專利名稱：一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型試驗裝置，該裝置可以模擬土壓平衡盾構施工過程，評價土樣的傳力性能、滲透性、流動性，適用于土壓平衡盾構機施工中改良土體性能評價試驗研究與應用，屬于模擬隧道開挖試驗機械裝置。
背景技術：
土壓平衡盾構施工是一種暗挖隧道施工方法，其施工過程是盾構前方的土體經(jīng)刀盤掘削進入土艙，土艙內(nèi)的渣土通過充分混合后具有盾構施工所需的塑流性狀態(tài)，在螺旋排土器內(nèi)形成壓力梯度維持土艙壓力，并能順利排出實現(xiàn)連續(xù)掘進?？梢?，盾構機內(nèi)土體的性能對其順利、高效施工具有決定性的作用，然而隨著應用盾構施工的土層范圍不斷拓寬，所開挖土層往往達不到盾構施工所要求的土體塑流性，引發(fā)了許多施工問題。而且現(xiàn)場施工中對土體的改良均依靠現(xiàn)場摸索或工程經(jīng)驗來確定，改良土體的性能缺乏相應評價方法，模型試驗是公認的能較全面評價改良土體性能的試驗方法?，F(xiàn)有的模型試驗可以模擬盾構施工過程，簡單地反應改良土體的狀態(tài)變化，如螺旋排土器內(nèi)改良土體土壓力、抗剪強度以及螺旋排土器扭矩的變化規(guī)律。但是對土艙內(nèi)土體的壓力分布和壓力傳遞規(guī)律研究較少，而且不能較好地模擬盾構施工中土艙內(nèi)土體的真實情況。本土壓艙模型裝置可以模擬盾構施工過程，較好的反映土樣在盾構施工中的狀態(tài)變化，如土艙內(nèi)土體的攪拌，研究土艙和螺旋排土器內(nèi)改良土體土壓力變化規(guī)律；比較不同添加劑的土體改良效果，全面評價改良土體性能，為優(yōu)化添加劑配比方案提供依據(jù)，是一種比較可靠的評價改良土體性能的室內(nèi)試驗裝置。目前還未見有專利報道能實現(xiàn)這種功能的試驗裝置。

實用新型內(nèi)容本實用新型提出了一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型試驗，裝置主要包括土艙系統(tǒng)和螺旋排土器系統(tǒng)。該裝置可以模擬盾構施工，通過改變螺旋排土器的傾斜角度和相關運行參數(shù)，研究盾構機內(nèi)改良土體的壓力狀態(tài)變化過程及螺旋排土器扭矩大小，全面評價改良土體性能，優(yōu)化土體改良的添加劑配比方案，改善盾構機在不良土層中的施工。為了達到上述目的，本實用新型采取了如下技術方案。一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型裝置，其特征在于本裝置包括土艙、土艙蓋、土艙千斤頂、攪拌棒、攪拌電動機、土艙支架、混凝土底座、螺旋排土器、螺旋排土器電動機、螺旋轉(zhuǎn)動裝置、螺旋排土器支座千斤頂，傳感器；其中土艙5是一個上部開口的封閉容器，底部固定在混凝土底座7上；土艙上方的支架 1設一橫梁，橫梁中心安裝垂直向下伸縮的土艙千斤頂2，千斤頂連接土艙蓋3，土艙蓋周圍具有密封止水條；土艙5內(nèi)部設有攪拌棒4，攪拌棒4固定在固定板17上，固定板17緊貼著土艙5的內(nèi)壁，橫穿土艙5的內(nèi)部，并通過傳動軸15與土艙5外部的攪拌電動機6相連； 土艙5—側下部通過螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置9連接螺旋排土器8 ；螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置9由鋼珠20、內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22、外轉(zhuǎn)動球殼21、法蘭19組成；內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22通過不銹鋼滾珠20與外轉(zhuǎn)動球殼19構成一個整體結構；內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22與螺旋排土器8起始端連接，外轉(zhuǎn)動球殼 