一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括模型箱(1)、盾構機、進泥組件、出泥組件、泥水箱(35)、收集箱(33)、取樣箱(38)及液壓動力裝置，模型箱(1)的側面設有一開口，與盾構機的前部相接通，盾構機通過進泥組件和出泥組件分別與泥水箱(35)、收集箱(33)相連通，泥水箱(35)與收集箱(33)之間設有連通管(42)，盾構機與進泥組件、出泥組件、泥水箱(35)和收集箱(33)共同構成泥水循環(huán)系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明結構簡單，采用有機玻璃材質，能全方位展示泥水盾構試驗過程，既具備模擬泥水盾構機非掘進狀態(tài)下開挖面穩(wěn)定試驗的功能，又具備模擬泥水盾構機掘進開挖隧道的功能。
【專利說明】一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程測試【技術領域】，涉及一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]我國地下空間開發(fā)規(guī)模日益增加，對地下工程專業(yè)人員的需要也越來越大，這對專業(yè)人員的教學培訓提出了更高的要求，泥水平衡盾構是盾構隧道開挖的主要方式之一，在我國地下空間開發(fā)中大量使用，但其制造復雜、昂貴而且施工現(xiàn)場危險性高，學生難有機會實際接觸體驗，同時教程講解較為抽象、理解難度大，教學效果差。教學演示泥水盾構試驗機可使學生對泥水盾構機的工作原理、運行程序、隧道開挖過程有一個直觀深入的觀察，為以后在工程施工中實際操作使用泥水盾構機打下堅實的基礎。
[0003]此外，泥水盾構機開挖隧道過程中也存在各種復雜工程問題和科學理論問題需研究解決，如提高開挖面支護壓力的控制精度，以便在易發(fā)生流砂的地層中能更好的穩(wěn)定開挖面；如何減少對開挖面周邊土體的干擾，高精度的地面沉降量的控制；如何在快速施工條件下，減小刀具、刀盤磨損和刀盤所受扭矩，使其更適用于易于長距離大直徑隧道盾構施工。模型試驗是解決復雜工程問題和研究科學理論問題必不可少的手段，而具有一臺能合理模擬泥水盾構開挖的設備是試驗成功的關鍵。盡管已有泥水模型盾構機見諸報導，但其不能完全模擬泥水盾構機工作原理，而較為笨重，體積大，制造和試驗費用高昂，難以廣泛的運用其模擬復雜的隧道盾構法施工工況。
[0004]申請?zhí)枮?01110047669.2的中國發(fā)明專利公布了一種泥水平衡式盾構模擬試驗系統(tǒng)，其組成是:放置土體的模型箱固定于底座上，制冷凍結裝置與模型箱內的凍結管連通；盾構機的前部經(jīng)過模型箱側面上的導向套進入模型箱，盾構機前部的刀盤通過主軸與液壓動力系統(tǒng)的齒輪箱的輸出軸相連；位于盾構機左右兩側的千斤頂，連接于模型箱和齒輪箱之間；盾構機的刀盤后方的隔板與刀盤之間的空間構成泥水艙；與氣壓加壓裝置相連的泥水罐的注漿管在盾構機機殼的尾部穿入盾構機內部。該系統(tǒng)雖然可以模擬高水壓的水下隧道施工中采用泥水盾構機的掘進過程，并同步記錄土壓、水壓、位移和盾構機的掘進參數(shù)，但仍存在不足之處，例如，該系統(tǒng)中的泥水艙空間尺寸為固定值，不能進行尺寸調節(jié)，這就難以模擬研究泥水艙的大小對開挖面穩(wěn)定性的影響；該系統(tǒng)裝置中沒有設置開挖面擋板，不具備模擬泥水盾構機非掘進狀態(tài)下開挖面穩(wěn)定試驗的功能，而且整個裝置采用一般不透明型材，這樣不利于直觀展示泥水盾構的掘進過程。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括模型箱、盾構機、進泥組件、出泥組件、泥水箱、收集箱、取樣箱及液壓動力裝置，所述的模型箱中放置有模型土，模型箱的側面設有一開口，與盾構機的前部接通，所述的盾構機通過進泥組件和出泥組件分別與泥水箱、收集箱連通，所述的泥水箱與收集箱之間設有連通管，盾構機與進泥組件、出泥組件、泥水箱和收集箱共同構成泥水循環(huán)系統(tǒng)，所述的盾構機底部還設有出樣口，該出樣口通過管道連接至取樣箱。
