盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，包括模型土箱

【技术实现步骤摘要】
盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置


[0001]本专利技术涉及隧道及地下工程
，特别是涉及盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置
。

技术介绍

[0002]盾构是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，它具有开挖快
、
优质
、
安全
、
经济
、
有利于环境保护和降低劳动强度的优点，在城市隧道的建设中得到越来越广泛的应用
。
然而，盾构在砂卵石地层中掘进时，由于卵石颗粒特性
、
刀盘刀具导流特性
、
排碴性能等原因经常造成渣土不能随时排出或滞后排出，导致切削下来的卵石滞留在刀盘前方或盾构土舱内，形成渣土滞排现象
。
滞排对盾构施工会造成较大的不利影响，一方面会造成盾构机的机械损坏，例如刀盘刀具的磨损
、
螺旋机过度磨损等；另一方面滞排会造成盾构掘进困难
、
超挖严重
、
沉降难以控制，甚至造成塌陷等
。
究其原因，上述滞排现象可归结为盾构刀盘选型和刀具设计与地层适应性问题
。
盾构掘进是刀盘刀具与土体相互作用的过程，虽然现有的研究表明刀盘刀具的导流性是影响盾构掘进效率的关键，但对于卵石颗粒从地层脱离后的运动特征尚不清楚，且尚无有效的技术手段可以直接观测到盾构掘进过程中卵石颗粒的运移姿态
。
为了更好地理解刀盘刀具和土体相互作用规律，提高刀盘刀具对渣土的导流性，有必要对盾构掘削过程中卵石颗粒的沉积运移规律进行深入研究和分析，进而为盾构刀盘结构设计
、
刀具布置及土舱结构设计提供更好的理论依据，最终实现盾构安全
、
高效
、
长距离掘进
。
[0003]通过对现有技术的文献检索发现，现有的成果大多从理论和数值模拟的角度进行研究，而以往模型盾构试验装置也无法直接观测到盾构刀盘前方及盾构土舱内土体的沉积运移规律与流动特性
。
其中，同济大学的专利技术专利（申请公布号
CN 104914007 A
）：单圆盾构土舱渣土流动特性可视化观测试验系统及方法
。
该专利技术专利虽然通过工业化相机直接观测盾构掘进系统内的透明土流动，仍然没有从根本上解决岩土材料内部的不透明性及不可预见性，对于揭示岩土材料在机械作用下其内部颗粒运移规律有很大的局限性
。
究其原因，一方面透明土与真实土样的性质有较大差异，另一方面该专利技术专利并未从颗粒运移特性方面揭示盾构掘削过程中卵石颗粒的沉积运移规律及流动特性
。
[0004]因此，亟需提供一种新的技术方案及试验装置解决上述技术问题
。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种对于卵石颗粒从地层脱离后的运动特征尚不清楚，且尚无有效的技术手段可以直接观测到盾构掘进过程中卵石颗粒的运移姿态以及掘削过程中卵石颗粒的沉积运移规律及流动特性的盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置
。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，包括模型土箱
、
缩尺土压平衡盾构掘进系统
、
磁定位系统和支撑系统，
所述模型土箱
、
缩尺土压平衡盾构掘进系统相对布置
、
且均滑动安装在所述支撑系统上并可锁定，所述模型土箱为两端端部开口的
、
且中通的筒状结构，所述模型土箱内套设置有加载板，用于滑动密封所述模型土箱的一端端部开口，所述加载板的一端面连接有伸缩结构，该伸缩结构延伸出所述模型土箱内，并安装在所述支撑系统上，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分置于所述模型土箱内，用于旋转切削试验土样，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的隔板的部分用于盾构掘进过程中内套在所述模型土箱的另一端端部开口并密封，所述加载板与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成预加装试验土样以及模拟监测盾构掘进过程中试验土样运动轨迹的加装空间，以掌握盾构掘进过程中试验土样在加装空间内的沉积运移规律，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成模拟盾构的盾构土舱，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分掘进后的试验土样被导引到所述盾构土舱；其中，所述磁定位系统包括固定监测部分和活动监测部分，所述固定监测部分安装在所述模型土箱外周上，所述活动监测部分随机放置在所述加装空间内；所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分还设置有螺旋输送机，用于将盾构土舱内的试验土样排出所述模型土箱
。
[0007]在进一步的技术方案中，所述模型土箱的底部通过滑动部件在所述支撑系统上滑动及锁定；所述缩尺土压平衡盾构掘进系统通过水平支撑板在所述支撑系统上滑动及锁定，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统包括刀盘