21通過法蘭19固定在土艙5上；螺旋排土器8內(nèi)部是螺桿14，靠近螺旋排土器8的末端下方設有排土口 12，螺桿14末端連接螺旋排土器電動機11，螺旋排土器8和螺旋排土器電動機11連接在一起，螺旋排土器8和螺旋排土器電動機11通過螺旋排土器支座千斤頂10固定在螺旋排土器支座13上；傳感器包括土壓力傳感器，位移傳感器32和扭矩傳感器37 ；位移傳感器32 —端固定在土艙蓋3上表面，另一端固定在支架1上；土艙蓋3中間設置土艙蓋土壓力傳感器 33，土艙壁上等間距設置不少于4個土艙壁土壓力傳感器34，土艙底板中心設置土艙底板土壓力傳感器36，螺旋排土器8上等間距設置不少于3個排土器土壓力傳感器35 ；螺旋排土器8末端設置扭矩傳感器37。本實用新型具有如下優(yōu)點本實用新型能模擬盾構掘進時土艙內(nèi)土體的真實情況，詳細監(jiān)測掘進過程中土艙、螺旋排土器內(nèi)土樣的壓力狀態(tài)變化過程，全面評價改良土體性能；通過改變螺旋排土器傾斜角度研究其對盾構機內(nèi)土壓力的影響；方便量取螺旋排土器的出土量，研究土樣的螺旋排土器出土效率，為優(yōu)化盾構施工參數(shù)提供參考。

圖1為本實用新型一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型裝置的結構示意圖；圖2為本實用新型中土艙攪拌裝置示意圖；圖3為本實用新型中螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置示意圖；圖4為本實用新型中螺旋排土器的結構示意圖；圖5為本實用新型中螺旋排土器傳動裝置的結構示意圖；圖6為本實用新型中傳感器分布圖。圖中1、土艙支架，2、土艙千斤頂，3、土艙蓋，4、攪拌棒，5、土艙，6、攪拌電動機，7、 混凝土底座，8、螺旋排土器，9、螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置，10、螺旋排土器支座千斤頂，11、螺旋排土器電動機，12、排土口，13、螺旋排土器支座，14、螺桿，15、傳動軸，16、螺栓，17、圓形固定板，18、滑輪密封裝置，19、法蘭，20、不銹鋼鋼珠，21、外轉(zhuǎn)動球殼，22、內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼，23、螺栓孔，24、螺旋排土器內(nèi)軸，25、螺旋排土器外筒，26、螺旋葉片，27、螺栓，28、螺旋出土器固定裝置，29、滑輪密封裝置，30、鋼管，31、傳動軸，32、位移計，33、土艙蓋土壓力壓力計，34、 土艙壁土壓力壓力計，35、螺旋排土器土壓力傳感器，36 土艙底板土壓力傳感器，37、扭矩傳感器。
具體實施方式
以下結合附圖1 圖6對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示，土艙5是一個上部開口長方體容器，具有較好的密封性，能承受 0. 3Mpa的壓強，底部固定在混凝土底座7上。土艙5兩側設有支架1，土艙5上方的支架1 上設一橫梁，橫梁中心安裝垂直向下伸縮的土艙千斤頂2，土艙千斤頂2連接土艙蓋3，土艙蓋3周圍具有密封止水條，土艙千斤頂2通過土艙蓋3對土艙5內(nèi)土樣加壓，土艙千斤頂2 的行程可達800mm。