一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及盾构开挖模拟试验的技术领域，更具体地，涉及一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置。


背景技术：

2.随着城市建设的发展步伐逐渐加快，地面交通已经越来越无法满足人们的出行需求，因此，寻求地下空间的开发利用已成为解决城市交通压力的重要途经。经过数十年的发展，地铁建设技术日趋成熟。在地铁隧道施工中，常用的施工方法有明挖法、盖挖法、盾构法等等，其中盾构法以其施工扰动范围小、施工速度快、不受埋深限制等优点成为城市地铁隧道施工最主要的方法。盾构施工方法是利用盾构机在预先开挖好的工作井内始发，在盾构机壳体的保护下进行掘进，并拼装隧道管片，从而集开挖、支护、出渣于一体，可以实现隧道的一次成型。
3.虽然盾构施工相比于明挖等敞开式施工对周围地层的扰动大大降低，但依然会造成地层的扰动，从而使周围土体产生变形。为了研究这一问题，通常将盾构施工扰动简化为地层损失，通过开展模型试验对盾构施工造成周围土体及地表变形的问题进行研究。现有模拟地层损失的试验手段主要有排液法和拖拽法，其中排液法是指预先在隧道周围设置一节节的液囊，通过控制阀门使液体逐次流出模拟地层损失的方法；拖拽法是指在隧道周围预先套一层套筒，套筒的厚度取决于预定的地层损失率，通过将外部套筒逐渐抽出模拟地层的损失。
4.虽然排液法和拖拽法可以在一定程度上模拟地层的损失，但与实际盾构施工原理仍有差异。在实际中，盾构施工对地层的扰动主要有两方面，一方面是盾构超挖和盾尾脱出造成的地层损失，另一方面是盾构机外壳受顶进而造成的与周边土体的摩擦作用。当前的试验手段仅能考虑单一情况，对地层损失和盾构机外壳摩擦的耦合作用效果考虑不足，这大大限制了对盾构施工对周边地层扰动问题的机理层面的研究能力。
5.因此，现有技术中亟需一种能够有效模拟盾构掘进施工中的地层损失和盾构机外壳与土之间摩擦的耦合作用，更为贴合实际，可用于深入分析盾构施工对周边地层扰动的机理问题的技术方案。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本实用新型提供一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置。
7.本实用新型的技术方案如下:
8.一种挤压排液式盾构开挖模拟试验装置，包括模型箱、螺旋丝杆和伺服电机，所述模型箱内设置有模型隧道，所述模型隧道的表面固定设置有液囊，所述液囊连接有排液管，所述排液管设置在所述液囊的末端，所述液囊外套设有套箍环片，所述螺旋丝杆上套设有拉索连接板，所述拉索连接板内侧设置有内螺纹，所述套箍环片和所述拉索连接板之间设置有拉索，所述拉索的两端分别与所述套箍环片和所述拉索连接板固定连接，所述螺旋丝
杆的前端与所述模型箱旋转连接，所述螺旋丝杆的后端与所述伺服电机的输出轴固定连接；所述螺旋丝杆的外侧套设有张拉套筒，所述张拉套筒与所述拉索连接板相互固定。
9.所述模型隧道的两端通过法兰盘与所述模型箱固定连接，所述拉索贯穿所述模型隧道末端的法兰盘。
10.所述拉索连接板的外沿设置有限位槽，所述张拉套筒的内侧设置有限位条。
11.所述螺旋丝杆的前端套设有前滚动轴承，所述前滚动轴承与所述模型箱连接，所述拉索贯穿所述前滚动轴承。
12.所述螺旋丝杆的后端还设置有后滚动轴承。
13.所述张拉套筒下方设置有张拉区底板，所述张拉套筒的末端还设置有张拉区面板，所述张拉区面板套设在所述后滚动轴承外。
14.所述张拉区底板与所述张拉区面板之间还设置有肋板。
15.本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
16.1.利用套箍环片的移动可同时实现液体的挤压排出和与周边土体的摩擦作用，可以真实地还原盾构施工实际过程；在模型试验中应用有助于研究盾构扰动的机理问题。
17.2.通过伺服电机带动螺旋丝杆转动，从而拉动拉索，使套箍环片移动，挤压液囊，利用排液管排出的液体体积实时反映地层的损失情况；通过控制伺服电机的转速还可以模拟不同速率的隧道开挖。
18.3.可通过机械化操作，易于控制，可用于离心机试验。
附图说明
19.图1是挤压排液式盾构开挖模拟试验装置外部结构示意图。
