本发明涉及一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置及使用方法，包括掘土推进机构、循环机构及注浆机构，掘土推进机构包括电动机、减速器、盾构机壳、主轴及旋管，循环机构包括循环箱、微型水泵、进水管、出泥管及调压管，注浆机构包括注浆箱、浆液罐、微型压缩机、气压管、注浆管及注浆头。与现有技术相比，本发明能模拟泥水平衡盾构机的动态掘土推进、管片拼装、壁后注浆等施工全过程，可为实际盾构隧道施工各参数的设计提供更加准确、真实的实验数据，并保障其实际施工中的安全。
1.一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，该装置包括掘土推进机构、循环机构及注浆机构，其中，
所述的掘土推进机构包括电动机(3)、减速器(2)、盾构机壳(14)、主轴(18)及旋管(16)，所述的电动机(3)与减速器(2)连接，所述的盾构机壳(14)的内部设有隔板(29)，盾构机壳(14)的前端设有刀盘(15)，盾构水舱位于刀盘(15)与隔板(29)之间，叶片(30)内嵌于刀盘(15)之中，所述的主轴(18)的一端穿过减速器(2)，另一端与刀盘(15)连接，所述的旋管(16)套设在主轴(18)上，旋管(16)的一端位于盾构机壳(14)与减速器(2)之间的主轴(18)上，旋管(16)的另一端深入盾构机壳(14)的内部，并与叶片(30)连接；
所述的循环机构包括循环箱(19)、微型水泵(40)、进水管(11)、出泥管(9)及调压管(10)，所述的循环箱(19)内设有过滤网，所述的微型水泵(40)设在循环箱(19)内部的下侧，所述的进水管(11)的一端与微型水泵(40)连接，另一端连入盾构水舱内，所述的出泥管(9)的一端连入循环箱(19)的上侧，另一端连入盾构水舱内，所述的调压管(10)连接在进水管(11)与出泥管(9)之间；
所述的注浆机构包括注浆箱(6)、浆液罐(35)、微型压缩机(34)、气压管(32)、注浆管(7)及注浆头(8)，所述的浆液罐(35)与微型压缩机(34)均设在注浆箱(6)内部，所述的微型压缩机(34)与浆液罐(35)之间通过气压管(32)连接，所述的注浆管(7)的一端位于浆液罐(35)内，另一端伸出注浆箱(6)，并与注浆头(8)连接；
电动机(3)通过主轴(18)带动刀盘(15)旋转，通过旋管(16)调节叶片(30)与刀盘(15)之间的相对位置，进而调节刀盘(15)的开口率，在刀盘(15)掘土推进过程中，微型水泵(40)将过滤网滤出的水通过进水管(11)送入盾构水舱内，在盾构水舱内，刀盘(15)切削下来的土与水混合后通过出泥管(9)流回循环箱(19)，掘土推进到指定深度后，关闭电动机(3)，打开微型压缩机(34)，通过注浆管(7)及注浆头(8)进行注浆。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的电动机(3)与减速器(2)均焊接在第一基座(22)上，该第 一基座(22)通过脚螺旋(4)连接在第二基座(23)上，该第二基座(23)通过转盘(5)连接在注浆箱(6)上，所述的第一基座(22)上设有水准器(21)，所述的转盘(5)上设有用于限制转盘(5)转动角度的第一限位螺栓(24)。
3.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的减速器(2)上端设有瞄准镜(1)，所述的电动机(3)上端设有控制主轴前进、停止与后退的开关档(20)。
4.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的旋管(16)的端部设有用于限制旋管(16)旋转角度的第二限位螺栓(26)及显示旋转角度的刻度盘(25)。
5.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的循环箱(19)上焊接有凸槽(12)，凸槽(12)上设有支撑管(13)，该支撑管(13)的下端设有用于限制支撑管(13)沿凸槽(12)方向移动的第三限位螺栓(28)，支撑管(13)的上端设有万向轮(17)，该万向轮(17)支撑在主轴(18)的下侧，支撑管(13)的中部还设有控制万向轮(17)轴向移动和周向转动的第四限位螺栓(27)。
