一种泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置的制作方法

1.本发明涉及土木工程的隧道工程泥水盾构技术领域，尤其涉及一种泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置。


背景技术：

2.地下隧道施工时，不可避免的会遇到岩溶问题。在采用泥水盾构方式施工时，当遭遇岩溶时，会导致前方泥浆漏失，从而引起掌子面的失稳；同时岩溶会造成盾构机沉降和盾构姿态控制难，风险十分高。对溶洞进行及时的探测以及处理，可以有效的避免这样的情况发生。
3.对于岩溶探测手段进行了大量的研究，其中大多数是物探手段，且基本都是地面探测方式；对于无法进行地面探测的区域，目前开挖大多数是依靠经验，洞内探测手段较少，相应的模型试验较少。如何在没有地面物探的情况下，保证盾构机在岩溶区的安全施工，是当前亟待需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置，装置可以模拟岩溶探测方式，对溶洞进行及时的探测以及处理，保证盾构机在岩溶区的安全施工。
5.泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置包括：模型试验箱；
6.所述模型试验箱设有箱体，箱体上端盖设有箱盖，箱体内部设有承压板和模拟地层，承压板下部与模拟地层顶部相接触；
7.模拟地层内部设有模型溶洞；
8.箱体第一侧部开有通孔，通孔位置与模型溶洞位置相匹配；
9.通孔处安装有盾构推进装置，盾构推进装置从通孔伸入到箱体内；
10.箱盖与承压板之间安装有空气加压装置；
11.模型溶洞连接有测量装置，测量装置用于根据盾构推力、扭矩以及推进距离的变化，来预测盾构推进装置前方溶洞的位置。
12.进一步需要说明的是，盾构推进装置包括：外筒，外筒穿过通孔，安装在箱体内；
13.外筒内部设有推进杆，推进杆的一端设有刀盘，刀盘伸至外筒的端部；
14.推进杆的另一端伸出至箱体外部，且连接有驱动刀盘运转的电动机；
15.外筒采用钢制材料制作。
16.推进杆上安装有速度传感器，速度传感器用于检测推进杆的速度；
17.刀盘的转轴位置设有转速传感器，转速传感器用于检测刀盘的转速。
18.进一步需要说明的是，外筒内部设有多根支撑架；
19.支撑架的两端顶持在外筒的内壁上，支撑架与外筒的内壁通过焊接方式连接；
20.推进杆采用钢制材料制作，推进杆长度与箱体长度一致。
21.进一步需要说明的是，所述空气加压装置包括：扭盘螺纹扭杆和托盘；
22.托盘固设到承压板上；托盘和箱盖上分别设有与扭盘螺纹扭杆相适配的螺纹孔；
23.扭盘螺纹扭杆与箱盖通过螺纹孔连接，扭盘螺纹扭杆与托盘通过螺纹孔连接，旋转扭盘螺纹扭杆对承压板加压，使承压板对模拟地层压实。
24.进一步需要说明的是，所述空气加压装置包括：空气压缩机；
25.空气压缩机的输出端连接有空气管路，空气管路的一端伸入至箱盖和承压板之间；空气管路上安装有阀门、稳压器以及用于感应空气气压值的压力传感器。
26.进一步需要说明的是，测量装置包括：计算机、应力应变孔压计、测线以及测量杆；
27.测量杆设置到模型溶洞内；测量杆通过测线与应力应变孔压计连接；
28.应力应变孔压计获取模型溶洞的水土压力值，并将压力值传输给计算机，计算机实现模拟数据监测。
29.计算机分别与速度传感器和转速传感器连接，获取推进杆的转速以及刀盘的转速；计算机还获取盾构推进装置的推进距离。
30.进一步需要说明的是，计算机通过下述公式得到力、扭矩与功率的关系：
31.p(t)＝f(t)
×
v(t)
[0032][0033]
通过测量速度与转速值，推导出盾构推进时，推力f与扭矩t的变化值，建立推力f与时间t、扭矩t与时间t的变化关系；
[0034]
通过对速度v和时间t进行积分，得到位移x和时间t的关系，得到推力f与位移x，扭矩t与位移x的相关关系；
[0035]
改变溶洞与刀盘初始位置的距离，得出多组推力f与位移x，扭矩t与位移x的相关关系；
[0036]
根据盾构推力、扭矩以及推进距离的变化，来预测盾构推进装置前方溶洞的位置。
[0037]
进一步需要说明的是，箱盖上贴付有密封盖；
[0038]
密封盖和箱盖分别开设有螺纹孔；
[0039]
箱体的第二侧部和底部均为封闭结构；
[0040]
箱体采用透明材料制作，密封盖采用橡胶板制作；
[0041]
承压板上均匀分布有多个孔洞；
[0042]
模型溶洞通过模具浇筑而成，模型溶洞的材料包括：石膏或石灰石。
[0043]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0044]
