具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置

技术领域

本发明属于盾构试验技术领域，涉及具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置，适用于地面出入式盾构模型试验。

背景技术

地面出入式盾构是一种新型的盾构施工方法，与传统的盾构施工方法相比，地面出入式盾构不需要开挖盾构始发井和盾构接收井，避免了传统盾构施工时所需的交通改道和建筑动迁，规避了大量的工程风险，大大提高了城市密集区域的地铁盾构施工效率。盾构隧道作为地下构筑物，其施工期和运营期的安全对于一座城市来说十分重要，需要城市建设者们的密切关注。模型试验作为一种直观、可靠的试验方法，被大量用于盾构施工的可行性研究，能指导盾构参数和施工组织的设计。现阶段已有的盾构试验设备通常用于传统的井下始发、井下接收的盾构模型试验，无盾构始发倾斜角度调节功能，无法用于地面出入式盾构始发模型试验。此外，现有的盾构模型试验反力架装置不能主动为盾构机提供推力，而且适用的盾构机的千斤顶行程(步长)较为单一，无法满足模拟多种推进步长的需求。

发明内容

为了克服现有盾构始发模型试验反力架装置的缺点与不足，实现精确的地面出入式盾构模型试验，填补地面出入式盾构模型试验装置的空白，本发明提供了一种具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置，本发明不但可以应用于任意始发角度的地面出入式盾构始发模型试验，角度调节幅度大、精确度高，而且能主动为盾构机提供推力，大大提升了对模型盾构机的兼容性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置，所述装置包括设备基础、固定螺栓、支撑支架、盾构机轨道转轴、角度调节液压油缸、角度调节液压油缸尾部转轴、角度调节液压油缸头部转轴、模型盾构机轨道、盾构反力板滑轨、盾构反力板、挡板、反力板液压油缸、反力板液压油缸固定底座、模型盾构机、盾构模型箱和土体。

所述设备基础为地面或是与盾构模型箱浇筑为一体的混凝土基础；所述支撑支架与设备基础固定连接；所述角度调节液压油缸一端与设备基础通过角度调节液压油缸尾部转轴连接，所述角度调节液压油缸另一端与模型盾构机轨道通过角度调节液压油缸头部转轴连接，使其能以角度调节液压油缸尾部转轴和角度调节液压油缸头部转轴为轴转动；所述模型盾构机轨道与支撑支架通过盾构机轨道转轴连接，并能以盾构机轨道转轴为轴转动；所述盾构反力板滑轨与模型盾构机轨道固定连接；所述盾构反力板与盾构反力板滑轨通过卡槽连接，与反力板液压油缸固定连接，并能由反力板液压油缸推动沿盾构反力板滑轨滑动；所述挡板与盾构反力板固定连接；所述反力板液压油缸与反力板液压油缸固定底座固定连接；反力板液压油缸固定底座与模型盾构机轨道固定连接；所述模型盾构机放置于模型盾构机轨道的凹槽中，并与凹槽紧贴。

进一步，所述装置还包括角度指示器、角度指示指针和刻度线；所述角度指示器与支撑支架通过粘合剂连接；所述角度指示指针与模型盾构机轨道通过粘合剂连接，并穿过角度指示器，使其能正常指向刻度线；所述刻度线印刷于角度指示器上。

再进一步，所述支撑支架与设备基础通过固定螺栓连接；所述盾构反力板滑轨与模型盾构机轨道焊接连接；所述盾构反力板与反力板液压油缸通过焊接连接，所述挡板与盾构反力板焊接连接，反力板液压油缸固定底座与模型盾构机轨道通过焊接连接。

本发明的有益效果主要表现在：(1)盾构始发角度可精确调节。本装置具有角度调节液压油缸以及相关连接件，连接方式均为固定铰支座，实现了地面出入式盾构始发角度的无级精确调节，其调节由角度调节液压油缸的伸缩完成，其盾构始发角度由角度指示器实时指示。(2)反力系统的多功能化。本装置在反力板尾部设置了可独立控制的反力板液压油缸，因此本装置不仅能自由调节反力板的位置，实现传统盾构施工时推进—千斤顶缩回—再推进的循环施工，还能给模型盾构机持续提供推力，简化了模型盾构机的工作要求。(3)试验部署简单易行，本装置均采用固定铰支座连接，其试验过程只需控制反力板液压油缸和角度调节液压油缸，且均为液压控制，可通过液压伺服系统操纵，对试验场地和设备的需求较少，操作简便。

