CN103364218A - 用于物理模拟试验隧洞开挖的微型tbm开挖系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，属于岩土工程技术领域。该系统包括刀盘，护盾，撑靴，传动轴，拉力千斤顶，导轨，电机，底座等，所述的拉力千斤顶的一端与支撑台架固定，另一端的活塞拉动底座和电机一起前进或后退，电机带动传动轴转动，推动刀盘前进切削掌子面“岩体”，撑靴两侧的千斤顶可推动撑靴臂对“围岩”施加指定压力。本发明可准确模拟刀盘破岩过程，考虑围岩-撑靴，掌子面-刀盘，围岩-护盾的相互作用，既可以应用于一般的地质力学模型试验模拟TBM盾构掘进机开挖软岩隧道、地铁等，也可应用于模拟深埋硬岩隧洞TBM掘进机的开挖，研究岩-机相互作用和岩爆的关系。

Description

用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统

技术领域

本发明涉及一种用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

物理模拟试验是以相似理论为基础，在配制相似材料的基础上，通过对模型试件加载、开挖、支护、监测等，通过缩尺的模型研究地下隧洞、厂房的破坏、稳定性问题，利用试验结果对现场的施工进行指导的一种研究方法，与室内试验、数值分析和现场监测共同构成了岩土工程的四种研究方法。模型的材料性质、试件构造特征、加载方法、开挖方法等与原型越相似，试验结果的可靠性越高，可供工程人员的借鉴性就越大。

模型试验中隧洞的开挖主要有四种方法：

(1) 制作试件时在指定位置预埋与开挖洞形一致的柱体，待试件干燥后拔出柱体使隧洞一次成型，再加载。

(2) 制作试件时在指定位置预埋与开挖洞形一致的柱体，柱体由数小段组成，力学性质（如弹模）尽量与试件一致，试件干燥后加载至初始应力，再将预埋的小段柱体依次顶出，模拟分段开挖。

(3) 将制作的试件干燥后加载至初始应力，在预定位置手动开挖出一定形状的隧洞。

(4) 将制作的试件干燥后加载至初始应力，在预定位置利用钻机或小型开挖设备机械开挖出指定形状的隧洞。

以上四种开挖方式主要存在以下缺点：

(1) 先开孔后加载的方式虽然成洞效果较好但与实际开挖过程不相符，现场的开挖施工是在原岩应力场中进行的，因此这种方法不能很好的模拟洞室开挖过程和应力重分布特征。

(2) 加载后依次顶出预埋的小圆柱块模拟分步开挖的方法需要使小圆柱块的变形与试件变形相协调、一致，柱体不能影响试件的变形，且高压力下也不易顶出。

(3) 手动开挖的方法对简单的试验过程是可行的，但当开挖隧洞较长、存在隐蔽开挖时，在狭小的空间内手动开挖困难较大。

(4) 采用钻机或微型开挖设备开挖时省时省力、效率较高，但采用的简易机械开挖方法与现场机械开挖中的刀盘破岩机理、岩-机相互作用等还存在较大差别，无法做到准确模拟。

TBM隧洞掘进机已经被广泛应用到隧道、深埋硬岩隧洞的开挖中，刀盘对掌子面岩体的巨大推力、撑靴对围岩强大支撑作用等均对岩爆的发生产生抑制作用，因此研制一套结构简单但又可以准确模拟刀盘破岩过程，可充分考虑刀盘、护盾和撑靴与岩体的相互作用，从而研究TBM开挖速率、刀盘推力、扭矩、撑靴压力、护盾压力与岩爆的相互作用机制，是提高开挖效率和模拟结果的科学性和准确性的必要条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于物理模拟试验隧洞开挖的能够综合考虑刀盘破岩过程相似性以及刀盘、护盾和撑靴与岩体之间复杂的岩-机相互作用的微型TBM开挖系统。 