、
隔板
、
螺旋输送机
、
传动轴
、
扭矩传感器和刀盘驱动电机，所述传动轴和刀盘驱动电机分别通过传动轴支座
、
刀盘驱动电机固定支座固定在所述水平支撑板上，所述传动轴的一端与所述刀盘驱动电机连接，另一端与所述刀盘连接，所述刀盘与所述传动轴支座之间的传动轴上设置有隔板，所述传动轴支座与所述刀盘驱动电机固定支座之间的传动轴上设置有扭矩传感器；所述刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板的直径与模型土箱的外径一致，所述隔板周边设有密封垫圈，所述隔板上固定螺旋输送机的输入端，所述螺旋输送机通过固定支座固定在所述水平支撑板上，所述螺旋输送机的轴线与所述传动轴的轴线平行；所述磁定位系统包括永磁体
、
磁传感器阵列
、
数据采集器
、
数据处理器，所述磁传感器阵列用于接收永磁体发出的磁场信号并将其转变为电信号，所述数据采集器负责磁传感器通道选择和队列式的数据存储及读取；所述数据处理器包括
PC
机以及上位机软件，用于对数据采集器采集到的数据进行处理，以及执行永磁体位姿求解算法（采用现有成熟的算法即可实现永磁体位姿求解），从而计算分析出定位点的位置和姿态信息；同时，在
PC
机上实时显示出当前永磁体的位置与方向，永磁体的运动轨迹和三维效果图；所述模型土箱
、
刀盘
、
搅拌棒
、
加载板
、
隔板
、
传动轴均由无磁钢材料制成；所述模型土箱的加装空间根据实际试验需求，加装对应的试验土样，并对试验土样分层填充并压实
。
[0008]在进一步的技术方案中，所述支撑系统包括矩形框架底座和设置在该矩形框架底座上的导轨，所述伸缩结构为千斤顶，所述千斤顶通过千斤顶固定支座安装在矩形框架底座上，所述滑动部件
、
所述水平支撑板均通过滑块与所述矩形框架底座滑动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，其特征在于，包括模型土箱
、
缩尺土压平衡盾构掘进系统
、
磁定位系统和支撑系统，所述模型土箱
、
缩尺土压平衡盾构掘进系统相对布置
、
且均滑动安装在所述支撑系统上并可锁定，所述模型土箱为两端端部开口的
、
且中通的筒状结构，所述模型土箱内套设置有加载板，用于滑动密封所述模型土箱的一端端部开口，所述加载板的一端面连接有伸缩结构，该伸缩结构延伸出所述模型土箱内，并安装在所述支撑系统上，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的刀盘的部分置于所述模型土箱内，用于旋转切削试验土样，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的隔板的部分用于盾构掘进过程中内套在所述模型土箱的另一端端部开口并密封，所述加载板与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成预加装试验土样以及模拟监测盾构掘进过程中试验土样运动轨迹的加装空间，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分与所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分之间形成模拟盾构的盾构土舱，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的掘进部分掘进后的试验土样被导引到所述盾构土舱；其中，所述磁定位系统包括磁传感器阵列的部分和永磁体的部分，所述磁传感器阵列的部分装配在所述模型土箱外周，所述永磁体的部分随机放置在所述加装空间内；所述缩尺土压平衡盾构掘进系统的密封部分还设置有螺旋输送机，用于将盾构土舱内的试验土样排出所述模型土箱
。2.
根据权利要求1所述的盾构掘进过程中土体运动轨迹可视化实时追踪试验装置，其特征在于，所述模型土箱的底部通过滑动部件在所述支撑系统上滑动及锁定；所述缩尺土压平衡盾构掘进系统通过水平支撑板在所述支撑系统上滑动及锁定，所述缩尺土压平衡盾构掘进系统包括刀盘
、
隔板
、
螺旋输送机
、
传动轴
、
扭矩传感器和刀盘驱动电机，所述传动轴和刀盘驱动电机分别通过传动轴支座
、
刀盘驱动电机固定支座固定在所述水平支撑板上，所述传动轴的一端与所述刀盘驱动电机连接，另一端与所述刀盘连接，所述刀盘与所述传动轴支座之间所在的传动轴部分上设置有隔板，所述传动轴支座与所述刀盘驱动电机固定支座之间的传动轴上设置有扭矩传感器；所述刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板的直径与模型土箱的外径一致，所述隔板周边设有密封垫圈，所述隔板上固定螺旋输送机的输入端，所述螺旋输送机通过固定支座固定在所述水平支撑板上，所述螺旋输送机的轴线与所述传动轴的轴线平行；所述磁定位系统包括永磁体
、
磁传感器阵列
、
数据采集器
、
数据处理器，所述磁传感器阵列用于接收永磁体发出的磁场信号并将其转变为电信号，所述数据采集器负责磁传感器通道选择和队列式的数据存储及读取；所述数据处理器包括
PC
机以及上位机软件，用于对数据采集器采集到的数据进行处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇，姚玉相，何川，豆留盼，田扬，王宇博，卓彬，徐公允，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：