相互作用機(jī)制提供支撐。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的隧洞(巷道、隧道、水電廠房等)的開挖實(shí)驗(yàn)中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為圖1的A-A視圖。
[0023]圖3為刀盤的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為圖1的B-B視圖。
[0025]圖5為圖1的C-C視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]見附圖。
[0028]用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，所述的微型TBM開挖系統(tǒng)由刀盤I，護(hù)盾2，撐靴7，傳動軸IO，拉力千斤頂11，導(dǎo)軌13，電機(jī)15，底座17，支撐臺架18組成，所述的支撐臺架18上沿長度方向?qū)ΨQ設(shè)置有導(dǎo)軌13，底座17活動的置于導(dǎo)軌13上，拉力千斤頂11 一端固定連接在支撐臺架18 —側(cè)，拉力千斤頂11的活塞12端頭固定連接在底座17上，拉力千斤頂11的軸線平行于導(dǎo)軌13，位于支撐臺架18的中心線上，拉力千斤頂11外接液壓控制裝置，電機(jī)15固定安裝在底座17上方，拉力千斤頂11可拉著安裝有電機(jī)15的底座17沿著導(dǎo)軌13前后滑動，電機(jī)15的轉(zhuǎn)軸16和傳動軸10 —端通過法蘭14連接，傳動軸10的軸線與拉力千斤頂11的軸線平行且位于同一豎直平面內(nèi)，傳動軸10的另一端套裝有護(hù)盾2，護(hù)盾2和傳動軸10固定連接，傳動軸10的端頭固定安裝有刀盤1，刀盤I直徑與護(hù)盾2外徑相等，電機(jī)15可帶動傳動軸10轉(zhuǎn)動，推動刀盤I旋轉(zhuǎn)，切削掌子面“巖體”，撐靴7活動的套裝在傳動軸10上。
[0029]所述的撐靴7由靴套19，千斤頂8，撐靴臂9構(gòu)成，靴套19呈空心圓柱狀，千斤頂8對稱設(shè)置在靴套19兩側(cè)，千斤頂8的活塞端頭固定安裝有撐靴臂9，撐靴臂9呈弧形狀。千斤頂8與外面的液壓控制裝置相連，通過液壓控制裝置控制千斤頂油缸內(nèi)液壓油的進(jìn)出控制兩側(cè)圓弧形撐靴臂9的伸縮和施加在“圍巖”上的撐靴壓力的大小。
[0030]所述的刀盤I為圓形，刀盤I端面中央過圓心沿徑向布置有一條魚尾刀6,魚尾刀6兩側(cè)對稱鑲嵌兩個以上合金齒5，刀盤I上開有出渣孔4，出渣孔4軸線平行于傳動軸10。刀具在壓力作用下首先壓入掌子面“巖體”中，在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)切削“巖體”，刀具削落的渣土可在魚尾刀6帶動通過刀盤I上的出渣孔4順出進(jìn)入護(hù)盾2內(nèi)的空腔內(nèi)。
[0031]所述的護(hù)盾2靠近刀盤I 一端為圓環(huán)形中空結(jié)構(gòu)，另一端面上中心四周對稱開有等直徑的圓孔3，吸塵器的導(dǎo)管可以從開挖的隧洞底端順入到護(hù)盾2前端，將切削的渣土通過護(hù)盾2上的圓孔3吸出。
[0032]本實(shí)用新型的用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)在試驗(yàn)中的具體操作過程為:首先對模型試件加載至指定的初始應(yīng)力后，將本實(shí)用新型的微型TBM開挖系統(tǒng)固定安裝在指定位置，要求傳動軸10軸線與擬開挖隧洞軸線重合，撐靴7的靴套19套在傳動軸10上。開挖時電機(jī)15帶動傳動軸10以一定速度旋轉(zhuǎn)，拉力千斤頂11拉動安裝有電機(jī)15的底座17沿著導(dǎo)軌13向前滑動，傳動軸10帶動與之固定的刀盤I和護(hù)盾2旋轉(zhuǎn)，刀盤I上的魚尾刀6和合金齒5在推力作用下壓入模型試件中，在扭矩作用下刀具旋轉(zhuǎn)切削破巖。