土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验系统的制作方法

：
1.本发明属于岩土相似模型试验技术领域，涉及一种土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验系统。


背景技术：

2.随着我国经济的飞速发展，我国高铁已经由“四纵四横”进入“八纵八横”时代，高铁路基处理作为高铁建设中关键环节，复合地基在京津城际铁路、武广客运专线、京沪高铁、沪宁城际铁路、郑西高铁等软土路基处理中得到了广泛采用。我国目前已经有42个城市开通了地铁，总里程达到了5376.89km，而随着城市地铁的建设，难免会产生盾构下穿高铁复合地基的情况，如北京地铁14号线下穿京津城际铁路复合地基等，同时复合地基也在高层建筑中也得到了广泛采用，可以预见会产生更多这种工程，盾构下穿复合地基这种工况势必不可避免。
3.盾构在软土复合地基施工过程中需要控制的参数极多，而如果施工参数控制不当会产生严重后果，如高铁道床变形较大导致无法正常通行，高层建筑地基沉降过大造成建筑开裂。因此，有必要对盾构在复合地基中施工进行相关研究。
4.现行规范中提到的变形控制均考虑的是复合地基的长期变形，而对于盾构下穿这种特殊工况没有相关规定，而软土复合地基地层敏感性较高，盾构施工参数仅靠经验与规范控制明显不够的，因此需要一种试验手段来提供一些参考，目前已有的盾构模型试验装置均设计较为复杂，装置非常多且成本高昂，实际操作起来极为不便，因此需要对已有的盾构试验装置以及模型试验系统进行改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验系统，其克服了现有技术中存在的盾构模型试验装置均设计较为复杂、成本高昂、操作极为不便的问题，本发明结构简单，成本较低，实验操作简单可行。实验操作简单可行。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验系统，其特征在于：包括土压平衡式盾构推进系统和复合地基模型箱测试系统，土压平衡式盾构推进系统包括试验台，试验台上设置有上滑动板和下滑动板，减速电机和管片固定于上滑动板上，减速电机与刀盘通过传力杆连接，电动伸缩杆装置、支架固定于下滑动板上，减速电机设置于电动伸缩杆装置一侧，复合地基模型箱测试系统包括模型箱箱体，模型箱箱体顶部设置有横梁，横梁上固定有百分表，模型箱箱体内由上到下依次设置有测量杆和实验材料层。
8.电动伸缩杆装置包括电机马达，电机马达的转动通过齿轮间带动轴承，推动螺纹丝杆使得伸缩杆实现伸缩运动。
9.实验材料层包括由上到下依次设置的褥垫层、微型群桩和土体相似材料。
10.刀盘采用焊接刀片组成。
11.传力杆采用螺栓将刀盘与减速电机串联。
12.电动伸缩杆装置的伸缩行程、推力、伸缩速度可调节。
13.减速电机可正反转，转速范围为10～500转，转速通过刹车装置直接调节。
14.管片、土体相似材料、微型群桩、褥垫层采用相似变换进行模量等参数的调节，管片为聚乙烯塑料管或者钢管，土体相似材料采用石膏、石英砂、膨润土材料配出，微型群桩采用水泥与土配土，褥垫层为细砂。
15.百分表分别在土体与复合地基表面布置，设置7个或9个。
16.上滑动板与下滑动板之间层间涂抹润滑油。
17.与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
18.1、本发明组成结构简单，装置容易组装，成本较低，模型试验中的所有仪器与装备均可采购得到，实验操作简单可行。
19.2、本发明提供一种对盾构下穿高铁复合地基，建筑复合地基等各类复合地基的相似模型试验装置，为此类研究提供了一种可行性研究方案，可以定性测量盾构下穿复合地基在各种工况下的沉降。
20.3、本发明可以通过试验为盾构施工提供参数控制以减小复合地基沉降，优化施工参数，保障有效安全施工。
附图说明：
21.图1为本发明土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验系统的结构示意图；
22.图2为本发明中电动伸缩杆装置的结构示意图；
23.图3为本发明中复合地基模型箱测试系统的结构示意图。
24.图中，1-土压平衡式盾构推进系统，2-复合地基模型箱测试系统；3-电动伸缩杆装置；4-减速电机；5-管片；6-传力杆；7-支架；8-刀盘；9-上滑动板；10-下滑动板；11-试验台；12-电机马达；13-适配器；14-齿轮，15-离合器，16-制动器，17-螺丝杆，18-伸缩杆，19-前接头，20-电线，21-百分表，22-测量杆，23-褥垫层，24-微型群桩，25-土体相似材料，26-模型箱箱体，27-横梁，28-隧道段，29-表盘，30-表针，31-测量头。
具体实施方式：
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
26.本发明为一种土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验系统，主要是针对土压平衡式盾构下穿高铁复合地基与高层建筑复合地基的相似模型试验过程，通过试验为盾构施工提供参数控制以减小复合地基沉降。
