【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道盾构施工，尤其涉及一种盾构穿越断层破碎带模拟装置。
技术介绍
1、在工程实践中，断层的存在使隧道的修建更为复杂。因此，在线路规划设计阶段，一般将活动断层和与线路平行的或交角较小的断层合理避开，对宽度较大的断层破碎带，也应尽量绕避。如避开确有困难，宜使线路中线与断层走向垂直或近于垂直，以减少断层对隧道的影响。泥水平衡盾构机在该类地层中掘进极易出现刀盘结泥饼、刀盘开口堵塞、刀具异常磨损、舱内积渣、滞排、泥浆黏度指标上升快等现象，其中，滞排、结泥饼、刀具磨损严重尤为突出，经常需带压进舱清理或更换刀具，严重制约盾构掘进效率。
2、目前对于可能会出现断层破碎带的区域基本都是采用地面探测方式来确定断层破碎带的位置，题为《基于掘进参数的tbm破碎带施工围岩稳定性分析》的文章(张志强，王旭春，卢泽霖等.基于掘进参数的tbm破碎带施工围岩稳定性分析[j].青岛理工大学学报，2020，41(05):30-36.)依托青岛地铁4号线某双护盾tbm施工区间的实际参数，对采集参数规律进行了总结。
3、题为《基于离散元数值模拟对tbm掘进参数的预测》的文章(江永旺，曹攀，张帅等.基于离散元数值模拟对tbm掘进参数的预测[j].四川建筑，2022，42(05):227-229.)依托青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间平行导洞隧道，基于pfc3d离散元对滚刀破岩进行数值模拟，得到了tbm在不同地层条件下的掘进参数规律。
4、而对无法进行地面探测的区域，现场施工时缺少一种能够模拟盾构机在具有断层破碎带的环境中
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决现有技术缺乏一种能够模拟盾构机在具有断层破碎带的环境中施工的模拟装置的问题，提供一种盾构穿越断层破碎带模拟装置。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
3、一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，包括箱体、盾构推进装置、第一加压装置、测量装置；所述箱体内设置有压板，所述箱体内部充填有模拟地层，所述模拟地层内设置有断层破碎带模拟层，所述压板与所述第一加压装置连接，所述第一加压装置迫使所述压板挤压所述模拟地层；所述盾构推进装置能够穿过所述箱体进入所述模拟地层，所述盾构推进装置包括推进杆和与所述推进杆连接的刀盘，所述推进杆推动所述刀盘在所述模拟地层内掘进；所述测量装置包括计算机和测量棒，所述测量棒插入所述断层破碎带模拟层，所述测量棒通过测线与所述计算机通信连接，所述测量棒能够获取所述断层破碎带模拟层的水土压力值并传输给所述计算机，所述计算机还与所述盾构推进装置通信连接，所述计算机能够获取所述推进杆的转速和所述刀盘的转速以及所述盾构推进装置的推进距离。
4、本专利技术提供的盾构穿越断层破碎带模拟装置，在模拟地层中设置断层破碎带模拟层，可以模拟出盾构机切削过程中突遇断层的情况，方便直接观察盾构机的参数变化；设置盾构推进装置在箱体内的模拟地层掘进，能够模拟实际隧道掘进情况，其通过推进杆带动刀盘在预先准备的模拟地层内转动和推进，模拟出盾构机切削和排渣的过程，再现了盾构机在不同地层中的作业状态；第一加压装置通过将压力作用于压板，按照一定压力挤压模拟地层，模拟出地层岩石在地下深处的压力状况，使模拟地层能够反映实际地层性质，保证试验的可靠性。测量装置中的测量棒插入断层破碎带模拟层，实时检测水压和土压变化情况，并将数据传送给计算机。计算机收集和分析盾构推进装置的推进参数，包括推进杆、刀盘的转速，盾构推进距离以及测量装置反馈的水压和土压参数，建立模型，判断盾构机何时进入断层，预测断层位置。
5、本专利技术提供的盾构穿越断层破碎带的模拟装置，可以模拟盾构隧道开挖，还可以模拟出断层破碎带的影响，并通过修改断层破碎带模拟层的材料，研究盾构参数的变化规律。本专利技术的盾构穿越断层破碎带模拟装置可以帮助施工人员根据盾构推力、扭矩以及推进距离的变化，来预测盾构前方断裂破碎带的位置，从而达到对盾构开挖区断层位置的确定，保证盾构机在存在断层破碎带的地层区的安全施工。
6、可选地，所述箱体包括底板、侧壁以及密封箱盖，所述底板与所述侧壁围成顶部敞口的槽型结构，所述密封箱盖盖设于所述侧壁，所述侧壁开设通孔，所述盾构推进装置通过所述通孔进入所述模拟地层。
