一种盾构渣土运移模型试验装置

技术领域

本发明属于盾构渣土运移模型试验技术领域，特别是涉及一种盾构渣土运移模型试验装置。

背景技术

近年来，因盾构法施工具有安全、高效和适应性广等优点，在国内轨道交通建设中得到广泛应用，其中，土压平衡盾构因具有广泛的地层适应性和较强的破岩能力，成为各类复合地层条件下盾构法施工的首选。但在富水地层采用土压平衡盾构掘进时，往往因地层含水量大，极易出现喷涌现象，使盾尾堆积大量泥沙和水流，将管片输送机完全淹没，无法正常掘进；大量泥沙还会导致土压平衡遭到破坏，易发地面塌陷、盾构被淹及隧道坍塌、人员伤亡事故，风险巨大。

喷涌往往发生于盾构排渣过程，而富水无黏性地层盾构渣土可看作饱和土，压力作用于土体后主要由颗粒骨架和孔隙水承担，分别为颗粒的有效应力和孔隙水压力。喷涌的发生主要与孔隙水压力分布相关，为了解渣土在盾构机不同部位的赋存状态与力学行为，需要开展盾构渣土运移模型试验，尽可能还原真实盾构的施工环境。因此，需要设计一种盾构渣土运移模型试验装置以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构渣土运移模型试验装置，以解决上述问题，达到模拟水压力和水流量对渣土运移过程各部位压力分布规律及喷涌的影响以及渣土运移过程的全程模拟的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种盾构渣土运移模型试验装置，包括供水加压机构，所述供水加压机构连通有进水管一端，所述进水管另一端连通有排渣测试机构；

所述供水加压机构包括储水箱，所述储水箱连通有压力调节部一端，所述压力调节部另一端与所述进水管端部连通；

所述排渣测试机构包括土仓，所述进水管端部与所述土仓顶部连通，所述土仓侧壁底部连通有输送管一端，所述输送管倾斜设置，所述输送管内部转动设置有输送部，所述输送部与所述输送管内侧壁相适配，所述输送部端部固定连接有驱动部，所述输送管低端底部设置有压力监测部，所述输送管高端底部设置有排渣部；

所述压力调节部、驱动部电性连接有控制器。

优选的，所述压力监测部包括若干压力计，若干所述压力计沿所述输送管外侧壁轴向等间隔设置。

优选的，所述排渣部包括排渣口，所述排渣口与所述输送管高端底部连通，所述排渣口上设置有排渣口闸门、流量计。

优选的，所述输送部包括绞龙，所述绞龙转动设置在所述输送管内部，所述绞龙叶片外径与所述输送管内侧壁之间的间距为4-8mm，所述驱动部与所述绞龙远离所述土仓的端部固定连接。

优选的，所述驱动部包括减速电机，所述减速电机输出轴与所述绞龙端部固定连接，所述减速电机电性连接有转速调节器，所述转速调节器、所述减速电机与所述控制器电性连接。

优选的，所述压力调节部包括压力泵，所述压力泵进口连通有连接管道一端，所述连接管道另一端与所述储水箱连通，所述连接管道上设置有调压阀、进水压力表，所述压力泵出口与所述进水管端部连通，所述压力泵与所述控制器电性连接。

优选的，所述土仓顶部设置有泄压阀，所述进水管靠近所述土仓的端部设置有进水阀门。

优选的，所述排渣口下方设置有渣土收集盒。

本发明具有如下技术效果：

1.本发明具有体积小、操作便捷、多参数可变的优点。

2.本发明的供水加压机构和排渣测试机构通过控制器和驱动部进行控制，两个机构可单独工作能更好的满足装置进行压力校准、装填土样等操作，保证了试验结果的准确性。

3.本发明的供水加压机构可控制进水压力，排渣测试机构可通过驱动部调节输送部的转速，能更好的模拟盾构实际施工过程中不同地下水水压力和不同排渣速度的原位条件。

4.本发明的输送部与输送管之间留有设计间隙，该间隙可以防止土颗粒在高压水带动作用下直接通过，同时又避免了聚集细粒土对输送部造成卡壳，可满足≤20mm的渣土粒径，适用性较广。

5.本发明的压力监测部方便采集排渣过程以及喷涌发生时各部位压力分布，并且可通过排渣部判断出喷涌的发生，试验结果可视性高，便于结果分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明绞龙结构示意图。

其中，1、储水箱；2、调压阀；3、进水压力表；4、控制器；5、压力泵；6、进水管；7、进水阀门；8、泄压阀；9、土仓；10、输送管；11、压力计；12、排渣口闸门；13、流量计；14、渣土收集盒；15、排渣口；16、转速调节器；17、减速电机；18、绞龙；19、连接管道。

具体实施方式

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-2，本发明提供一种盾构渣土运移模型试验装置，包括供水加压机构，供水加压机构连通有进水管6一端，进水管6另一端连通有排渣测试机构；

供水加压机构包括储水箱1，储水箱1连通有压力调节部一端，压力调节部另一端与进水管6端部连通；

排渣测试机构包括土仓9，进水管6端部与土仓9顶部连通，土仓9侧壁底部连通有输送管10一端，输送管10倾斜设置，输送管10内部转动设置有输送部，输送部与输送管10内侧壁相适配，输送部端部固定连接有驱动部，输送管10低端底部设置有压力监测部，输送管10高端底部设置有排渣部；