20.图2是挤压排液式盾构开挖模拟试验装置内部结构示意图。
21.图3是盾构开挖部分示意图。
22.图4是张拉部分示意图。
23.图5是张拉套筒的俯视图。
24.附图标记：1模型箱；2排液管；3张拉套筒；4张拉区底板；5肋板；6张拉区面板；7螺旋丝杆；8伺服电机；9法兰盘；10模型隧道；11液囊；12套箍环片；13拉索；141前滚动轴承；142后滚动轴承；15拉索连接板。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步的说明。
26.如图1
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4所示的挤压排液式盾构开挖模拟试验装置，包括模型箱1、螺旋丝杆7和伺服电机8，模型箱1内设置有模型隧道10，模型隧道10的两端通过法兰盘9与模型箱1固定连接，模型隧道10的表面固定设置有液囊11，液囊11连接有排液管2，排液管2位于液囊1的末端，液囊11外套设有套箍环片12，螺旋丝杆7上套设有拉索连接板15，拉索连接板15内侧设置有内螺纹，套箍环片12和拉索连接板15之间设置有拉索13，拉索13的两端分别与套箍环片12和拉索连接板15固定连接，螺旋丝杆7的前端与模型箱1旋转连接，螺旋丝杆7的后端与伺服电机8的输出轴固定连接；螺旋丝杆7的前端套设有前滚动轴承141，前滚动轴承141与模型箱1连接，拉索13贯穿模型隧道10末端的法兰盘9和前滚动轴承141。
27.螺旋丝杆7的后端还设置有后滚动轴承142。螺旋丝杆7的外侧套设有张拉套筒3，拉索连接板15的外沿设置有限位槽16，如图5所示，张拉套筒3的内侧设置有限位条17，限位条17卡在限位槽16中，从而使张拉套筒3与拉索连接板15相互固定，当螺旋丝杆7在伺服电机8的驱动下转动时，拉索连接板15由于限位作用，无法转动，从而使拉索连接板15与张拉套筒3整体向外水平移动。拉索13共有数根，
28.张拉套筒3下方设置有张拉区底板4，张拉套筒3的末端还设置有张拉区面板6，张拉区面板6套设在后滚动轴承142外。张拉区底板4与张拉区面板6之间还设置有肋板5。
29.采用上述试验装置的挤压排液式盾构开挖模拟试验方法，包括以下步骤：
30.s1：在模型隧道10表面固定好液囊11，液囊11中注入密度接近天然土体的液体(本实施例中采用溴化钡)至注入液体的体积为地层损失的总体积，随后关闭排液管2；
31.s2：在液囊11上套入套箍环片12，并将连接拉索13的一端与套箍环片12连接，将拉索13穿过模型箱1，并将拉索13另一端紧密连接至拉索连接板15，安装螺旋丝杆7和前滚动轴承141，套入张拉套筒3，张拉套筒3内部有纵向设置的限位条17，卡在拉索连接板15上的限位槽16内，互相配合，可以防止张拉过程中拉索连接板15转动，从而避免拉索13转动；安装张拉区面板6、张拉区底板4以及肋板5，再将螺旋丝杆7与伺服电机8连接；
32.s3：将土体分层填入模型箱1，并分层击实，同时，在模型隧道10周围布置土压力计、孔压计和地表位移计等传感器，来监测盾构施工对土体的扰动效应；填土击实的过程中，要注意不损坏试验装置；
33.s4：在模型箱1顶部安装lvdt，用于测量地表变形；
34.s5：启动伺服电机8，驱动螺旋丝杆7转动，带动拉索连接板15和张拉套筒3整体向外运动，进而拉动拉索13向外运动，套箍环片12在拉索13的牵引下沿模型隧道10移动，移动中的套箍环片12挤压液囊11，液囊11通过排液管2排液模拟隧道的地层损失，同时，套箍环片12的移动模拟隧道与周围土体的摩擦作用；
35.s6：通过土压力计、孔压计和地表位移计来采集土压力、孔压力和地表沉降量等数据，通过排液管2排出的液体体积记录地层损失量；
36.s7：关闭伺服电机8，试验结束。
37.盾构掘进对周边地层的扰动作用由地层损失和盾壳摩擦两部分组成，其中，地层损失通过挤压模型隧道10外部的液囊11排液来实现，盾壳摩擦通过套箍在模型隧道10外部的套箍环片12移动实现。套箍环片12通过拉索13的作用以一定速率沿模型隧道10开挖方向移动，同时挤压液囊11，通过排液管2排出液体。拉索13的移动通过伺服电机8转动带动螺旋丝杆7转动来实现，还原了盾构施工的实际情况，提高了盾构扰动模型试验的仿真效果。
38.以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。