多功能泥水平衡盾构试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及盾构试验技术领域，尤其涉及一种多功能泥水平衡盾构试验系统及试验方法。

背景技术

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机械，是市政工程中常用的一种作业设备，其基本工作原理就是使用圆形刀盘沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行切削并排出。

随着地下空间的建设发展，盾构法施工的质量要求也逐渐提升。泥水盾构掘进是一种动态过程，是“机”、“流体”和“土”三者间复杂的相互作用，各种土层参数等诸多的不确定因素会直接影响刀盘和土相互作用的过程以及力学响应。目前，现有技术中对于泥浆的性能数据的测量存在测量误差大、测量难度高的问题，由此针对“盾构-土体”以及“泥浆”综合作用下盾构机与岩土体的宏观力学响应机理的问题还需进一步研究，以解决不同地质环境差异下的盾构施工参数控制，并从机理上去解释发生盾构姿态偏转、刀具磨损、刀盘泥饼成形等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能泥水平衡盾构试验系统及试验方法，能够对盾构机实际掘进状态下的工作情况进行模拟。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

多功能泥水平衡盾构试验系统，包括：

刀盘；

驱动装置，所述驱动装置与所述刀盘连接，所述驱动装置用于驱动所述刀盘转动；

泥浆池，所述泥浆池用于储存并沉淀泥浆；

泥浆模拟仓，所述泥浆模拟仓为圆柱状结构，所述泥浆模拟仓由透明材料制成，所述刀盘设置在所述泥浆模拟仓的一端，所述泥浆模拟仓的另一端能够与透明盖板可拆卸连接，所述泥浆模拟仓的另一端还能够与推进土料装置连接，所述推进土料装置用于向所述泥浆模拟仓中输送岩土；所述泥浆模拟仓具有进料口、排浆口、逆洗口以及多个进浆冲刷口，所述进料口设置在所述透明盖板上；所述排浆口设置在所述泥浆模拟仓的底部且通过排浆管与所述泥浆池连通；所述多个进浆冲刷口设置在所述泥浆模拟仓的侧壁上且通过进浆管与所述泥浆池连通；所述排浆口左右两边设有搅拌叶轮；所述逆洗口分两路与所述排浆管联通；多个所述进浆冲刷口分别连接多根冲刷管，多根所述冲刷管分别与主进浆管、主排浆管联通，主进浆管与主排浆管之间设置有联通管，所述排浆管、所述冲刷管、所述主进浆管、所述主排浆管以及所述联通管上均设置有球阀，所述主排浆管路设置多个采石箱；

进浆泵，所述进浆泵设置在所述主进浆管上，所述主进浆管通过所述进浆冲刷口与所述冲刷管路连接，所述冲刷管路上设置有冲刷泵；

排浆泵，所述排浆泵设置在所述主排浆管上；

所述多功能泥水平衡盾构试验系统还包括旁通管路，所述旁通管路包括第一旁通管和第二旁通管，所述第一旁通管的一端连接在所述进浆泵入口端的所述主进浆管上，所述第一旁通管的另一端连接在所述排浆泵出口端的所述主排浆管上；

所述第二旁通管的一端连接在所述进浆泵出口端的所述主进浆管上，所述第二旁通管的另一端连接在所述排浆泵入口端的所述主排浆管上。

作为优选地，所述推进土料装置包括安装架、推板以及土料仓，所述土料仓设置在所述安装架上，所述土料仓能够与所述泥浆模拟仓的端部连接，所述土料仓用于存放岩土；所述推板设置活动设置在所述土料仓中，所述推板能够沿第一方向移动以使所述土料仓中的岩土进入所述泥浆模拟仓中。

作为优选地，所述推进土料装置还包括油缸，所述油缸设置在所述安装架上，所述油缸的输出端与所述推板连接。

作为优选地，所述多功能泥水平衡盾构试验系统包括固定底座，所述驱动装置、所述泥浆模拟仓、所述进浆泵以及所述排浆泵均设置在所述固定底座上。

作为优选地，所述多功能泥水平衡盾构试验系统还包括中心回转体，所述中心回转体设置在所述泥浆模拟仓上，所述中心回转体能够与所述刀盘转动配合，所述进浆管设置在所述中心回转体上。