本发明提供的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置中，可以模拟盾构隧道开挖，还可以模拟出模型溶洞以及模拟地下水压影响，并通过改变溶洞性质参数，研究盾构参数的变化规律。本发明通过建立相应的推力f与时间t、扭矩t与时间t的变化关系；通过对速度v—时间t进行积分，可以得到位移x—时间t关系，从而可以推求推力f与位移x、扭矩t与位移x的相关关系。改变溶洞与刀盘初始位置的距离，可以得出多组推力f与位移x、扭矩t与位移x的相关关系。根据盾构推力、扭矩以及推进距离的变化，来预测盾构推进装置前方溶洞的位置，从而达到对泥水盾构开挖区溶洞位置的确定，保证盾构机在岩溶区的安全施工。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为泥水盾构开挖溶洞位置确定方法的装置示意图。
[0047]
图2为本发明的扭转加压装置结构示意图。
[0048]
图3为本发明的空气加压装置结构示意图。
[0049]
图4为本发明的盾构推进装置结构示意图。
[0050]
图5为本发明的模型试验箱结构示意图。
[0051]
图中：1-应力应变孔压计，2-测线，3-扭盘螺纹扭杆，4-托盘，5-测量杆，6-压力传感器，7-稳压器，8-阀门，9-空气压缩机，10-密封板，11-箱盖，12-承压板，13-箱体，14-模型溶洞，15-转速传感器，16-刀盘，17-支撑架，18-外筒，19-推进杆，20-速度传感器，21-电动机，22-模拟地层。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
本发明提供的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置在称某一元件或层在另一元件或层“上”，被“连接”或“耦合”至另一元件或层时，其可能直接在另一元件或层上，被直接连接或耦合至所述另一元件或层，也可能存在中间元件或层。相反，在称某一元件被“直接在”另一元件或层“上”，“直接连接”或“直接耦合”至另一元件或层时，则不存在中间元件或层。所有附图中类似的数字指示类似元件。如这里所用的，术语“和/或”包括相关所列项的一个或多个的任何和所有组合。
[0054]
本发明提供的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置可能会使用便于描述的空间相对性术语，例如“在
…
下”、“下方”、“下部”、“以上”、“上方”等来描述如图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。应当理解，空间相对性术语意在包括图中所示取向之外的使用或工作中的器件不同取向。例如，如果将图中的器件翻转过来，被描述为在其他元件或特征“下”或“下方”的元件将会朝向其他元件或特征的“上方”。于是，示范性术语“下方”可以包括上方和下方两种取向。可以使器件采取其他取向(旋转90度或其他取向)，这里所用的空间相对术语作相应解释。
[0055]
本发明提供的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置所采用的术语仅做描述具体实施例的用途，并非意在限制本文件内的表述。如这里所用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还要理解的是，当用于本说明书时，术语“包括”指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。
[0056]
如图1至5所示，本发明提供的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置具体包括：模型试验箱；
[0057]
模型试验箱设有箱体13，箱体13上端盖设有箱盖11，箱体13内部设有承压板12和模拟地层22，承压板12下部与模拟地层22顶部相接触；箱盖11上贴付有密封盖10；密封盖10和箱盖11分别开设有螺纹孔；箱体13的侧部和底部均为封闭结构，将模拟地层22称装到箱体内部。模拟地层22内部设有模型溶洞14；模型溶洞14可以设置在模拟地层22的任意位置，具体位置可以根据试验需要进行设置。模型溶洞14通过模具浇筑而成，模型溶洞的材料包括：石膏或石灰石。
[0058]
箱体13采用透明材料制作，便于对箱体内部情况进行观测。密封盖10采用橡胶板制作；承压板12上均匀分布有多个孔洞，提高承压力。
[0059]
箱体13第一侧部开有通孔，通孔位置与模型溶洞14位置相匹配；通孔处安装有盾构推进装置，盾构推进装置从通孔伸入到箱体13内；箱盖11与承压板12之间安装有空气加压装置；模型溶洞14连接有测量装置，测量装置用于根据盾构推力、扭矩以及推进距离的变化，来预测盾构推进装置前方溶洞的位置。
[0060]
对于本发明提供的盾构推进装置来说，盾构推进装置包括：外筒18，外筒18穿过通孔，安装在箱体13内；外筒18内部设有推进杆19，推进杆19的一端设有刀盘15，刀盘15伸至外筒18的端部；推进杆19的另一端伸出至箱体13外部，且连接有驱动刀盘15运转的电动机21；电动机21可以驱动推进杆19旋转进而带动刀盘15旋转，向前掘进模拟地层22。本发明中的外筒18采用钢制材料制作，起到支撑作用。
[0061]