6.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的盾构水舱靠近刀盘(15)的一端设有用于将刀盘(15)切削的土体与水搅匀的搅拌棒。
7.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的循环箱(19)内设有孔隙逐级变小的三道过滤网，分别为第一过滤网(37)、第二过滤网(38)及第三过滤网(39)。
8.根据权利要求1所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，其特征在于，所述的隔板(29)上设有用以测量盾构水舱内泥水压力的水压力计(31)；
所述的注浆管(7)位于浆液罐(35)中的一端设有过滤器(36)；所述的气压管(32)上设有气压表(33)。
9.一种如权利要求1所述的可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)配置循环机构所需溶液及注浆所需浆液，分别加入循环箱(19)与浆液罐(35)中；
(2)将模型土箱放在盾构机壳(14)前方，调节主轴(18)及盾构机壳(14)的竖直与水平方位，精确固定掘土推进方向；
(3)调节第三限位螺栓(28)与第四限位螺栓(27)，将万向轮(17)固定在刚好能支撑住主轴(18)的位置处；
(4)调节盾构水舱内的泥水压力和浆液罐(35)中的注浆压力；
(5)将电动机(3)上的开关档(20)拨到前进位置，开始试验，待刀盘(15)切割模型土箱中土体到一定深度后，打开微型水泵(40)通过循环机构排土，待整个盾构机壳(14)都掘进到模型土箱中且盾构机壳(14)的尾端距模型土箱一个管片长时，将电动机(3)上的开关档(20)拨到停止位置，开始安装管片，安装好后在管片预留孔处用注浆头(8)开始注浆，待注浆结束后等待5～10分钟，浆液凝结后将电动机(3)的开关档(20)拨到前进位置继续掘进，待掘进长度再次达到一个管片长时，停止掘进，开始安装管片、注浆，如此重复，直到试验结束；
(6)试验结束后，待所有试验数据收集完，将电动机(3)上的开关档(20)拨到后退位置，使主轴(18)及盾构机壳(14)退回到初始位置。
10.根据权利要求9所述的一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置的使用方法，其特征在于，在步骤(5)中，若研究刀盘(15)的开口率对掘进的影响，则通过控制第二限位螺栓(26)，旋转旋管(16)即可调节刀盘(15)的开口率。
可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置及使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种盾构施工的模拟试验装置及其使用方法，尤其是涉及一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置及使用方法。
背景技术
[0002] 随着我国城市地铁建设事业的迅猛发展，盾构隧道穿越软硬不均复杂地层、高层建筑物等情况越来越多，为尽量降低盾构施工中土体扰动对沿线地层、建筑物等的影响，保证施工的安全，就需确保盾构开挖面的稳定。
[0003] 泥水平衡盾构在开挖面的密封隔舱内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，以保证开挖面土体的稳定，但岩土工程问题复杂多变，就泥水平衡盾构开挖面土体稳定性的影响因素还需深入研究，因此，探寻一种可测的泥水平衡盾构的试验装置及其试验方法，通过对其开挖面土体稳定性机理的研究和对其试验数据的分析，为今后泥水平衡盾构的设计和施工提供一定的借鉴，并保障其实际应用的安全可靠非常必要。
[0004] 目前，许多学者采用不同的方法来实现对泥水平衡盾构的试验，例如，李昀(2007)通过设置两个泥浆槽组成泥浆循环系统，配合千斤顶来进行泥水平衡盾构试验；郭信君(2008)试验用的泥水平衡盾构模型是将一台小型土压平衡盾构模型经改造而成，其泥浆循环系统也含两个泥浆槽，从而进行泥水平衡盾构试验；何川等人(2011)通过气压加压装置将泥水灌中的泥水注入盾构水舱，而后将泥液带出到沉渣灌中，从而形成泥水循环系统，再配合液压千斤顶进行泥水平衡盾构试验。