7、底板和侧壁围成开口向上的槽型结构，可以方便地向箱体内填充和装配模拟地层，提高试验准备的效率。密封箱盖的设置可以防止在加压过程中压力漏失，侧壁开设通孔，可以使推进装置准确无误地穿过箱体进入预设的模拟地层，避免偏差的产生，保证试验顺利进行，该模拟装置结构简单，操作便利。
8、可选地，所述第一加压装置包括螺纹扭杆和托盘，所述密封箱盖开设与所述螺纹扭杆匹配的第一螺纹孔，所述托盘开设与所述螺纹扭杆匹配的第二螺纹孔，所述螺纹扭杆通过所述第二螺纹孔与所述托盘螺纹连接，所述托盘与所述压板固定连接。
9、第一加压装置采用这种结构设置，螺纹扭杆依次穿过第一螺纹孔、第二螺纹孔，扭杆呈螺纹结构，通过旋转扭杆实现螺纹的推进，带动托盘向下移动，继而推动压板向模拟地层施加压力。该结构简单，制作和安装过程容易，维护方便，成本较低。
10、可选地，本专利技术提供的盾构穿越断层破碎带的模拟装置还包括第二加压装置，所述第二加压装置包括空气压缩机，所述空气压缩机的输出端与空气管路的输入端连接，所述空气管路的输出端伸入至所述密封箱盖和所述压板之间。
11、本专利技术提供的盾构穿越断层破碎带模拟装置，在设置第一加压装置的基础上，还设置有第二加压装置，第二加压装置使用空气压缩机提供气源，通过气管直接向密封箱盖和压板之间充气，可以更直观、精确地控制模拟地层的压力，提高试验的准确性。该加压方式可以与扭杆加压方式配合使用，实现两种不同方式的组合加压，加压效果更好，使试验环境参数范围更广。气压大小可以通过调节空气压缩机轻松改变，操作灵活，满足不同模拟场景的需要。
12、可选地，所述空气管路安装有阀门、稳压器以及用于感应所述空气管路内气压的压力传感器。
13、采用这种结构设置，阀门可以控制气流通断，调节气压大小，与空气压缩机配合，实现气压的精确控制。稳压器可以过滤气流中的杂质，调节气压波动，输出稳定的气压，保证气压条件的稳定性。压力传感器可以实时检测并反馈管路内的空气压力参数，如果气压值低于预设值，可以开启空气压缩机对密封箱盖和压板之间进行加压。通过上述部件的协同工作，可以精确设定模拟地层12所需要的气压值，控制气压的细微变化。
14、可选地，所述盾构推进装置还包括外筒，所述外筒穿过所述通孔并安装于所述箱体内，所述推进杆位于所述外筒内，所述推进杆远离所述刀盘的一端与驱动装置连接，所述驱动装置能够驱动所述推进杆旋转，进而带动所述刀盘旋转掘进。
15、盾构推进装置采用这种结构设置，外筒可以采用钢制材料制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，包括箱体(1)、盾构推进装置(2)、第一加压装置(3)、测量装置(4)；所述箱体(1)内设置有压板(11)，所述箱体(1)内部充填有模拟地层(12)，所述模拟地层(12)内设置有断层破碎带模拟层(13)，所述压板(11)与所述第一加压装置(3)连接，所述第一加压装置(3)迫使所述压板(11)挤压所述模拟地层(12)；所述盾构推进装置(2)能够穿过所述箱体(1)进入所述模拟地层(12)，所述盾构推进装置(2)包括推进杆(21)和与所述推进杆(21)连接的刀盘(22)，所述推进杆(21)推动所述刀盘(22)在所述模拟地层(12)内掘进；所述测量装置(4)包括计算机(41)和测量棒(42)，所述测量棒(42)插入所述断层破碎带模拟层(13)，所述测量棒(42)通过测线(43)与所述计算机(41)通信连接，所述测量棒(42)能够获取所述断层破碎带模拟层(13)的水土压力值并传输给所述计算机(41)，所述计算机(41)还与所述盾构推进装置(2)通信连接，所述计算机(41)能够获取所述推进杆(21)的转速和所述刀盘(22)的转速以及所述盾构推进
2.根据权利要求1所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述箱体(1)包括底板(14)、侧壁(15)以及密封箱盖(16)，所述底板(14)与所述侧壁(15)围成顶部敞口的槽型结构，所述密封箱盖(16)盖设于所述侧壁(15)，所述侧壁(15)开设通孔(151)，所述盾构推进装置(2)通过所述通孔(151)进入所述模拟地层(12)。