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，所述的微型TBM开挖系统由刀盘，护盾，撑靴，传动轴，拉力千斤顶，导轨，电机，底座，支撑台架组成，所述的支撑台架上沿长度方向对称设置有导轨，底座活动的置于导轨上，拉力千斤顶一端固定连接在支撑台架一侧，拉力千斤顶的活塞端头固定连接在底座上，拉力千斤顶的轴线平行于导轨，位于支撑台架的中心线上，电机固定安装在底座上方，电机的转轴和传动轴一端通过法兰连接，传动轴的轴线与拉力千斤顶的轴线平行且位于同一竖直平面内，传动轴的另一端套装有护盾，护盾和传动轴固定连接，传动轴的端头固定安装有刀盘，刀盘直径与护盾外径相等，撑靴活动的套装在传动轴上。

所述的撑靴由靴套，千斤顶，撑靴臂构成，靴套呈空心圆柱状，千斤顶对称设置在靴套两侧，千斤顶的活塞端头固定安装有撑靴臂，撑靴臂呈弧形状。

所述的刀盘为圆形，刀盘端面中央过圆心沿径向布置有一条鱼尾刀，鱼尾刀两侧对称镶嵌两个以上合金齿，刀盘上开有出渣孔，出渣孔轴线平行于传动轴。

所述的护盾靠近刀盘一端为圆环形中空结构，另一端面上中心四周对称开有等直径的圆孔。

由于采用了以上技术方案，本发明的用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统中，拉力千斤顶提供刀盘破岩的推力，电机提供刀盘破岩的扭矩，撑靴可通过千斤顶对“围岩”施加预定的压力，刀盘上的鱼尾刀和镶嵌合金齿可压入掌子面切削“岩体”。本发明可以准确的模拟工程现场TBM掘进过程中围岩-撑靴，掌子面-刀盘，围岩-护盾的相互作用，使刀盘对围岩的压力和扭矩及撑靴对围岩的压力定量化，既可以应用于一般的地质力学模型试验模拟TBM盾构掘进机开挖软岩隧道、地铁等，也可应用于模拟深埋硬岩隧洞TBM掘进机的开挖，重点研究撑靴压力、刀盘推力对岩爆的抑制作用和岩爆对护盾的破坏。本发明既可以提高物理模拟试验中的隧洞开挖效率和开挖模拟的准确性，又可为研究TBM开挖速率、刀盘推力、扭矩、撑靴压力、护盾压力与岩爆的相互作用机制提供支撑。本发明设计合理，结构简单，使用方便，可广泛应用于地质力学模型试验的隧洞（巷道、隧道、水电厂房等）的开挖实验中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A视图。

图3为刀盘的结构示意图。

图4为图1的B-B视图。

图5为图1的C-C视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

见附图。

用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，所述的微型TBM开挖系统由刀盘1，护盾2，撑靴7，传动轴10，拉力千斤顶11，导轨13，电机15，底座17，支撑台架18组成，所述的支撑台架18上沿长度方向对称设置有导轨13，底座17活动的置于导轨13上，拉力千斤顶11一端固定连接在支撑台架18一侧，拉力千斤顶11的活塞12端头固定连接在底座17上，拉力千斤顶11的轴线平行于导轨13，位于支撑台架18的中心线上，拉力千斤顶11外接液压控制装置，电机15固定安装在底座17上方，拉力千斤顶11可拉着安装有电机15的底座17沿着导轨13前后滑动，电机15的转轴16和传动轴10一端通过法兰14连接，传动轴10的轴线与拉力千斤顶11的轴线平行且位于同一竖直平面内，传动轴10的另一端套装有护盾2，护盾2和传动轴10固定连接，传动轴10的端头固定安装有刀盘1，刀盘1直径与护盾2外径相等，电机15可带动传动轴10转动，推动刀盘1旋转，切削掌子面“岩体”，撑靴7活动的套装在传动轴10上。

所述的撑靴7由靴套19，千斤顶8，撑靴臂9构成，靴套19呈空心圆柱状，千斤顶8对称设置在靴套19两侧，千斤顶8的活塞端头固定安装有撑靴臂9，撑靴臂9呈弧形状。千斤顶8与外面的液压控制装置相连，通过液压控制装置控制千斤顶油缸内液压油的进出控制两侧圆弧形撑靴臂9的伸缩和施加在“围岩”上的撑靴压力的大小。