[0005] 以上试验装置均由两个泥浆槽组成的循环系统配合液压千斤顶进行试验，模拟试验过于简单，难以研究刀盘开口率、壁后注浆压力等对泥水平衡盾构机掘进过程的影响。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置及使用方法，该装置可模拟不同影响因素下泥水平衡盾构动态掘进的全过程，从而为实际泥水平衡盾构的设计与施工提供准确的实验数据，并保障其在实际应用中的安全可靠。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] 一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，该装置包括掘土推进机构、循环机构及注浆机构，其中，
[0009] 所述的掘土推进机构包括电动机、减速器、盾构机壳、主轴及旋管，所述的电动机与减速器连接，所述盾构机壳的内部设有隔板，盾构机壳的顶端设有刀盘，盾构水舱位于刀盘与隔板之间，叶片内嵌于刀盘之中，所述的主轴的一端穿过减速器，另一端与刀盘连接，所述的旋管套设在主轴上，旋管的一端位于盾构机壳与减速器之间的主轴上，旋管的另一端深入盾构机壳的内部，并与叶片连接；
[0010] 所述的循环机构包括循环箱、微型水泵、进水管、出泥管及调压管，所述的循环箱内设有过滤网，所述的微型水泵设在循环箱内部的下侧，所述的进水管的一端与微型水泵连接，另一端连入盾构水舱内，所述的出泥管的一端连入循环箱的上侧，另一端连入盾构水舱内，所述的调压管连接在进水管与出泥管之间，通过控制调压管中的流量，可以调节盾构水舱中的泥水压力；
[0011] 所述的注浆机构包括注浆箱、浆液罐、微型压缩机、气压管、注浆管及注浆头，所述的浆液罐与微型压缩机均设在注浆箱内部，所述的微型压缩机与浆液罐之间通过气压管连接，所述的注浆管的一端位于浆液罐内，另一端伸出注浆箱，并与注浆头连接，通过微型压缩机向浆液罐中注压，迫使浆液从浆液灌流到注浆管中，从而形成注浆压力，而注浆量由注浆头来控制；
[0012] 电动机通过主轴带动刀盘旋转，通过旋管调节叶片与刀盘之间的相对位置，进而调节刀盘的开口率，在刀盘掘土推进过程中，微型水泵将过滤网滤出的水通过进水管送入盾构水舱内，在盾构水舱内，刀盘切削下来的土与水混合后通过出泥管流回循环箱，掘土推进到指定深度后，关闭电动机，打开微型压缩机，通过注浆管及注浆头进行注浆。
[0013] 所述的电动机与减速器均焊接在第一基座上，该第一基座通过三个脚螺旋连接在第二基座上，该第二基座通过转盘连接在注浆箱上，所述的第一基座上设有用以判断第一基座是否水平的水准器，所述的转盘上设有用于限制转盘转动角度的第一限位螺栓。通过脚螺旋和转盘可使电动机及减速器实现竖向移动和水平转动。
[0014] 所述的减速器上端设有用来定位掘土推进方向的瞄准镜，所述的电动机上端设有控制主轴前进、停止与后退的开关档。
[0015] 所述的旋管的端部设有用于限制旋管旋转角度的第二限位螺栓及显示旋转角度的刻度盘。
[0016] 所述的循环箱上焊接有凸槽，凸槽上设有支撑管，该支撑管的下端设有用于限制支撑管沿凸槽方向移动的第三限位螺栓，支撑管的上端设有万向轮，该万向轮支撑在主轴的下侧，支撑管的中部还设有控制万向轮轴向移动和周向转动的第四限位螺栓。万向轮对主轴起支撑作用。
[0017] 所述的盾构水舱靠近刀盘的一端设有用于将刀盘切削的土体与水搅匀的搅拌棒。
[0018] 所述的循环箱内设有孔隙逐级变小的三道过滤网，分别为第一过滤网、第二过滤网及第三过滤网。从出泥管流入循环箱的泥水依次经过第一过滤网、第二过滤网及第三过滤网的过滤后通过微型水泵通过进水管再进入盾构水舱中，实现了水的循环利用，以及将切削下的土体带到循环箱中。
[0019] 所述的隔板上设有用以测量盾构水舱内泥水压力的水压力计；
[0020] 所述的注浆管位于浆液罐中的一端设有过滤器；所述的气压管上设有气压表。
[0021] 一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
[0022] (1)配置循环机构所需溶液及注浆所需浆液，分别加入循环箱与浆液灌中；
[0023] (2)将模型土箱放在盾构机壳前方，调节主轴及盾构机壳的竖直与水平方位，精确固定掘土推进方向；
[0024] (3)调节第三限位螺栓与第四限位螺栓，将万向轮固定在刚好能支撑住主轴的位置处；
[0025] (4)调节盾构水舱内的泥水压力和浆液灌中的注浆压力：
