一种考虑盾构刀盘影响的隧道开挖面稳定实验设备和方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑盾构刀盘影响的隧道开挖面稳定实验设备和方法，包括整体框架部分、盾构系统、刀盘动力控制系统、土仓板动力控制系统以及监测系统，其中，所述整体框架部分包括试验箱、保护罩、工作面、工作台Ⅰ、工作台Ⅱ，所述盾构系统包括刀盘、隧道、法兰、土仓板，所述刀盘动力系统包括传动轴、减速器Ⅱ、电机Ⅱ、变频器Ⅱ，所述土仓板动力控制系统包括推杆、反力架、承台、滚珠丝杆、导轨、减速器Ⅰ、电机Ⅰ、变频器Ⅰ，所述监测系统包括激光测距装置、轮辐式力传感器。该设备能够对盾构动态刀盘作用下开挖面稳定性进行分析，并确定维持开挖面稳定所需的极限支护压力，从而可以保障盾构掘进施工时的开挖面稳定。施工时的开挖面稳定。施工时的开挖面稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑盾构刀盘影响的隧道开挖面稳定实验设备和方法


[0001]本专利技术涉及盾构
，尤其涉及一种考虑盾构刀盘影响的隧道开挖面稳定实验设备和方法。

技术介绍

[0002]近些年来，我国城市轨道交通建设在不断升温，因此作为现代化、机械化的施工设备盾构机的需求也在持续增长。开挖面稳定是盾构机在掘进过程中保障施工安全、保证施工质量的关键，而在实际施工条件下，盾构机的刀盘切削土体对开挖面的扰动不可避免，也不可忽视。
[0003]目前，现有技术中的盾构机的开挖面稳定方法没有考虑刀盘的切削扰动作用，无法还原真实的盾构施工边界条件，无法准确地确定开挖面极限支护压力，从而给施工安全埋下隐患。