多功能泥水平衡盾构试验方法，使用上述的多功能泥水平衡盾构试验系统，包括以下步骤：

S1、向所述泥浆模拟仓的所述进料口中输送所述试验颗粒珠；

S2、启动所述驱动装置，使所述刀盘转动，并启动所述进浆泵和所述排浆泵，使所述多功能泥水平衡盾构试验系统进入泥浆循环模拟模式，泥浆带动所述试验颗粒珠在所述多功能泥水平衡盾构试验系统中循环流动；

S3、观察并记录所述试验颗粒珠在所述泥浆模拟仓中的运动轨迹；

S4、关闭所述驱动装置、所述进浆泵以及所述排浆泵，将所述透明盖板拆下并将所述推进土料装置安装在所述泥浆模拟仓的一端；

S5、启动所述驱动装置，使所述刀盘转动，并启动所述进浆泵、所述排浆泵以及所述推进土料装置，使所述多功能泥水平衡盾构试验系统进入泥浆循环模拟模式，泥浆带动所述岩土在所述多功能泥水平衡盾构试验系统中循环流动；

S6、观察并记录所述岩土在所述泥浆模拟仓中的运动轨迹，并研究泥浆的携渣性。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的多功能泥水平衡盾构试验系统，由于泥浆模拟仓的顶部开设有进料口，因此可以向泥浆模拟仓中输送试验颗粒，同时由于泥浆模拟仓由透明材料制成，从而可以实现对试验颗粒运动情况的实时观察、检测和试验数据的采集；由于泥浆模拟仓的端部与透明盖板可拆卸连接，并且泥浆模拟仓的端部能够与推进土料装置连接，而推进土料装置能够向泥浆模拟仓中输送岩土，因此该多功能泥水平衡盾构试验系统还能够对实际岩土体切削过程中泥浆的环流情况进行模拟，在验证前述采用试验颗粒模拟试验准确性的前提下，同时对盾构机实际掘进状态下的工作情况进行模拟，解决了盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的对试验颗粒珠进行模拟试验时的多功能泥水平衡盾构试验系统；