[0026] 用合适的填堵物将刀盘的开口堵好后，开启微型水泵将循环箱内的溶液送入盾构水舱，通过观察盾构水舱内水压力计的压力值，并调节调压管中的流量，将盾构水舱中的泥水压力调节到合适的范围后，关闭微型水泵，待盾构水舱中溶液流回循环箱后将刀盘上的填堵物去除，而后将微型压缩机打开，关闭注浆头，调节压缩机气压至注浆所需压力后，关闭微型压缩机；
[0027] (5)将电动机上的开关档拨到前进位置，开始试验，待刀盘切割模型土箱中土体到一定深度后，打开微型水泵通过循环机构排土，待整个盾构机壳都掘进到模型土箱中且盾构机壳的尾端距模型土箱一个管片长时，将电动机上的开关档拨到停止位置，开始安装管片，安装好后在管片预留孔处用注浆头开始注浆，待注浆结束后等待5～10分钟，浆液凝结后将电动机的开关挡拨到前进位置继续掘进，待掘进长度再次达到一个管片长时，停止掘进，开始安装管片、注浆，如此重复，直到试验结束；
[0028] (6)试验结束后，待所有试验数据收集完，将电动机上的开关档拨到后退位置，使主轴及盾构机壳退回到初始位置。
[0029] 在步骤(5)中，若研究刀盘的开口率对掘进的影响，则通过控制第二限位螺栓，旋转旋管即可调节刀盘的开口率。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
[0031] (1)能再现泥水平衡盾构掘进的应力场；
[0032] (2)可实现对泥水平衡盾构动态施工全过程的完整模拟；
[0033] (3)可对泥水平衡盾构施工稳定性的各影响因素进行深入研究分析，为今后泥水平衡盾构的设计和施工提供一定的技术支持；
[0034] (4)所用试验装置简单方便，试验成本低，准确度高。
[0035] 本发明在研究泥水平衡盾构施工稳定性问题的影响因素方面具有真实全面的特点，试验数据可靠，可为泥水平衡盾构的设计与施工提供有力的保障。
附图说明
[0036] 图1为本发明的试验装置的总体结构示意图；
[0037] 图2为本发明中电动机与减速器的局部结构示意图；
[0038] 图3为本发明中支撑管与万向轮的局部结构示意图；
[0039] 图4为本发明中盾构机壳的局部结构示意图；
[0040] 图5为本发明中注浆箱的局部结构示意图；
[0041] 图6为本发明中循环箱的局部结构示意图。
[0042] 图中：1为瞄准镜、2为减速器、3为电动机、4为脚螺旋、5为转盘、6为注浆箱、7为注浆管、8为注浆头、9为出泥管、10为调压管、11为进水管、12为凸槽、13为支撑管、14为盾构机壳、15为刀盘、16为旋管、17为万向轮、18为主轴、19为循环箱、20为开关档、21为水准器、22为第一基座、23为第二基座、24为第一限位螺栓、25为刻度盘、26为第二限位螺栓、27为第四限位螺栓、28为第三限位螺栓、29为隔板、30为叶片、31为水压力计、32为气压管、33为气压表、34为微型压缩机、35为浆液灌、36为过滤器、37为第一过滤网、38为第二过滤网、39为第三过滤网、40为微型水泵。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0044] 实施例
[0045] 一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，如图1～图6所示，该装置包括掘土推进机构、循环机构及注浆机构，其中，
[0046] 掘土推进机构包括电动机3、减速器2、盾构机壳14、主轴18及旋管16，电动机3与减速器2连接，盾构机壳14的内部设有隔板29，盾构机壳14的顶端设有刀盘15，盾构水舱位于刀盘15与隔板29之间，叶片30内嵌于刀盘15之中，主轴18的一端穿过减速器2，另一端与刀盘15连接，旋管16套设在主轴18上，旋管16的一端位于盾构机壳14与减速器2之间的主轴18上，旋管16的另一端深入盾构机壳14的内部，并与叶片30连接；
[0047] 循环机构包括循环箱19、微型水泵40、进水管11、出泥管9及调压管10，循环箱19内设有过滤网，微型水泵40设在循环箱19内部的下侧，进水管11的一端与微型水泵40连接，另一端连入盾构水舱内，出泥管9的一端连入循环箱19的上侧，另一端连入盾构水舱内，调压管10连接在进水管11与出泥管9之间，通过控制调压管10中的流量，可以调节盾构水舱中的泥水压力；