附图说明

图1是具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置的主视图。

图2是具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置的左视图。

图3是具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置的右视图。

图4是水平始发(0度)的示意图。

图5是倾斜始发(地面出入式)的示意图。

图6是液压油缸推进的示意图。

图7是模型盾构机推进的示意图。

图8是角度指示器示意图。

图9是反力系统的主视图。

图10是反力系统的左视图。

图11是实施状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图11，一种具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置，包括设备基础1(地面)、固定螺栓2、支撑支架3、盾构机轨道转轴4、角度调节液压油缸5、角度调节液压油缸尾部转轴6、角度调节液压油缸头部转轴7、模型盾构机轨道8、盾构反力板滑轨9、盾构反力板10、挡板11、反力板液压油缸12、反力板液压油缸固定底座13、模型盾构机14、盾构模型箱18和土体19。

所述设备基础1为地面或是与盾构模型箱18浇筑为一体的混凝土基础；所述支撑支架3与设备基础1固定连接；所述角度调节液压油缸5一端与设备基础1通过角度调节液压油缸尾部转轴6连接，所述角度调节液压油缸另一端与模型盾构机轨道8通过角度调节液压油缸头部转轴7连接，使其能以角度调节液压油缸尾部转轴6和角度调节液压油缸头部转轴7为轴转动；所述模型盾构机轨道8与支撑支架3通过盾构机轨道转轴4连接，并能以盾构机轨道转轴4为轴转动；所述盾构反力板滑轨9与模型盾构机轨道8固定连接；所述盾构反力板10与盾构反力板滑轨9通过卡槽连接，与反力板液压油缸12固定连接，并能由反力板液压油缸12推动沿盾构反力板滑轨9滑动；所述挡板11与盾构反力板10固定连接；所述反力板液压油缸12与反力板液压油缸固定底座13固定连接；反力板液压油缸固定底座13与模型盾构机轨道8固定连接；所述模型盾构机14放置于模型盾构机轨道8的凹槽中，并与凹槽紧贴。

进一步，所述装置还包括角度指示器15、角度指示指针16和刻度线17；所述角度指示器15与支撑支架3通过粘合剂连接；所述角度指示指针16与模型盾构机轨道8通过粘合剂连接，并穿过角度指示器15，使其能正常指向刻度线17；所述刻度线17印刷于角度指示器15上。

再进一步，所述支撑支架3与设备基础1通过固定螺栓2连接；所述盾构反力板滑轨9与模型盾构机轨道8焊接连接；所述盾构反力板10与反力板液压油缸12通过焊接连接，所述挡板与盾构反力板焊接连接，反力板液压油缸固定底座13与模型盾构机轨道8通过焊接连接。

推进—千斤顶缩回—再推进的循环施工的实施例：某地面出入式盾构始发工程，采用一台φ6380mm GPST专用土压平衡盾构施工，具有两种盾构推进步长(环宽)，分别为1m与1.2m，排布如表1所示，工程勘察得到的土层参数如表2所示。为了寻求施工质量与经济效益的平衡，揭示最优的盾构始发角度，开展一系列地面出入式盾构始发模型试验。而传统的盾构模型试验反力架无法满足地面出入式盾构模型试验始发的实际要求，采用具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置及其操作方法可以方便、快速、精确地实现地面出入式盾构模型试验始发的要求。

表1

表2

本发明的实施方案是：

(a)根据地面出入式盾构始发工程的实际情况和场地条件，确定缩尺比例为1:20，确定试验方案如表4所示，选用直径为320mm、长度为1200mm的模型盾构机14。为了消除边界效应的影响，选用长a＝4000mm、宽b＝2500mmm、盾构模型箱始发侧(盾构推进轴线起始端)的高度为1400mm、盾构模型箱终点侧(盾构推进轴线结束端)高度为2200mm的盾构模型箱18，盾构模型箱18的底板的始发侧在长度方向向外延伸1500mm作为本装置的设备基础1。支撑支架3的高度与盾构模型箱始发侧的高度相同。