[0007]所述的盾構機包括開挖面掘進組件、開挖面擋板、泥水艙、活塞擋板圈、橡膠止水圈、調節(jié)活塞、調節(jié)活塞軸、壓力表及觀察進料孔，所述的開挖面擋板設置在模型箱側面的開口處，所述的開挖面擋板與調節(jié)活塞之間構成泥水艙，所述的調節(jié)活塞兩側設有限制其行程的活塞擋板圈和橡膠止水圈；所述的調節(jié)活塞軸一端連接調節(jié)活塞，另一端穿過盾構機尾部連接至液壓動力裝置，所述的泥水艙上設有壓力表和觀察進料孔。
[0008]所述的開挖面掘進組件包括刀盤、刀盤支撐架、刀盤旋轉軸及水下變頻電動機，所述刀盤旋轉軸的一端與水下變頻電動機連接，另一端穿過刀盤支撐架的軸孔與刀盤連接，所述刀盤支撐架上還設有至少一對進渣孔。
[0009]所述的活塞擋板圈和橡膠止水圈分別相向設置在盾構機內腔的上下兩側，所述的活塞擋板圈和橡膠止水圈各為一對，所述的調節(jié)活塞在兩活塞擋板圈之間作水平移動。其中兩活塞擋板圈之間的距離可根據(jù)具體試驗條件進行調整。
[0010]所述的進泥組件包括泥水艙進泥管、進泥軟管、進泥管接頭、進泥主管，所述的泥水艙進泥管設置在調節(jié)活塞上，并通過進泥軟管從盾構機側壁上的進泥管接頭引出連接進泥主管，所述的進泥主管與設置在泥水箱中的潛水泵相連接，所述的進泥主管上還設有流量調節(jié)閥、流量計，所述的泥水艙進泥管的末端設有細紗網(wǎng)，以防止泥漿從進泥管出口快速流出沖刷開挖面土體。
[0011 ] 所述的出泥組件包括泥水艙出泥口、出泥軟管、出泥管接頭及出泥主管，所述的泥水艙出泥口設置在調節(jié)活塞上，并通過出泥軟管從盾構機側壁上的出泥管接頭引出連接出泥主管，所述的出泥主管連接至收集箱中濾渣網(wǎng)的下部，并在出泥主管上設有流量調節(jié)閥和流量計。
[0012]所述的出泥主管還設有出泥支管，該出泥支管的一端與出泥主管相連通，另一端通過水泵連接至收集箱中濾渣網(wǎng)的下部。
[0013]所述的出樣口設置在泥水艙底部，并通過軟管連接取樣桶，該取樣桶側壁設有取樣口。
[0014]所述的盾構機的制作材質為有機玻璃。
[0015]所述的開挖面擋板開挖面擋板上可以對稱設有開孔，用以研究開孔率對開挖面穩(wěn)定性的影響，開挖面擋板用于模擬盾構非掘進狀態(tài)下開挖面的穩(wěn)定性，試驗開始前開挖面擋板與模型箱面板齊平。(開挖面擋板與刀盤不同時使用，刀盤和刀盤支撐件用于模擬盾構掘進狀態(tài)的模擬)
[0016]試驗過程中，在模型箱填土時，通過觀察進料孔向泥水艙中同步添加易溶于水的固體顆粒(如食鹽、冰糖、固體酒精等)，以保持開挖面擋板在此過程中的靜止；也可以在此過程中，在泥水艙中安裝傳感器，以檢測泥漿在泥水盾構模型機工作過程中的狀態(tài)變化。模型箱填土完成后，泥漿在潛水泵的作用下通過透明進泥主管、進泥管接頭、進泥軟管及進泥管進入泥水艙，同時在進泥管末端處設置細紗網(wǎng)，以防止泥漿從進泥管出口處快速流出沖刷開挖面土體；泥漿將固體顆?？焖偃芙猓罱K開挖面擋板由泥漿壓力支撐，開挖面土體溶于泥漿后，經(jīng)過出泥軟管、出泥管接頭及出泥主管流入泥水收集箱底部，大顆粒土體被濾渣網(wǎng)阻隔沉積于泥水收集箱底部，其余泥漿經(jīng)聯(lián)通管道進入泥水箱，并開始下一個泥水循環(huán)；進出泥管流量可以以通過流量計記錄，而且可以通過流量調節(jié)閥和水泵共同控制其流量大小，進出泥管中泥漿壓力通過壓力表讀取；泥水艙中泥漿壓力通過設置在泥水艙上下部的壓力表讀?。煌ㄟ^調節(jié)泥水艙中調節(jié)活塞的位置可以調節(jié)泥水艙大小，以研究其對開挖面穩(wěn)定的影響；開挖面掘進組件可以用來模擬刀盤在泥水壓力作用下對開挖面土體的動態(tài)切削過程；泥水艙中泥漿經(jīng)軟管可進入取樣箱，可以實時取樣并檢測泥水盾構模型機工作過程中泥漿狀態(tài)的變化。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下特點:
[0018]1.采用高強度透明有機玻璃和透明硬塑料軟管制作，在試驗中可以清晰的觀察到泥水盾構模型機內部的工作狀態(tài)；
[0019]2.采用一種新的可以保證開挖面土體在試驗前靜止不動，而且不影響后續(xù)泥水盾構機開挖試驗的填土方法；
[0020]3.試驗過程中，泥水艙的尺寸大小可以進行調節(jié)；
[0021]4.具有泥漿實時取樣功能；
[0022]5.不僅具備了模擬泥水盾構機非掘進狀態(tài)下開挖面穩(wěn)定試驗的功能，也具備了模擬泥水盾構機掘進開挖隧道的功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)裝置示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)開挖面擋板平面圖；
[0025]圖3為本發(fā)明一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)開挖面掘進部件圖；
[0026]圖中標記說明:
[0027]1-模型箱、2-模型土、3-透明防水橡膠墊圈a、4_法蘭盤e、5_開挖面擋板、6_螺栓、7-壓力表、8-壓力表接頭、9-觀察進料孔、10-閥門、11-活塞檔板圈、12-透明橡膠止水圈、13-細紗網(wǎng)、14-出泥口、15-調節(jié)活塞、16-橡膠密封圈、17-進泥管、18-進泥軟管、19-出泥軟管、20-調節(jié)活塞軸、21-進泥管接頭、22-出泥管接頭、23-泄水孔、24-透明防水橡膠墊圈b、25-法蘭盤f、26-防水橡膠墊圈C、27-流量計、28-流量調節(jié)閥、29-進泥主管、30-出泥主管、31-出泥支管、32-水泵、33-泥水收集箱、34-潛水泵、35-泥水箱、36-出樣口、37-軟管、38-取樣桶、39-防水橡膠墊圈d、40-取樣口、41_濾渣網(wǎng)、42-連通管、43-開孔、44-刀盤、16-橡膠密封圈、45-刀盤支撐架、46-進渣孔、47-刀盤旋轉軸、48-水下變頻電動機。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0029]實施例
[0030]如圖1?3所不,一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)包括模型箱1、盾構機、進泥組件、出泥組件、泥水箱35、收集箱33、取樣箱38及液壓動力裝置，模型箱I中放置有模型土 2，模型箱I的側面設有一開口，與盾構機的前部相接通；盾構機通過法蘭盤e4和螺栓6固定在模型箱I的側面上，法蘭盤e4和模型箱I之間還設有透明防水橡膠墊圈a3 ；盾構機通過進泥組件和出泥組件分別與泥水箱35、收集箱33相連通，泥水箱35與收集箱33之間設有連通管42，盾構機與進泥組件、出泥組件、泥水箱35和收集箱33共同構成泥水循環(huán)系統(tǒng)，盾構機底部還設有出樣口 36，并通過軟管37連接至取樣箱38，該取樣箱38底部設有取樣口 40，頂部封口處邊緣還設有防水橡膠墊圈d39。
[0031]本實施例中，盾構機的制作材質為有機玻璃，盾構機包括開挖面掘進組件、開挖面擋板5、泥水艙、活塞擋板圈11、橡膠止水圈12、調節(jié)活塞15、調節(jié)活塞軸20、壓力表7及觀察進料孔9，所述的開挖面擋板5設置在模型箱I側面的開口處，所述的開挖面擋板5與調節(jié)活塞15之間構成泥水艙，所述的調節(jié)活塞15兩側設有限制其行程的活塞擋板圈11和橡膠止水圈12，活塞擋板圈11和橡膠止水圈12分別相向設置在盾構機內腔的上下兩側，活塞擋板圈11和橡膠止水圈12各為一對。調節(jié)活塞15在兩活塞擋板圈11之間作水平移動。所述盾構機的尾部通過法蘭盤f25和螺栓6與設有軸孔的半圓外罩相連接，調節(jié)活塞軸20穿過半圓外罩的軸孔連接至液壓動力裝置，所述法蘭盤f25處設有透明防水橡膠墊圈b24，調節(jié)活塞軸20和半圓外罩軸孔連接處還設有防水橡膠墊圈c26 ;盾構機的尾部下側面還設有泄水孔23，用于試驗時盾構機內部多余水的排出；所述的壓力表7為一對，分別通過壓力表接頭8對稱安裝在泥水艙的上下兩側，觀察進料孔9設置在泥水艙的上側，觀察進料孔9也可以作為進料孔用于進料，觀察進料孔9下側設有閥門10。