压力调节部、驱动部电性连接有控制器4。

储水箱1容量为0.55m

进一步优化方案，压力监测部包括若干压力计11，若干压力计11沿输送管10外侧壁轴向等间隔设置。

压力计11为0.4级精度的数显压力计，响应时间0.05s，可测压力量程0-0.6MPa，读数可精确到0.1kPa，用于采集出渣过程以及喷涌发生时的各部位的压力分布，压力计11的数量优选为6个，5个压力计11从下往上等间距布置于输送管10底部，沿轴向间隔100mm，高度差50mm，从下往上编号依次为S1-S5，在排渣部设置1个压力计11，编号为S6，S6与S5间距150mm用于测试排渣部的水压力。

进一步优化方案，排渣部包括排渣口15，排渣口15与输送管10高端底部连通，排渣口15上设置有排渣口闸门12、流量计13。

流量计13用于测试渣土在运移过程中的水流量。

进一步优化方案，输送部包括绞龙18，绞龙18转动设置在输送管10内部，绞龙18叶片外径与输送管10内侧壁之间的间距为4-8mm，驱动部与绞龙18远离土仓9的端部固定连接。

输送管10长度为700mm，内径为108mm，绞龙18长度为780mm，叶片直径为100mm，长径比为8：1，叶片间距为100mm，绞龙18轴的直径为40mm，绞龙18长度略长于输送管10，是由于绞龙18要伸入土仓9，携带渣土进入输送管10，减速电机17带动绞龙18转动，用于模拟渣土在输送管10的运移过程。

进一步优化方案，驱动部包括减速电机17，减速电机17输出轴与绞龙18端部固定连接，减速电机17电性连接有转速调节器16，转速调节器16、减速电机17与控制器4电性连接。

减速电机17最大扭矩为800N·m，用于带动绞龙18转动。转速调节器16控制减速电机17的转速以对绞龙18转速进行调节，实现对不同排渣速度的模拟。

进一步优化方案，压力调节部包括压力泵5，压力泵5进口连通有连接管道19一端，连接管道19另一端与储水箱1连通，连接管道19上设置有调压阀2、进水压力表3，压力泵5出口与进水管6端部连通，压力泵5与控制器4电性连接。

压力泵5对试验用水进行加压处理，最高可提供5MPa的水压力，能够满足一般盾构开挖面临的地下水水压的模拟要求，并通过进水管6将高压水泵入土仓9内以模拟地下水压力。进水压力表3实现进水压力的可视化。调压阀2配合进水压力表3调节进水的压力，用于模拟不同地下水水压。

进一步优化方案，土仓9顶部设置有泄压阀8，进水管6靠近土仓9的端部设置有进水阀门7。

土仓9用于装填试验所用渣土，顶部为可拆卸的盖板，进水阀门7、泄压阀8设置在盖板上，进水阀门7与进水管6连通提供高压水用于模拟地下水水压力，泄压阀8用于排出土仓9内多余的空气。

进一步优化方案，排渣口15下方设置有渣土收集盒14。

排渣口15用于将运移的渣土排入下方的渣土收集盒14。通过手动来调节排渣口闸门12的开度，用于控制排渣口15的开口率，实现对不同排渣速度的模拟。

本发明的工作过程如下：

在试验前需要对装置进行压力校准。将供水加压机构与排渣测试机构各部分通过管路连接，关闭排渣口闸门12，打开进水阀门7和泄压阀8，持续对土仓9供水直至排尽空气有水从泄压阀8流出，关闭进水阀门7，记录各压力计11读数；然后打开排渣口闸门12，待排渣口15不再有水流出时，记录此时压力计11读数，每个压力计11前后读数之差等于土仓9顶部与排渣口15的水头高度之差对应的压力差，读数值与理论值误差在5％以内则认为校准无误，准备试验。打开土仓9盖板和排渣口闸门12，将提前制备好的无黏性砂土或改良后的土体分层填入土仓9，并旋转绞龙18使输送管10与绞龙18之间充满土样，待土样达到排渣口15时停止装样并关闭排渣口15。继续向土仓9填装土样，每层填样高度150mm，轻敲土仓9侧壁待表面平整后继续填样，直至距离土仓9顶部高度150mm时停止装样，盖上土仓9盖板拧紧固定螺栓。然后打开控制器4启动压力泵5进行压力加载，打开泄压阀8与进水阀门7，通过调压阀2调节进水压力，待空气从泄压阀8排出且有水流出时，关闭泄压阀8。若保持压力稳定，一般需要在排渣时额外加压，尽量维持波动幅度小于5％，在50s完成加压过程，待进水压力达到预设值时即可进行土体输送。打开排渣口闸门12，打开转速调节器16转动绞龙18，开始排渣。整个过程通过摄像装置记录各压力计11随时间的变化过程，加水加压过程一般需要50s，渣土运移过程一般持续50～100s，渣土运移时间的长短主要与转速及排渣口15开口率有关。根据试验需要固定或调节进水压力、排渣口15开口率以及绞龙18转速。待排渣完毕后，关闭进水阀门7和压力泵5，关闭转速调节器16开关，打开土仓9盖板泄压阀8，待压力完全卸载后，打开盖板清理土仓9和输送管10内渣土。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。