技术实现思路

[0004]本专利技术的实施例提供了一种考虑盾构刀盘影响的隧道开挖面稳定实验设备和方法，以实现有效地保障盾构掘进施工时的开挖面稳定。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备，包括整体框架部分、盾构系统、刀盘动力控制系统、土仓板动力控制系统以及监测系统，其中，所述整体框架部分包括试验箱、保护罩、工作面、工作台Ⅰ和工作台Ⅱ，所述盾构系统包括刀盘、隧道、法兰和土仓板，所述刀盘动力系统包括传动轴、减速器Ⅱ、电机Ⅱ和变频器Ⅱ，所述土仓板动力控制系统包括推杆、反力架、承台、滚珠丝杆、导轨、减速器Ⅰ、电机Ⅰ和变频器Ⅰ，所述监测系统包括激光测距装置和轮辐式力传感器；
[0006]所述变频器Ⅰ、变频器Ⅱ分别与电机Ⅰ、电机Ⅱ连接，控制电机转速，实现刀盘以不同转速运行以及土仓板以不同速度推进；
[0007]所述减速器Ⅰ、减速器Ⅱ分别与电机Ⅰ、电机Ⅱ连接，减速器能够减小电机转速，以获得更大的力矩；
[0008]所述电机Ⅰ、减速器Ⅰ设置于工作台Ⅰ，所述电机Ⅱ、减速器Ⅱ、变频器Ⅰ和变频器Ⅱ设置于工作台Ⅱ。
[0009]优选地：所述试验箱的三个非观测面均设置为钢板，一个观测面设置为有机玻璃板，有机玻璃板厚度大于钢板厚度；
[0010]所述有机玻璃板内侧与隧道轴线重合；
[0011]所述工作台Ⅰ与所述工作台Ⅱ通过螺栓固定于工作面，保持固定位置，所述工作面通过螺栓与试验箱连接，保持固定位置。
[0012]优选地：所述刀盘设置于隧道前方，刀盘上安装有刀具，中心处刀具为1个鱼尾刀，每辐条处刀具为3个切削刀，刀盘共有三个辐条，切削刀共计9个；辐条与辐条之间安装面板，面板共计3个；
[0013]所述法兰与隧道通过焊接的方式连接，并通过螺栓与隧道侧壁固定，所述保护罩通过螺栓固定于试验箱有机玻璃板。
[0014]优选地：所述刀盘通过传动轴与减速器Ⅱ连接，进而由电机Ⅱ带动旋转。
[0015]优选地：所述反力架底部与承台前端焊接，所述承台通过与导轨滑块螺栓连接的方式置于导轨上，所述导轨通过螺栓连接置于工作台Ⅰ上，所述滚珠丝杆的丝杆穿过反力架底部的圆孔，并与减速器Ⅰ连接，所述滚珠丝杆的螺母通过螺栓与反力架底部固定；
[0016]电机Ⅰ通过减速器Ⅰ带动滚珠丝杆的丝杆旋转，实现滚珠丝杆的螺母的直线运动，进而实现反力架在导轨上的直线运动，通过变频器Ⅰ对电机Ⅰ的正反转进行调节，从而实现反力架在导轨上运动的前后控制；
[0017]所述土仓板通过推杆与反力架连接，实现土仓板的前后移动。
[0018]优选地：所述激光测距装置设置于承台上，记录承台水平前后位移的变化值，以获得土仓板水平前后位移的变化值；
[0019]所述轮辐式力传感器设置于推杆与反力架的接触处，所述推杆一端与土仓板连接，一端穿过轮辐式力传感器与反力架螺栓连接；
[0020]所述轮辐式传感器可以布置在反力架前侧，测得土仓板前进时推杆所受到的压力，也可以布置在反力架后侧，测得土仓板后退时推杆所受到的推力。
[0021]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种考虑盾构刀盘影响的隧道开挖面稳定实验方法，适用于所述的设备，所述方法包括：
[0022]步骤A、设定试验参数，所述试验参数包括尺寸参数、刀盘运行参数、土仓板运行参数；
[0023]步骤B、调试及标定激光测距装置、刀盘驱动装置和土仓板驱动装置；
[0024]步骤C、标定土仓板与隧道间的摩擦力，调试及标定轮辐式力传感器；
[0025]步骤D、向试验箱中装入土样至设定埋深；
[0026]步骤E、设置刀盘不旋转进行试验，启动电机Ⅰ，按照设定好的土仓板移动参数进行试验，试验过程中，通过有机玻璃板对隧道前方土体的变形破坏进行拍照观测，激光测距装置和轮辐式力传感器实时记录土仓板的位移变化和受力变化；
[0027]步骤F、设置刀盘不同转速，重复步骤B～D，启动电机Ⅱ，待电机Ⅱ转速稳定后，启动电机Ⅰ，按照设定好的试验参数进行试验，试验过程中，通过有机玻璃板对隧道前方土体的变形破坏进行拍照观测，激光测距装置和轮辐式力传感器实时记录土仓板的位移变化和受力变化，根据位移和受力关系确定极限支护压力，直至试验结束。
[0028]由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例的设备和方法能够对盾构动态刀盘作用下开挖面稳定性进行分析，并确定维持开挖面稳定所需的极限支护压力，从而可以保障盾构掘进施工时的开挖面稳定。
[0029]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述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专利技术的一些实施例，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。
[0031]图1为本专利技术实施例提供的一种考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备的主视图；
[0032]图2为本专利技术实施例提供的一种考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备的俯视图；
[0033]图3为本专利技术实施例提供的一种试验箱的正视图；
[0034]图4为本专利技术实施例提供的一种盾构系统的结构剖面图；
[0035]图5为本专利技术实施例提供的一种反力架的正视图；
[0036]图6为本专利技术实施例提供的一种刀盘的正视图；
[0037]图7为本专利技术实施例提供的一种土仓板的正视图。
[0038]图中数字表示，
[0039]1‑
试验箱，2
‑
保护罩，3
‑
法兰，4
‑
推杆，5
‑
反力架，6
‑
轮辐式力传感器，7
‑
传动轴，8
‑
滚珠丝杆，9
‑
承台，10
‑
工作面，11
‑
导轨，12
‑
工作台Ⅰ，13
‑
减速器Ⅰ，14
‑
电机Ⅰ，15
‑
减速器Ⅱ，16
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备，其特征在于，包括整体框架部分、盾构系统、刀盘动力控制系统、土仓板动力控制系统以及监测系统，其中，所述整体框架部分包括试验箱、保护罩、工作面、工作台Ⅰ和工作台Ⅱ，所述盾构系统包括刀盘、隧道、法兰和土仓板，所述刀盘动力系统包括传动轴、减速器Ⅱ、电机Ⅱ和变频器Ⅱ，所述土仓板动力控制系统包括推杆、反力架、承台、滚珠丝杆、导轨、减速器Ⅰ、电机Ⅰ和变频器Ⅰ，所述监测系统包括激光测距装置和轮辐式力传感器；所述变频器Ⅰ、变频器Ⅱ分别与电机Ⅰ、电机Ⅱ连接，控制电机转速，实现刀盘以不同转速运行以及土仓板以不同速度推进；所述减速器Ⅰ、减速器Ⅱ分别与电机Ⅰ、电机Ⅱ连接，减速器能够减小电机转速，以获得更大的力矩；所述电机Ⅰ、减速器Ⅰ设置于工作台Ⅰ，所述电机Ⅱ、减速器Ⅱ、变频器Ⅰ和变频器Ⅱ设置于工作台Ⅱ。2.根据权利要求1所述的考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备，其特征在于：所述试验箱的三个非观测面均设置为钢板，一个观测面设置为有机玻璃板，有机玻璃板厚度大于钢板厚度；所述有机玻璃板内侧与隧道轴线重合；所述工作台Ⅰ与所述工作台Ⅱ通过螺栓固定于工作面，保持固定位置，所述工作面通过螺栓与试验箱连接，保持固定位置。3.根据权利要求1所述的考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备，其特征在于：所述刀盘设置于隧道前方，刀盘上安装有刀具，中心处刀具为1个鱼尾刀，每辐条处刀具为3个切削刀，刀盘共有三个辐条，切削刀共计9个；辐条与辐条之间安装面板，面板共计3个；所述法兰与隧道通过焊接的方式连接，并通过螺栓与隧道侧壁固定，所述保护罩通过螺栓固定于试验箱有机玻璃板。4.根据权利要求1所述的考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备，其特征在于：所述刀盘通过传动轴与减速器Ⅱ连接，进而由电机Ⅱ带动旋转。5.根据权利要求1所述的考虑盾构刀盘影响的开挖面稳定实验设备，其特征在于：所述反力架底部与承台前端焊接，所述承台通过与导轨滑块螺栓连接的方式置于导轨上，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：金大龙，袁大军，李兴高，向路玖，刘腾，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：