(b)铺设土体。根据试验方案计算得到土体18始发侧高度为1300mm，终点侧高度为1800mm，使得土体在盾构模型箱的始发侧呈斜坡状，坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，且盾构推进轴线通过该土体斜坡。首先按照计算得到的土体终点侧高度铺设好土体，土层分布如表3所示，土样均取自工程施工现场。如图所示，在设置土体的同时，在预计的推进轴线两侧设置土压力盒，并在土体上部设置位移传感器，用于测量试验过程中的土体内部应力和位移的变化。

表3

(c)根据试验方案处理土体始发侧坡度，试验方案如表4所示。将始发侧土体开挖至计算得到的土体始发侧高度，形成一个坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，坡度与试验方案一致的土体斜坡。

表4

(d)根据地面出入式盾构模型试验的要求，将支撑支架3和角度调节液压油缸尾部转轴6用固定螺栓2固定在盾构模型箱一侧的设备基础(地面)1上，完成设备与地面之间的连接。

(e)安装角度调节液压油缸5，角度调节液压油缸5通过角度调节液压油缸尾部转轴6与设备基础(地面)1连接。

(f)安装模型盾构机轨道8，模型盾构机轨道8通过盾构机轨道转轴4与支撑支架3连接、通过角度调节液压油缸尾部转轴6与角度调节液压油缸5连接。

(g)释放反力板液压油缸12中的油压，此时盾构反力板10沿着盾构反力板滑轨9缩回。

(h)待盾构反力板10缩回至盾构反力板滑轨9的尾部时，关闭反力板液压油缸12，盾构反力板10停止移动。

(i)在模型盾构机轨道8上安装模型盾构机14，使得其尾部紧贴盾构反力板10。

(j)安装挡板11，保持模型盾构机14的角度稳定。

(k)启动角度调节液压油缸5，模型盾构机轨道8开始绕盾构机轨道转轴4旋转，同时观察角度指示器15。

(l)待角度指示指针16即将指向当前试验设定的角度时，减小角度调节液压油缸5的油压增量，使模型盾构机轨道8缓缓转动。

(m)直至角度指示指针16指向当前试验设定的角度时，立刻关闭角度调节液压油缸5，模型盾构机轨道8停止转动。

(n)启动模型盾构机14，模型盾构机14前端的刀盘开始切削土体，尾部的千斤顶开始提供推力。

(o)根据盾构工程实际的推进步长要求与模型试验缩尺，试验推进步长如表5所示。待模型盾构机14推进试验规定的一环(一个工作周期)时，开启反力板液压油缸12，同时缩回模型盾构机14尾部的千斤顶，使得盾构反力板10一直紧贴着模型盾构机14尾部的千斤顶。

表5

(p)待模型盾构机14尾部的千斤顶完全缩回，立刻关闭反力板液压油缸12。

(q)再次启动模型盾构机14尾部的千斤顶，推动模型盾构机14推进。

(r)重复(n)-(q)步骤，模型盾构机14分步进入土体。

(s)待模型盾构机14大部分进入土体时，土体对模型盾构机14已有充分地支撑力保持其角度，拆卸挡板11，继续重复(n)-(q)步骤。

(t)待反力板液压油缸12达到其行程，此时盾构反力板10已经移动至模型盾构机轨道8的前端，模型盾构机14已经全部进入土体，关闭模型盾构机14。

(u)记录试验各项数据，一个试验周期结束。

(v)根据试验方案，重复步骤(b)-(u)，完成表4所述的所有试验，对试验数据进行分析和总结，归纳出应力和沉降符合施工质量要求的方案，并对这些方案进行经济性评估，最终揭示最优的盾构始发角度，指导隧道的设计与施工。