3.根据权利要求2所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述第一加压装置(3)包括螺纹扭杆(31)和托盘(32)，所述密封箱盖(16)开设与所述螺纹扭杆(31)匹配的第一螺纹孔(161)，所述托盘(32)开设与所述螺纹扭杆(31)匹配的第二螺纹孔(321)，所述螺纹扭杆(31)通过所述第二螺纹孔(321)与所述托盘(32)螺纹连接，所述托盘(32)与所述压板(11)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，还包括第二加压装置(5)，所述第二加压装置(5)包括空气压缩机(51)，所述空气压缩机(51)的输出端与空气管路(52)的输入端连接，所述空气管路(52)的输出端伸入至所述密封箱盖(16)和所述压板(11)之间。
5.根据权利要求4所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述空气管路(52)安装有阀门(521)、稳压器(522)以及用于感应所述空气管路(52)内气压的压力传感器(523)。
6.根据权利要求2所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述盾构推进装置(2)还包括外筒(23)，所述外筒(23)穿过所述通孔(151)并安装于所述箱体(1)内，所述推进杆(21)位于所述外筒(23)内，所述推进杆(21)远离所述刀盘(22)的一端与驱动装置(24)连接，所述驱动装置(24)能够驱动所述推进杆(21)旋转，进而带动所述刀盘(22)旋转掘进。
7.根据权利要求6所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述外筒(23)内还设置有多个支架(25)，所述支架(25)用于支撑所述外筒(23)的内壁。
8.根据权利要求1所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述推进杆(21)安装有速度传感器(211)，所述刀盘(22)安装有转速传感器(221)，所述速度传感器(211)和所述转速传感器(221)均与所述计算机(41)通信连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述箱体(1)为透明材料制作。
...【技术特征摘要】
1.一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，包括箱体(1)、盾构推进装置(2)、第一加压装置(3)、测量装置(4)；所述箱体(1)内设置有压板(11)，所述箱体(1)内部充填有模拟地层(12)，所述模拟地层(12)内设置有断层破碎带模拟层(13)，所述压板(11)与所述第一加压装置(3)连接，所述第一加压装置(3)迫使所述压板(11)挤压所述模拟地层(12)；所述盾构推进装置(2)能够穿过所述箱体(1)进入所述模拟地层(12)，所述盾构推进装置(2)包括推进杆(21)和与所述推进杆(21)连接的刀盘(22)，所述推进杆(21)推动所述刀盘(22)在所述模拟地层(12)内掘进；所述测量装置(4)包括计算机(41)和测量棒(42)，所述测量棒(42)插入所述断层破碎带模拟层(13)，所述测量棒(42)通过测线(43)与所述计算机(41)通信连接，所述测量棒(42)能够获取所述断层破碎带模拟层(13)的水土压力值并传输给所述计算机(41)，所述计算机(41)还与所述盾构推进装置(2)通信连接，所述计算机(41)能够获取所述推进杆(21)的转速和所述刀盘(22)的转速以及所述盾构推进装置(2)的推进距离。
2.根据权利要求1所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述箱体(1)包括底板(14)、侧壁(15)以及密封箱盖(16)，所述底板(14)与所述侧壁(15)围成顶部敞口的槽型结构，所述密封箱盖(16)盖设于所述侧壁(15)，所述侧壁(15)开设通孔(151)，所述盾构推进装置(2)通过所述通孔(151)进入所述模拟地层(12)。
3.根据权利要求2所述的一种盾构穿越断层破碎带模拟装置，其特征在于，所述第一加压装置(3)包括螺纹扭杆(31)和托盘(32)，所述密封箱盖(16)开设与所述螺纹扭杆(31)匹配的第一螺纹孔(161)，所述托盘(32)...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋世攻，郭高杰，王晓旭，李雪，张宁，曾禹熙，吴野，于保安，于杨，郎晓光，刘瑜志，
申请(专利权)人：中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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