土艙5內(nèi)部設有攪拌棒4，攪拌棒4橫穿土艙5的內(nèi)部，攪拌棒4連接土艙5外部的攪拌電動機6 ；土艙5 —側的下部有圓形開口，開口連接螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置 9，螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置9內(nèi)部連接螺旋排土器8，螺旋排土器8內(nèi)部是螺桿14，螺桿14外徑與排土器8的間隙在5mm左右，靠近螺旋排土器8的末端下方設有直徑為160mm的圓形排土口 12，螺桿14末端連接螺旋排土器電動機11，螺旋排土器8和電動機連接在一起并通過螺旋排土器支座千斤頂10固定在螺旋排土器支座13上，可以通過螺旋排土器支座千斤頂10的升降改變螺旋排土器8的傾斜角度。如圖2所示，所述的土艙攪拌裝置由固定板17、傳動軸15和攪拌電動機6組成。 攪拌棒4使用螺栓固定在固定板17上，傳動軸15使用螺栓16固定在板17中心，固定板17 緊貼著土艙5的內(nèi)壁，固定板17通過傳動軸15與土艙5外部的攪拌電動機6相連，傳動軸 15穿過土艙壁并設有滑輪密封裝置18。如圖3所示，所述的螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置9由不銹鋼鋼珠20、內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22、外轉(zhuǎn)動球殼21、法蘭19組成。內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22通過不銹鋼滾珠20與外轉(zhuǎn)動球殼19構成一個整體結構，內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22和外轉(zhuǎn)動球殼21之間可以通過鋼珠20的轉(zhuǎn)動相互錯動改變螺旋排土器8的傾斜角度。內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼22與螺旋排土器8起始端連接，外轉(zhuǎn)動球殼21通過法蘭 19將螺旋排土器8裝置固定在土艙5上。如圖4所示，所述的螺旋排土器8由螺旋排土器外筒25、螺桿14和排土口 12組成。外筒25是厚度為IOmm的圓筒，內(nèi)部是與外筒25平行的螺桿14，與外筒25之間的間隙為5mm左右。螺桿14由螺桿內(nèi)軸M和葉片25組成，葉片25為寬度為40mm的鋼板，厚度是10mm，螺旋焊接在螺桿內(nèi)軸M上?？拷馔?5末端有直徑為160mm的開口 12，內(nèi)軸末端有兩個相鄰的螺栓孔23。如圖5所示，所述的螺旋排土器傳動裝置由螺栓27、螺旋出土器固定裝置觀、滑輪密封裝置四、鋼管30、傳動軸31和螺旋排土器電動機11組成。螺旋出土器固定裝置觀是一個圓柱體，中心開口，直徑與外筒25直徑相同并固定在外筒25上，螺旋出土器固定裝置 28中心穿過一鋼管30，通過滑輪密封裝置四密封，鋼管30直徑與螺旋排土器內(nèi)軸M內(nèi)徑相同，鋼管30左端深入內(nèi)軸M —段距離并使用螺栓27與其固定，鋼管30另一端與電動機傳動軸31連接。如圖6所示，所述的傳感器包括土艙蓋上、土艙壁、土艙底板和螺旋排土器上的土壓力傳感器，位移傳感器和扭矩傳感器。位移傳感器32 —端固定在土艙蓋3上表面，另一端固定在支架1上，量程為1000mm。土艙蓋3中間設置土艙蓋土壓力傳感器33測量土艙 5上部土體壓力，土艙壁上等間距設置不少于4個土艙壁土壓力傳感器34測量土體壓力變化，土艙底板中心設置土艙底板土壓力傳感器36，螺旋排土器8上以等間距設置不少于3個排土器土壓力傳感器35測量土壓力變化，以上所有的土壓力傳感器量程為0 0. 6Mpa，精度為0. 5%。螺旋排土器8底部設置扭矩傳感器37測量螺旋排土器的轉(zhuǎn)速和扭矩。使用時，操作步驟如下準備大約0. 3m3的土樣，升高土艙蓋3，將土樣裝入土艙5 中，以土樣填滿土艙5為宜，啟動土艙千斤頂2對土體加壓到設定壓力；啟動攪拌電動機6， 轉(zhuǎn)動土艙5內(nèi)攪拌棒4，設定轉(zhuǎn)動角速度為5rev/min，模擬刀盤轉(zhuǎn)動，充分攪拌土艙5內(nèi)的土體；啟動螺旋排土器支座千斤頂10，調(diào)整螺旋排土器8的傾斜角度；打開螺旋排土器開口12，啟動螺旋排土器電動機11，設定螺旋排土器8轉(zhuǎn)速，在排土過程中維持土艙千斤頂壓力 2不變，待土艙千斤頂2量程達到600mm時，關閉螺旋排土器電動機11，清理土艙5和螺旋排土器8中的渣土。