图2是本发明具体实施方式提供的对岩土进行模拟试验时的多功能泥水平衡盾构试验系统；

图3是本发明具体实施方式提供的管路系统图。

图中：

1-驱动装置；

3-泥浆池；

4-泥浆模拟仓；

5-推进土料装置；

6-固定底座；

7-中心回转体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“左”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种多功能泥水平衡盾构试验系统，该多功能泥水平衡盾构试验系统包括刀盘、驱动装置1、泥浆池3、泥浆模拟仓4、进浆泵以及排浆泵，驱动装置1与刀盘连接，驱动装置1用于驱动刀盘转动；泥浆池3用于储存并沉淀泥浆；泥浆模拟仓4为圆柱状结构，泥浆模拟仓4由透明材料制成，刀盘设置在泥浆模拟仓4的一端，泥浆模拟仓4的另一端能够与透明盖板可拆卸连接，泥浆模拟仓4的另一端还能够与推进土料装置5连接，推进土料装置5用于向泥浆模拟仓4中输送岩土；泥浆模拟仓4具有进料口、排浆口、逆洗口以及多个进浆冲刷口，进料口设置在透明盖板上；排浆口设置在泥浆模拟仓4的底部且通过排浆管与泥浆池3连通；多个进浆冲刷口设置在泥浆模拟仓4的侧壁上且通过进浆管与泥浆池3连通；排浆口左右两边设有搅拌叶轮；逆洗口分两路与排浆管联通；多个进浆冲刷口分别连接多根冲刷管，多根冲刷管分别与主进浆管、主排浆管联通，主进浆管与主排浆管之间设置有联通管，排浆管、冲刷管、主进浆管、主排浆管以及联通管上均设置有球阀，主排浆管路设置多个采石箱；进浆泵设置在主进浆管上，主进浆管通过进浆冲刷口与冲刷管路连接，冲刷管路上设置有冲刷泵；排浆泵设置在主排浆管上；多功能泥水平衡盾构试验系统还包括旁通管路，旁通管路包括第一旁通管和第二旁通管，第一旁通管的一端连接在进浆泵入口端的主进浆管上，第一旁通管的另一端连接在排浆泵出口端的主排浆管上；第二旁通管的一端连接在进浆泵出口端的主进浆管上，第二旁通管的另一端连接在排浆泵入口端的主排浆管上。于本实施例中，进浆管和排浆管并未在附图中画出；由于泥浆模拟仓4的顶部开设有进料口，因此可以向泥浆模拟仓4中输送试验颗粒，同时由于泥浆模拟仓4由透明材料制成，从而可以实现对试验颗粒运动情况的实时观察、检测和试验数据的采集；由于泥浆模拟仓4的端部与透明盖板可拆卸连接，并且泥浆模拟仓4的端部能够与推进土料装置5连接，而推进土料装置5能够向泥浆模拟仓4中输送岩土，因此该多功能泥水平衡盾构试验系统还能够对实际岩土体切削过程中泥浆的环流情况进行模拟，在验证前述采用试验颗粒模拟试验准确性的前提下，同时对盾构机实际掘进状态下的工作情况进行模拟，解决了盾构试验中泥浆的性能数据测试误差大和难度高的问题；该多功能泥水平衡盾构试验系统能够实现泥水平衡条件下多种泥水循环工况下的盾构掘进，有助于优化盾构与地质的适应性设计，并针对实际盾构施工中遇到的问题提出措施解决或改善方案；具体地，驱动装置1为带有减速机的电机；泥浆模拟仓4的壁板上设置活接进料口，活接进料口可以是法兰接头，也可以是螺纹接口等，在此不做限定；活接进料口外连接有供料装置，供料装置可以是本领域常见的螺旋输送机，也可以是小型的活塞式推进送料机，在此不做限定。

该试验系统在泥浆模拟仓4上还设置有被动搅拌棒冲刷管路、泥浆门前冲刷管路、泥浆门后冲刷管路、格栅冲刷管路以及刀盘中心冲刷管路以及叶轮冲刷管路，上述冲刷管路均在泥浆模拟仓4上左、右均有设置，与真实盾构装置的结构相同或相似，其中冲刷管路的出口冲刷流速和角度可以调节。

模拟盾构掘进模式、逆洗模式、旁通模式，以模拟各种泥水盾构推进工况下的冲刷流量，从而得到最优的泥水仓泥浆流场控制策略；之后可以通过携渣性进行评估，在不同流量配比下，携渣性评估方式为：(采石箱采集的颗粒量+循环池沉淀的颗粒量)/刀盘前方进入颗粒量；该数值越大则证明携渣性能效果越好。通过试验颗粒珠模拟刀盘前方土体通过，以得到不同泥浆配比下的携渣性，即针对不同地质环境下，得到最优泥浆物性参数，其中携渣性评估方式为：(采石箱采集的颗粒量+循环池沉淀的颗粒量)/刀盘前方进入颗粒量；该数值越大证明携渣性能越好。具体地，K1为进料口，K2为排浆口，K3为你溪口，K4为冲刷口，F1为进浆泵，F2为排浆泵，F3为冲刷泵，M1和M2为截止阀、P为采石箱。

进一步地，如图3所示，推进土料装置5包括安装架、推板以及土料仓，土料仓设置在安装架上，土料仓能够与泥浆模拟仓4的端部连接，土料仓用于存放岩土；推板设置活动设置在土料仓中，推板能够沿第一方向移动以使土料仓中的岩土进入泥浆模拟仓4中。于本实施例中，安装架沿第一方向的相反方向设置在泥浆模拟仓4的一侧，安装架上还设置有反力架斜撑，反力架斜撑的端部抵靠在安装架上部的立部上，土料仓为圆筒状结构，内部装调有岩土；土料仓中设置有活动的推板，推板用于沿第一方向推动土料仓内部的岩土，从而向泥浆模拟仓4中输送岩土，以模拟真实情况下该多功能泥水平衡盾构试验系统的掘进作业情况。

具体地，如图3所示，推进土料装置5还包括油缸，油缸设置在安装架上，油缸的输出端与推板连接。于本实施例中，油缸装设在安装架上部的立部上，油缸的输出端与推板连接，从而能够驱动推板推动土料仓内部的岩土。