[0032]開挖面掘進組件包括刀盤44、刀盤支撐架45、刀盤旋轉軸47及水下變頻電動機48，所述的開挖面擋板5上對稱設有四個開孔43，周圍設有橡膠密封圈16 ;刀盤旋轉軸47的一端與水下變頻電動機48連接，另一端穿過刀盤支撐架45的軸孔與刀盤44連接，所述刀盤支撐架45上還對稱設有兩對進渣孔46。
[0033]所述的進泥組件包括泥水艙進泥管17、進泥軟管18、進泥管接頭21、進泥主管29，所述的泥水艙進泥管17設置在調節(jié)活塞15上，并通過進泥軟管18從盾構機側壁上的進泥管接頭21引出連接進泥主管29，所述的進泥主管29與設置在泥水箱35中的潛水泵34相連接，所述的進泥主管29上還設有流量調節(jié)閥28、流量計27，所述的泥水艙進泥管17的末端設有細紗網(wǎng)13。
[0034]所述的出泥組件包括泥水艙出泥口 14、出泥軟管19、出泥管接頭22及出泥主管30，所述的泥水艙出泥口 14設置在調節(jié)活塞15上，并通過出泥軟管19從盾構機側壁上的出泥管接頭22引出連接出泥主管30，所述的出泥主管30連接至收集箱33中濾渣網(wǎng)41的下部，并在出泥主管30上設有流量調節(jié)閥和流量計。泥水艙出泥口 14也設有細紗網(wǎng)13 ；所述的出泥主管30還設有出泥支管31，該出泥支管31的一端與出泥主管30相連通，另一端依次通過流量調節(jié)閥、水泵32連接至收集箱33中濾渣網(wǎng)41的下部。
[0035]試驗過程中，在模型箱I填土時，通過觀察進料孔9向泥水艙中同步添加易溶于水的固體顆粒(如食鹽、冰糖、固體酒精等)，以保持開挖面擋板5在此過程中的靜止；也可以在此過程中，在泥水艙中安裝傳感器，以檢測泥漿在泥水盾構模型機工作過程中的狀態(tài)變化。模型箱I填土完成后，泥漿在潛水泵34的作用下通過透明進泥主管29、進泥管接頭21、進泥軟管18及進泥管17進入泥水艙，同時在進泥管17末端處設置細紗網(wǎng)13，以防止泥漿從進泥管17出口處快速流出沖刷開挖面土體；泥漿將固體顆?？焖偃芙?，最終開挖面擋板5由泥漿壓力支撐，開挖面土體溶于泥漿后，經(jīng)過出泥軟管19、出泥管接頭22及出泥主管30流入泥水收集箱33底部，大顆粒土體被濾渣網(wǎng)41阻隔沉積于泥水收集箱33底部，其余泥漿經(jīng)聯(lián)通管42道進入泥水箱35，并開始下一個泥水循環(huán)；進出泥管流量可以以通過流量計27記錄，而且可以通過流量調節(jié)閥28和水泵32共同控制其流量大小，進出泥管中泥漿壓力通過壓力表7讀??；泥水艙中泥漿壓力通過設置在泥水艙上下部的壓力表7讀??；通過調節(jié)泥水艙中調節(jié)活塞15的位置可以調節(jié)泥水艙大小，以研究其對開挖面穩(wěn)定的影響；開挖面掘進組件可以用來模擬刀盤在泥水壓力作用下對開挖面土體的動態(tài)切削過程；泥水艙中泥漿經(jīng)軟管37可進入取樣箱38，可以實時取樣并檢測泥水盾構模型機工作過程中泥漿狀態(tài)的變化。
[0036]本實施例中設計的開挖面擋板5設有開孔43，可以進行非掘進狀態(tài)下開挖面穩(wěn)定試驗，而且還可以在后續(xù)的試驗中更換設有不同開孔43數(shù)量的開挖面擋板5，用以研究開孔率對開挖面穩(wěn)定的影響。
【權利要求】
1.一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)包括模型箱(1)、盾構機、進泥組件、出泥組件、泥水箱(35)、收集箱(33)、取樣箱(38)及液壓動力裝置，所述的模型箱(1)中放置有模型土(2)，模型箱(1)的側面設有一開口，與盾構機的前部接通，所述的盾構機通過進泥組件和出泥組件分別與泥水箱(35)、收集箱(33)連通，所述的泥水箱(35)與收集箱(33)之間設有連通管(42)，盾構機與進泥組件、出泥組件、泥水箱(35)和收集箱(33)共同構成泥水循環(huán)系統(tǒng)，所述的盾