權利要求1. 一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型裝置，其特征在于本裝置包括土艙、土艙蓋、土艙千斤頂、攪拌棒、攪拌電動機、土艙支架、混凝土底座、螺旋排土器、螺旋排土器電動機、螺旋轉(zhuǎn)動裝置、螺旋排土器支座千斤頂，傳感器；其中土艙( 是一個上部開口的封閉容器，底部固定在混凝土底座(7)上；土艙上方的支架(I)設一橫梁，橫梁中心安裝垂直向下伸縮的土艙千斤頂O)，千斤頂連接土艙蓋(3)，土艙蓋周圍具有密封止水條；土艙(5)內(nèi)部設有攪拌棒G)，攪拌棒固定在固定板(17)上， 固定板(17)緊貼著土艙(5)的內(nèi)壁，橫穿土艙(5)的內(nèi)部，并通過傳動軸(15)與土艙(5) 外部的攪拌電動機(6)相連；土艙( 一側下部通過螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置(9)連接螺旋排土器(8)；螺旋排土器轉(zhuǎn)動裝置(9)由鋼珠(20)、內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼(22)、外轉(zhuǎn)動球殼(21)、法蘭 (19)組成；內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼02)通過不銹鋼滾珠00)與外轉(zhuǎn)動球殼(19)構成一個整體結構； 內(nèi)轉(zhuǎn)動球殼02)與螺旋排土器⑶起始端連接，外轉(zhuǎn)動球殼通過法蘭(19)固定在土艙( 上；螺旋排土器(8)內(nèi)部是螺桿(14)，靠近螺旋排土器(8)的末端下方設有排土口(12)，螺桿(14)末端連接螺旋排土器電動機(11)，螺旋排土器(8)和螺旋排土器電動機(II)連接在一起，螺旋排土器(8)和螺旋排土器電動機(11)通過螺旋排土器支座千斤頂 (10)固定在螺旋排土器支座(1 上；傳感器包括土壓力傳感器，位移傳感器(3 和扭矩傳感器(37)；位移傳感器(32) — 端固定在土艙蓋C3)上表面，另一端固定在支架(1)上；土艙蓋C3)中間設置土艙蓋土壓力傳感器(33)，土艙壁上等間距設置不少于4個土艙壁土壓力傳感器(34)，土艙底板中心設置土艙底板土壓力傳感器(36)，螺旋排土器(8)上等間距設置不少于3個排土器土壓力傳感器(3 ；螺旋排土器(8)末端設置扭矩傳感器(37)。
專利摘要本實用新型涉及一種土壓平衡盾構施工土體改良試驗的土壓艙模型裝置。包括土艙和螺旋排土器兩大部分。土艙是一個上部開口的密封容器，上部開口處設土艙蓋并通過千斤頂對土樣加壓，土艙內(nèi)部設有攪拌棒；螺旋排土器連接在土艙底部，能將土艙里的土體排出，排土器的傾斜角度可在20°～40°之間變化，上部設有排土口。此裝置能模擬盾構掘進時土艙內(nèi)的真實情況，試驗過程中實時監(jiān)測土艙、螺旋排土器內(nèi)土壓力及螺旋排土器扭矩變化過程，全面評價改良土體性能；改變螺旋排土器傾斜角度研究其對盾構機內(nèi)土壓力的影響；方便量取螺旋排土器的出土量，研究土樣的螺旋排土器出土效率，為優(yōu)化盾構施工參數(shù)提供參考。
文檔編號G01N33/24GK202092933SQ201120168029
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權日2011年5月24日
發(fā)明者姜厚停, 龔秋明 申請人:北京工業(yè)大學