进一步地，如图1和图2所示，多功能泥水平衡盾构试验系统包括固定底座6，驱动装置1、泥浆模拟仓4、进浆泵以及排浆泵均设置在固定底座6上。于本实施例中，驱动装置1、泥浆模拟仓4、进浆泵以及排浆泵均通过螺栓固定在下方的固定底座6上，从而保证该多功能泥水平衡盾构试验系统在试验过程中的稳定，同时也加强了多功能泥水平衡盾构试验系统的整体性，便于整体搬运和移动。

具体地，如图1和图2所示，多功能泥水平衡盾构试验系统还包括中心回转体7，中心回转体7设置在泥浆模拟仓4上，中心回转体7能够与刀盘转动配合，进浆管设置在中心回转体7上。于本实施例中，中心回转体7是盾构领域常见的设备，中心回转体7套设在刀盘的驱动轴上且与泥浆模拟仓4连接，驱动装置1能够带动刀盘相对于中心回转体7转动，进浆管设置在中心回转体7上，当刀盘转动进行掘进模拟时，进浆管由于设置在中心回转体7上而不会随刀盘进行转动，从而防止在进行掘进模拟试验时进浆管发生扭曲和缠绕，保证了掘进模拟试验的正常进行。

本实施例还提供了一种多功能泥水平衡盾构试验方法，使用上述的多功能泥水平衡盾构试验系统，包括以下步骤：

S1、向泥浆模拟仓4的进料口中输送试验颗粒珠。于本实施例中，试验颗粒珠为彩色硬质球体，泥浆为由操作人员使用透明粘性液体配比制成，从而方便操作人员观察泥浆模拟仓4内部的颗粒运动情况。

S2、启动驱动装置1，使刀盘转动，并启动进浆泵和排浆泵，使多功能泥水平衡盾构试验系统进入泥浆循环模拟模式，泥浆带动试验颗粒珠在多功能泥水平衡盾构试验系统中循环流动；于本实施例中，操作人员启动驱动装置1，从而驱动刀盘转动，之后开启进浆泵和拍浆泵，从而使该多功能泥水平衡盾构试验系统进入泥浆循环模拟模式，试验颗粒珠从而在该多功能泥水平衡盾构试验系统中进行运动。

S3、观察并记录试验颗粒珠在泥浆模拟仓4中的运动轨迹。于本实施例中，泥浆模拟仓4外侧设置有激光多普勒测速仪以及工业相机，从而记录并检测试验颗粒珠在泥浆模拟仓4中的运动轨迹和运动速度，以便于从机理上解释发生盾构姿态偏转、刀具磨损以及刀片泥饼成型等问题的原因。

S4、关闭驱动装置1、进浆泵以及排浆泵，将透明盖板拆下并将推进土料装置5安装在泥浆模拟仓4的一端。于本实施例中，当上述的掘进模拟试验完成后，操作人员关闭驱动装置1、进浆泵以及拍浆泵，并将泥浆模拟仓4端部的透明盖板拆下，之后将推进土料装置5安装在原透明盖板的位置处，从而能够实现向泥浆模拟仓4中输送岩土。

S5、启动驱动装置1，使刀盘转动，并启动进浆泵、排浆泵以及推进土料装置5，使多功能泥水平衡盾构试验系统进入泥浆循环模拟模式，泥浆带动岩土在多功能泥水平衡盾构试验系统中循环流动。于本实施例中，操作人员再次启动驱动装置1使刀盘转动，并开启进浆泵、排浆泵以及推进土料装置5，从而向刀盘和泥浆模拟仓4中输送岩土，以模拟切削和掘进真实土体过程中泥浆和岩土颗粒的耦合运动。

S6、观察并记录岩土在泥浆模拟仓4中的运动轨迹，并研究泥浆的携渣性。于本实施例中，操作人员使用激光多普勒测速仪以及工业相机，记录并检测泥浆和岩土颗粒在泥浆模拟仓4中的运动轨迹和运动速度，从而对前述试验颗粒珠的模拟试验进行验证，并获取真实情况下泥浆和岩土颗粒对盾构机的影响和损伤情况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。