27.本发明包括土压平衡式盾构推进系统1和复合地基模型箱测试系统2。土压平衡式盾构推进系统1由电动伸缩杆装置3、减速电机4、传力杆6、管片5、刀盘、支架7、滑动板组成，土压平衡式盾构推进系统包括试验台11，试验台11上设置有上滑动板9和下滑动板10，上滑动板9与下滑动板10之间层间涂抹润滑油以减小推进过程中的阻力。减速电机4和管片5固定于上滑动板9上，减速电机4与刀盘8通过传力杆6连接。刀盘8为采用焊接刀片组成，主要
考虑土体切削刀片。传力杆6采用螺栓将刀盘8与减速电机4串联。管片5可以在推进方向上进行滑动，由减速电机带动管片向前推进。电动伸缩杆装置3、支架7固定于下滑动板10上，减速电机4设置于电动伸缩杆装置3一侧。
28.土压平衡式盾构推进系统1主要通过电动伸缩杆装置3与减速电机4调节盾构施工参数，电动伸缩杆装置3可以调节推力进而控制刀盘8向隧道掌子面推力，减速电机4可以调节转速进而控制盾构机刀盘8转速，通过二者连接模拟盾构施工过程，施工过程中土体不排出进而模拟隧道掌子面的土压平衡。减速电机为220v交流减速电机，额定功率为90w，电流为0.6a，可正反转，转速范围为10～500转，转速可通过刹车装置直接调节。电动伸缩杆装置3包括电机马达12，电机马达12的转动通过齿轮间14带动轴承，推动螺纹丝杆17使得伸缩杆18实现伸缩运动。电动伸缩杆装置3为直流电动伸缩推杆，额定电压为24v，伸缩行程为60cm，可提供最大推力为1000n，伸缩速度为12mm/s，其中推力可调节。
29.复合地基模型箱测试系统2包括模型箱箱体26，模型箱箱体26顶部设置有横梁27，横梁27上固定有百分表21，模型箱箱体26内由上到下依次设置有测量杆22、褥垫层23、微型群桩24和土体相似材料25。土体相似材料25、微型群桩24、褥垫层23等材料通过现场材料的性能测试后进行相似参数变换再进行材料选择与配置，百分表测试系统固定于横梁27上，分别在土体与复合地基表面布置，设置7个或9个百分表，监测盾构施工过程中地表沉降槽的分布情况，着重考虑盾构施工参数对其影响情况。管片5、土体相似材料25、微型群桩24、褥垫层23采用相似变换进行模量等参数的调节，管片5为聚乙烯塑料管或者钢管，土体相似材料25采用石膏、石英砂、膨润土等材料配出，微型群桩24采用水泥与土配土，褥垫层23为细砂。
30.实施例：
31.如图1所示，土压平衡式盾构下穿复合地基的相似模型试验装置包括：土压平衡式盾构推进系统1、复合地基模型箱测试系统2。
32.如图1所示，土压平衡式盾构推进系统1由电动伸缩杆装置3、减速电机4、管片5、传力杆6、支架7、刀盘8、上滑动板9、下滑动板10、试验台11组成，其中减速电机4、刀盘8通过传力杆6连接，减速电机4，管片5固定于上滑动板9，电动伸缩杆装置3与支架7都固定于下滑动板10，上下滑动板之间涂抹润滑油。
33.如图2所示，电动伸缩杆装置3由电机马达12、适配器13、齿轮14、离合器15、制动器16、螺丝杆17、伸缩杆18、前接头19、电线20。此装置利用电机马达12的转动通过齿轮间14的合作，带动轴承，推动螺纹丝杆17使得伸缩杆18实现伸缩运动。适配器13用于直流电与交流电转换，离合器15用于传递与切断电动马达动力，制动器16用于减速与停止电动马达转动。
34.如图1和3所示，复合地基模型箱测试系统2由百分表21、测量杆22、褥垫层23、微型群桩24、土体相似材料25、模型箱26横梁27组成，褥垫层23、微型群桩24、土体相似材料25等材料通过现场材料的性能测试后进行相似参数变换再进行材料选择与配置，褥垫层23为细砂，微型群桩24采用水泥与土等材料配土，土体相似材料25采用石膏、石英砂、膨润土等材料配出。百分表21固定于横梁27上，一排百分表为7个或者9个，主要监测地表沉降槽变化以及最大沉降量。
35.如图3所示，百分表监测装置主要由表盘29、表针30、测量杆22、测量头31组成。此装置利用齿条齿轮或杠杆齿轮传动,将测量杆22的直线位移变为表针30的角位移，来监测
土压平衡式盾构推进系统1开挖复合地基模型箱测试系统2下面的隧道段28过程中，地表沉降槽变化及最大沉降量。
36.如图1所示，土压平衡式盾构推进系统1主要通过电动伸缩杆装置3与减速电机4调节盾构施工参数，电动伸缩杆装置3可以调节推力进而控制刀盘隧道掌子面推力，减速电机4可以调节转速进而控制盾构机刀盘转速，通过二者连接模拟盾构施工过程，施工过程中土体不排出进而模拟隧道掌子面的土压平衡。其中，刀盘8为采用焊接刀片组成，主要考虑土体切削刀片。传力杆6采用螺栓将刀盘8与减速电机4串联，管片5为聚乙烯塑料管或者钢管。
37.如图2所示，电动伸缩杆装置3为直流电动伸缩推杆，伸缩行程、推力、伸缩速度可调节。
38.如图1和图3所示，所述百分表21分别在土体与复合地基表面布置，设置7个或9个百分表，监测盾构施工过程中地表沉降槽的分布情况，着重考虑盾构施工参数对其影响情况。
39.如图1所示，所述滑动板分为上下两层，层间涂抹润滑油以减小推进过程中的阻力，上滑动板9固定减速电机4、管片5，下滑动板10固定电动伸缩杆装置3与支架7。其中管片5可以在推进方向上进行滑动，由电动伸缩杆装置3推动减速电机4使得管片5向前推进。
40.实际工作时，首先将模型箱及盾构设备置于指定位置，开动减速电机4，调节转速，开动电动伸缩杆3，调节百分表21与测量杆22至初始归零状态，当刀盘8进入模型箱后，开始读数并记录，每掘进1cm读数一次，当刀盘8行程超过模型箱厚度一半后，降低刀盘转速直至停机，最后整理与分析监测数据，绘制地表沉降槽曲线与测点变形时程曲线。
41.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。