開挖一個微小步距后，利用與撐靴7相連的液壓控制裝置通過油管將液壓油輸送入撐靴7兩側(cè)千斤頂8的油缸內(nèi)，使兩側(cè)的圓弧形撐靴臂9同時撐起，以相同的壓力壓向“圍巖”，撐靴7處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，然后繼續(xù)開挖。刀盤I切削的渣土被刀盤I上的魚尾刀6帶起并通過刀盤I上的出渣孔4順出進(jìn)入護(hù)盾2內(nèi)的空腔內(nèi)，將吸塵器的吸管順著隧洞底部伸到護(hù)盾2前側(cè)，將渣土吸出。一個開挖步距結(jié)束后，停止鉆進(jìn)，利用與撐靴7相連的液壓控制裝置卸掉兩側(cè)千斤頂8內(nèi)的油壓，圓弧形撐靴臂9縮回，將撐靴7沿著傳動軸10向前移動一小段距離模擬施工現(xiàn)場TBM掘進(jìn)機(jī)撐靴前移的過程，再對撐靴7兩側(cè)的千斤頂8進(jìn)油、加壓、穩(wěn)定，之后繼續(xù)開挖、出渣，如此往復(fù)循環(huán)，直至開挖完成。
【權(quán)利要求】
1.用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，其特征在于:所述的微型TBM開挖系統(tǒng)由刀盤(1)，護(hù)盾(2)，撐靴(7)，傳動軸(10)，拉力千斤頂(11)，導(dǎo)軌(13)，電機(jī)(15)，底座(17)，支撐臺架(18)組成，所述的支撐臺架(18)上沿長度方向?qū)ΨQ設(shè)置有導(dǎo)軌(13)，底座(17)活動的置于導(dǎo)軌(13)上，拉力千斤頂(11) 一端固定連接在支撐臺架(18)一側(cè)，拉力千斤頂(11)的活塞(12)端頭固定連接在底座(17)上，拉力千斤頂(11)的軸線平行于導(dǎo)軌(13)，位于支撐臺架(18)的中心線上，電機(jī)(15)固定安裝在底座(17)上方，電機(jī)(15)的轉(zhuǎn)軸(16)和傳動軸(10) 一端通過法蘭(14)連接，傳動軸(10)的軸線與拉力千斤頂(11)的軸線平行且位于同一豎直平面內(nèi)，傳動軸(10)的另一端套裝有護(hù)盾(2)，護(hù)盾(2)和傳動軸(10)固定連接，傳動軸(10)的端頭固定安裝有刀盤(1)，刀盤(I)直徑與護(hù)盾(2 )外徑相等，撐靴(7 )活動的套裝在傳動軸(10 )上。
2.如權(quán)利要求1所述的用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，其特征在于:所述的撐靴(7)由靴套(19)，千斤頂(8)，撐靴臂(9)構(gòu)成，靴套(19)呈空心圓柱狀，千斤頂(8)對稱設(shè)置在靴套(19)兩側(cè)，千斤頂(8)的活塞端頭固定安裝有撐靴臂(9)，撐靴臂(9)呈弧形狀。
3.如權(quán)利要求1所述的用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，其特征在于:所述的刀盤(I)為圓形，刀盤(I)端面中央過圓心沿徑向布置有一條魚尾刀(6),魚尾刀(6)兩側(cè)對稱鑲嵌兩個以上合金齒(5)，刀盤(I)上開有出渣孔(4)，出渣孔(4)軸線平行于傳動軸(10)。
4.如權(quán)利要求1所述的用于物理模擬試驗(yàn)隧洞開挖的微型TBM開挖系統(tǒng)，其特征在于:所述的護(hù)盾(2)靠近刀盤(I) 一端為圓環(huán)形中空結(jié)構(gòu)，另一端面上中心四周對稱開有等直徑的圓孔(3)。
【文檔編號】E21D9/08GK203396588SQ201320473153
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】周輝, 孟凡震, 張傳慶, 徐榮超, 李鳳遠(yuǎn), 盧景景, 付亞平 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所