構機底部還設有出樣口(36)，該出樣口(36)通過管道連接至取樣箱(38)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的盾構機包括開挖面掘進組件、開挖面擋板(5)、泥水艙、活塞擋板圈(11)、橡膠止水圈(12)、調節(jié)活塞(15)、調節(jié)活塞軸(20)、壓力表(7)及觀察進料孔(9)，所述的開挖面擋板(5)設置在模型箱(1)側面的開口處，所述的開挖面擋板(5)與調節(jié)活塞(15)之間構成泥水艙，所述的調節(jié)活塞(15)兩側設有限制其行程的活塞擋板圈(11)和橡膠止水圈(12);所述的調節(jié)活塞軸(20) —端連接調節(jié)活塞(15)，另一端穿過盾構機尾部連接至液壓動力裝置，所述的泥水艙上設有壓力表(7)和觀察進料孔(9)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的開挖面掘進組件包括刀盤(44)、刀盤支撐架(45)、刀盤旋轉軸(47)及水下變頻電動機(48)，所述刀盤旋轉軸 (47)的一端與水下變頻電動機(48)連接，另一端穿過刀盤支撐架(45)的軸孔與刀盤(44)連接，所述刀盤支撐架(45)上還設有至少一對進渣孔(46)。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的活塞擋板圈(11)和橡膠止水圈(12)分別相向設置在盾構機內腔的上下兩側，所述的活塞擋板圈(11)和橡膠止水圈(12)各為一對，所述的調節(jié)活塞(15)在兩活塞擋板圈(11)之間作水平移動。
5.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的進泥組件包括泥水艙進泥管(17)、進泥軟管(18)、進泥管接頭(21)、進泥主管(29)，所述的泥水艙進泥管(17)設置在調節(jié)活塞(15)上，并通過進泥軟管(18)從盾構機側壁上的進泥管接頭(21)引出連接進泥主管(29)，所述的進泥主管(29)與設置在泥水箱(35)中的潛水泵(34)相連接，所述的進泥主管(29)上還設有流量調節(jié)閥(28)、流量計(27)，所述的泥水艙進泥管(17)的末端設有細紗網(wǎng)(13)。
6.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的出泥組件包括泥水艙出泥口(14)、出泥軟管(19)、出泥管接頭(22)及出泥主管(30)，所述的泥水艙出泥口(14)設置在調節(jié)活塞(15)上，并通過出泥軟管(19)從盾構機側壁上的出泥管接頭(22)引出連接出泥主管(30)，所述的出泥主管(30)連接至收集箱(33)中濾渣網(wǎng)(41)的下部，并在出泥主管(30)上設有流量調節(jié)閥和流量計。
7.根據(jù)權利要求7所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的出泥主管(30)還設有出泥支管(31)，該出泥支管(31)的一端與出泥主管(30)相連通，另一端通過水泵(32)連接至收集箱(33)中濾渣網(wǎng)(41)的下部。
8.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的出樣口(36)設置在泥水艙底部，并通過軟管(37)連接取樣桶(38)，該取樣桶(38)側壁設有取樣口(40)。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種多功能教學泥水盾構試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的盾構機的 制作材質為有機玻璃。
【文檔編號】G01M99/00GK104034550SQ201410290063
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】廖少明, 武軍, 霍曉波, 門燕青, 劉紹彬, 高東奇, 徐意智, 劉孟波 申請人:同濟大學