[0048] 注浆机构包括注浆箱6、浆液罐35、微型压缩机34、气压管32、注浆管7及注浆头8，浆液罐35与微型压缩机34均设在注浆箱6内部，微型压缩机34与浆液罐35之间通过气压管32连接，注浆管7的一端位于浆液罐35内，另一端伸出注浆箱6，并与注浆头8连接，通过微型压缩机34向浆液罐35中注压，迫使浆液从浆液灌流到注浆管7中，从而形成注浆压力，而注浆量由注浆头8来控制；
[0049] 电动机3通过主轴18带动刀盘15旋转，通过旋管16调节叶片30与刀盘15之间的相对位置，进而调节刀盘15的开口率，在刀盘15掘土推进过程中，微型水泵40将过滤网滤出的水通过进水管11送入盾构水舱内，在盾构水舱内，刀盘15切削下来的土与水混合后通过出泥管9流回循环箱19，掘土推进到指定深度后，关闭电动机3，打开微型压缩机34，通过注浆管7及注浆头8进行注浆。
[0050] 电动机3与减速器2均焊接在第一基座22上，该第一基座22通过三个脚螺旋4连接在第二基座23上，该第二基座23通过转盘5连接在注浆箱6上，第一基座22上设有用以判断第一基座22是否水平的水准器21，转盘5上设有用于限制转盘5转动角度的第一限位螺栓24。通过脚螺旋4和转盘5可使电动机3及减速器2实现竖向移动和水平转动。
[0051] 减速器2上端设有用来定位掘土推进方向的瞄准镜1，电动机3上端设有控制主轴18前进、停止与后退的开关档20。旋管16的端部设有用于限制旋管16旋转角度的第二限位螺栓26及显示旋转角度的刻度盘25。循环箱19上焊接有凸槽12，凸槽12上设有支撑管13，该支撑管13的下端设有用于限制支撑管13沿凸槽12方向移动的第三限位螺栓28，支撑管13的上端设有万向轮17，该万向轮17支撑在主轴18的下侧，支撑管13的中部还设有控制万向轮17轴向移动和周向转动的第四限位螺栓27。万向轮17对主轴18起支撑作用。盾构水舱靠近刀盘15的一端设有用于将刀盘15切削的土体与水搅匀的搅拌棒。
[0052] 循环箱19内设有孔隙逐级变小的三道过滤网，分别为第一过滤网37、第二过滤网38及第三过滤网39、从出泥管9流入循环箱19的泥水依次经过第一过滤网37、第二过滤网38及第三过滤网39的过滤后通过微型水泵40通过进水管11再进入盾构水舱中，实现了水的循环利用，以及将切削下的土体带到循环箱19中。隔板29是设有用以测量盾构水舱内泥水压力的水压力计31；注浆管7位于浆液罐35中的一端设有过滤器36；气压管32上设有气压表33。
[0053] 一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
[0054] (1)配置循环机构所需溶液及注浆所需浆液，分别加入循环箱19与浆液灌中；
[0055] (2)将模型土箱放在盾构机壳14前方，调节主轴18及盾构机壳14的竖直与水平方位，精确固定掘土推进方向；
[0056] (3)调节第三限位螺栓28与第四限位螺栓27，将万向轮17固定在刚好能支撑住主轴18的位置处；
[0057] (4)调节盾构水舱内的泥水压力和浆液灌中的注浆压力：
[0058] 用合适的填堵物将刀盘15的开口堵好后，开启微型水泵40将循环箱19内的溶液送入盾构水舱，通过观察盾构水舱内水压力计31的压力值，并调节调压管10中的流量，将盾构水舱中的泥水压力调节到合适的范围后，关闭微型水泵40，待盾构水舱中溶液流回循环箱19后将刀盘15上的填堵物去除，而后将微型压缩机34打开，关闭注浆头8，调节压缩机气压至注浆所需压力后，关闭微型压缩机34；
[0059] (5)将电动机3上的开关档20拨到前进位置，开始试验，待刀盘15切割模型土箱中土体到一定深度后，打开微型水泵40通过循环机构排土，待整个盾构机壳14都掘进到模型土箱中且盾构机壳14的尾端距模型土箱一个管片长时，将电动机3上的开关档20拨到停止位置，开始安装管片，安装好后在管片预留孔处用注浆头8开始注浆，待注浆结束后等待5～10分钟，浆液凝结后将电动机3的开关挡拨到前进位置继续掘进，待掘进长度再次达到一个管片长时，停止掘进，开始安装管片、注浆，如此重复，直到试验结束；
[0060] (6)试验结束后，待所有试验数据收集完，将电动机3上的开关档20拨到后退位置，使主轴18及盾构机壳14退回到初始位置。
[0061] 在步骤(5)中，若研究刀盘15的开口率对掘进的影响，则通过控制第二限位螺栓26，旋转旋管16即可调节刀盘15的开口率。