持续不间断推进的实施例：某地面出入式盾构始发工程，采用一台φ6380mm GPST专用土压平衡盾构施工，盾构推进方式为连续推进，工程勘察得到的土层参数如表2所示。为了寻求施工质量与经济效益的平衡，揭示最优的盾构始发角度，开展一系列地面出入式盾构始发模型试验。传统的盾构模型试验反力架无法满足地面出入式盾构模型试验始发的需要，采用具有连续推进能力的地面出入式盾构模型试验反力架装置及其操作方法可以实现持续不间断的地面出入式盾构始发模型试验。

本发明的实施方案是：

(a)根据地面出入式盾构始发工程的实际情况和场地条件，确定缩尺比例为1:20，确定试验方案如表4所示，选用直径为320mm、长度为1200mm的模型盾构机14。为了消除边界效应的影响，选用长a＝4000mm、宽b＝2500mmm、盾构模型箱始发侧(盾构推进轴线起始端)的高度为1400mm、盾构模型箱终点侧(盾构推进轴线结束端)高度为2200mm的盾构模型箱18，盾构模型箱18的底板的始发侧在长度方向的始发侧向外延伸1500mm作为本装置的设备基础1。支撑支架3的高度与盾构模型箱始发侧的高度相同。

(b)铺设土体。根据试验方案计算得到土体18始发侧高度为1300mm，终点侧高度为1800mm，使得土体在盾构模型箱的始发侧呈斜坡状，坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，且盾构推进轴线通过该土体斜坡。首先按照计算得到的土体终点侧高度铺设好土体，土层分布如表3所示，土样均取自工程施工现场。如图所示，在设置土体的同时，在预计的推进轴线两侧设置土压力盒，并在土体上部设置位移传感器，用于测量试验过程中的土体内部应力和位移的变化。

(c)根据试验方案处理土体始发侧坡度，试验方案如表4所示。将始发侧土体开挖至计算得到的土体始发侧高度，形成一个坡脚靠近始发侧，坡顶靠近终点侧，坡度与试验方案一致的土体斜坡。

(d)根据地面出入式盾构模型试验的要求，将支撑支架3和角度调节液压油缸尾部转轴6用固定螺栓2固定在盾构模型箱一侧的设备基础(地面)1上，完成设备与地面之间的连接。

(e)安装角度调节液压油缸5，角度调节液压油缸5通过角度调节液压油缸尾部转轴6与设备基础(地面)1连接。

(f)安装模型盾构机轨道8，模型盾构机轨道8通过盾构机轨道转轴4与支撑支架3连接、通过角度调节液压油缸尾部转轴6与角度调节液压油缸5连接。

(g)释放反力板液压油缸12中的油压，此时盾构反力板10沿着盾构反力板滑轨9缩回。

(h)待盾构反力板10缩回至盾构反力板滑轨9的尾部时，关闭反力板液压油缸12，盾构反力板10停止移动。

(i)在模型盾构机轨道8上安装模型盾构机14，使得其尾部紧贴盾构反力板10。

(j)安装挡板11，保持模型盾构机14的角度稳定。

(k)启动角度调节液压油缸5，模型盾构机轨道8开始绕盾构机轨道转轴4旋转，同时观察角度指示器15。

(l)待角度指示指针16即将指向当前试验设定的角度时，减小角度调节液压油缸5的油压增量，使模型盾构机轨道8缓缓转动。

(m)直至角度指示指针16指向当前试验设定的角度时，立刻关闭角度调节液压油缸5，模型盾构机轨道8停止转动。

(n)启动模型盾构机14，模型盾构机14前端的刀盘开始切削土体，同时启动反力板液压油缸12，为模型盾构机14提供持续的推力，模型盾构机14持续进入土体。

(o)待模型盾构机14大部分进入土体时，土体对模型盾构机14已有充分地支撑力保持其角度，拆卸挡板11，继续盾构推进。

(p)待反力板液压油缸12达到其行程，此时盾构反力板10已经移动至模型盾构机轨道8的前端，模型盾构机14已经全部进入土体，关闭模型盾构机14。

(q)记录试验各项数据，一个试验周期结束。

(r)根据试验方案，重复步骤(b)-(q)，完成表4所述的所有试验，对试验数据进行分析和总结，归纳出应力和沉降符合施工质量要求的方案，并对这些方案进行经济性评估，最终揭示最优的盾构始发角度，指导隧道的设计与施工。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。