为了能够获取到推进杆19的转速以及刀盘15的扭矩，在推进杆19上安装有速度传感器20，速度传感器20用于检测推进杆19的速度；刀盘15的转轴位置设有转速传感器16，转速传感器16用于检测刀盘15的转速。
[0062]
为了保证外筒的坚固，外筒18内部设有多根支撑架17；支撑架17的两端顶持在外筒18的内壁上，支撑架17与外筒18的内壁通过焊接方式连接；推进杆19采用钢制材料制作，推进杆19长度与箱体13长度一致。
[0063]
本发明中为了能够增加模拟地层22的压力，可以模拟真实深层次地层的压力，所述空气加压装置包括：扭盘螺纹扭杆3和托盘4；托盘4固设到承压板12上；托盘4和箱盖11上分别设有与扭盘螺纹扭杆3相适配的螺纹孔；扭盘螺纹扭杆3与箱盖11通过螺纹孔连接，扭盘螺纹扭杆3与托盘4通过螺纹孔连接，旋转扭盘螺纹扭杆3对承压板12加压，使承压板12对模拟地层22压实，保证掘进时，地层具有一定的压力。
[0064]
进一步的讲，本发明中所述空气加压装置包括：空气压缩机9；空气压缩机9的输出端连接有空气管路，空气管路的一端伸入至箱盖11和承压板12之间；空气管路上安装有阀门8、稳压器7以及用于感应空气气压值的压力传感器6。
[0065]
稳压器7可以维持压力在恒定值，阀门8可以控制气体的进出，通过压力传感器6可以获取箱盖11与承压板12之间的气压值。如果气压值低于预设值，可以开启空气压缩机9对箱盖11与承压板12之间进行加压，由于承压板12上均匀分布有多个孔洞，起到了模拟地下水压。通过调节气压来模拟出不同深度地层的地下水压效果。
[0066]
本发明中的测量装置包括：计算机、应力应变孔压计1、测线2以及测量杆5；测量杆5设置到模型溶洞14内；测量杆5通过测线2与应力应变孔压计1连接；应力应变孔压计1获取模型溶洞14的水土压力值，并将压力值传输给计算机，计算机实现模拟数据监测。
[0067]
进一步的讲，计算机分别与速度传感器20和转速传感器16连接，获取推进杆19的
转速以及刀盘15的转速；计算机还获取盾构推进装置的推进距离。
[0068]
对于本发明来讲，空气加压装置可以施加压力，以此模拟地应力影响；安装空气加压装置，施加压力，以此模拟地下水压影响，通过稳压器维持压力。计算机还可以与电动机21连接，控制电动机21运行，使盾构推进装置保持恒定功率向前推进，模拟盾构隧道开挖。本发明可以通过卷尺测量盾构推进距离，根据推进过程中速度传感器与转速传感器的实时监测，可以得到速度v与转速n的瞬时变化值。再通过溶洞参数变化统计盾构参数的变化规律，并建立两者之间的关系。盾构机推进过程中有两个至关重要的参数，一个是千斤顶推力，另一个是刀盘的扭矩，这两个参数的变化都是与地层性质相关联的，地质特征的不同在一定程度上表现在参数的变化上。在物理学中，力、扭矩与功率具有以下关系：
[0069]
p(t)＝f(t)
×
v(t)
[0070][0071]
通过前述测量的速度与转速值，可以推导出盾构推进时，推力f与扭矩t的变化值，进而建立相应的推力f与时间t、扭矩t与时间t的变化关系；通过对速度v—时间t进行积分，可以得到位移x—时间t关系，从而可以推求推力f与位移x、扭矩t与位移x的相关关系。改变溶洞与刀盘初始位置的距离，可以得出多组推力f与位移x、扭矩t与位移x的相关关系。根据盾构推力、扭矩以及推进距离的变化，来预测盾构推进装置前方溶洞的位置。
[0072]
本发明通过改变溶洞性质参数，研究盾构参数的变化规律，并建立两者之间的关系，从而达到对泥水盾构开挖区溶洞位置的确定。本发明的装置是基于相似准则设计的，因此对于实际工程具有一定的参考价值。
[0073]
本发明涉及的计算机可以包括诸如智能电话、笔记本电脑、个人数字助理(pda，personal digital assistant)、平板电脑(pad)等等的移动终端以及诸如数字tv、台式计算机等等的固定终端。计算机可以包括无线通信单元、音频/视频(a/v)输入单元、用户输入单元、感测单元、输出单元、存储器、接口单元、控制器和电源单元等等。但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件。可以替代地实施更多或更少的组件。
[0074]
本发明涉及的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0075]
所属技术领域的技术人员能够理解，本发明涉及的泥水盾构开挖溶洞位置确定的实验模拟装置的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
[0076]
计算机可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、c 等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用
户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0077]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。