所述的刀盘1为圆形，刀盘1端面中央过圆心沿径向布置有一条鱼尾刀6，鱼尾刀6两侧对称镶嵌两个以上合金齿5，刀盘1上开有出渣孔4，出渣孔4轴线平行于传动轴10。刀具在压力作用下首先压入掌子面“岩体”中，在扭矩作用下旋转切削“岩体”，刀具削落的渣土可在鱼尾刀6带动通过刀盘1上的出渣孔4顺出进入护盾2内的空腔内。

所述的护盾2靠近刀盘1一端为圆环形中空结构，另一端面上中心四周对称开有等直径的圆孔3，吸尘器的导管可以从开挖的隧洞底端顺入到护盾2前端，将切削的渣土通过护盾2上的圆孔3吸出。

本发明的用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统在试验中的具体操作过程为：首先对模型试件加载至指定的初始应力后，将本发明的微型TBM开挖系统固定安装在指定位置，要求传动轴10轴线与拟开挖隧洞轴线重合，撑靴7的靴套19套在传动轴10上。开挖时电机15带动传动轴10以一定速度旋转，拉力千斤顶11拉动安装有电机15的底座17沿着导轨13向前滑动，传动轴10带动与之固定的刀盘1和护盾2旋转，刀盘1上的鱼尾刀6和合金齿5在推力作用下压入模型试件中，在扭矩作用下刀具旋转切削破岩。开挖一个微小步距后，利用与撑靴7相连的液压控制装置通过油管将液压油输送入撑靴7两侧千斤顶8的油缸内，使两侧的圆弧形撑靴臂9同时撑起，以相同的压力压向“围岩”，撑靴7处于平衡稳定状态，然后继续开挖。刀盘1切削的渣土被刀盘1上的鱼尾刀6带起并通过刀盘1上的出渣孔4顺出进入护盾2内的空腔内，将吸尘器的吸管顺着隧洞底部伸到护盾2前侧，将渣土吸出。一个开挖步距结束后，停止钻进，利用与撑靴7相连的液压控制装置卸掉两侧千斤顶8内的油压，圆弧形撑靴臂9缩回，将撑靴7沿着传动轴10向前移动一小段距离模拟施工现场TBM掘进机撑靴前移的过程，再对撑靴7两侧的千斤顶8进油、加压、稳定，之后继续开挖、出渣，如此往复循环，直至开挖完成。 

Claims (4)

1.用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，其特征在于：所述的微型TBM开挖系统由刀盘（1），护盾（2），撑靴（7），传动轴（10），拉力千斤顶（11），导轨（13），电机（15），底座（17），支撑台架（18）组成，所述的支撑台架（18）上沿长度方向对称设置有导轨（13），底座（17）活动的置于导轨（13）上，拉力千斤顶（11）一端固定连接在支撑台架（18）一侧，拉力千斤顶（11）的活塞（12）端头固定连接在底座（17）上，拉力千斤顶（11）的轴线平行于导轨（13），位于支撑台架（18）的中心线上，电机（15）固定安装在底座（17）上方，电机（15）的转轴（16）和传动轴（10）一端通过法兰（14）连接，传动轴（10）的轴线与拉力千斤顶（11）的轴线平行且位于同一竖直平面内，传动轴（10）的另一端套装有护盾（2），护盾（2）和传动轴（10）固定连接，传动轴（10）的端头固定安装有刀盘（1），刀盘（1）直径与护盾（2）外径相等，撑靴（7）活动的套装在传动轴（10）上。

2.如权利要求1所述的用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，其特征在于：所述的撑靴（7）由靴套（19），千斤顶（8），撑靴臂（9）构成，靴套（19）呈空心圆柱状，千斤顶（8）对称设置在靴套（19）两侧，千斤顶（8）的活塞端头固定安装有撑靴臂（9），撑靴臂（9）呈弧形状。

3.如权利要求1所述的用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，其特征在于：所述的刀盘（1）为圆形，刀盘（1）端面中央过圆心沿径向布置有一条鱼尾刀（6），鱼尾刀（6）两侧对称镶嵌两个以上合金齿（5），刀盘（1）上开有出渣孔（4），出渣孔（4）轴线平行于传动轴（10）。

4.如权利要求1所述的用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，其特征在于：所述的护盾（2）靠近刀盘（1）一端为圆环形中空结构，另一端面上中心四周对称开有等直径的圆孔（3）。

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