评价盾构刀盘与土体交互作用及土体改良效果的装置

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其是涉及一种评价盾构刀盘与土体交互作用及土体改良效果的装置。

背景技术

在隧道施工中，盾构法得到了广泛应用，但是，盾构施工过程中对周围土层存在扰动，不可避免地会引起周围土体的变形，影响安全。为保证土压平衡盾构能够高效平稳的开挖隧道，需要使得土压平衡盾构对其所开挖地层具有很好的适应性，现有技术中，一般从盾构选型与渣土改良两方面着手，通过选择合适的盾构类型以及对渣土进行改良，来提高盾构对土体的适应性。

在实际工程中，通常根据施工人员的经验确定盾构刀盘类型、刀具及搅拌棒布置方式，缺乏理论层面的选型依据，也没有充分考虑施工介质的性质，使得盾构施工时往往会出现刀盘结泥饼、土舱堵塞、刀具磨损过快等现象，盾构刀盘与土体的动态交互作用不够好。

而在渣土改良方面，通常是在施工前开展室内试验来测试改良渣土的性能。目前，渣土改良室内试验以坍落度试验为主，主要存在两个问题，其一，坍落度试验对改良土性能的评价指标相对单一，不能全方面综合的评价渣土改良效果；其二，在实际施工时，渣土的流动性与刀盘及土舱内部结构有很大的关系，通过坍落度试验优化出的改良土虽然具有良好的流动性，但不能保证其能很好的适用于选定的盾构。

现有的盾构选型及渣土改良研究工作是独立的，都忽略了盾构与土体的交互作用，实际上盾构选型与渣土改良是密切相关的，因此，如何找到合适的盾构选型及改良渣土，并使盾构与改良渣土相适应，以保证盾构安全平稳的完成掘进工作是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种评价盾构刀盘与土体交互作用及土体改良效果的装置，考虑盾构与土体的交互作用，可以更换土体和盾构类型，真实的还原盾构刀盘的工作环境，为渣土改良参数和盾构选型的确定提供更合理的依据，更好的指导工程实践，能够在施工前优化渣土改良参数及盾构结构，为盾构选型和渣土改良工作提供参考，以保证盾构安全平稳的完成掘进工作。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种评价盾构刀盘与土体交互作用及土体改良效果的装置，包括主体机构、加载机构、刀盘驱动机构、搅拌装置、传感装置和控制器；

所述主体机构包括土箱，所述土箱的一个端面设有与土箱的筒壁固定连接的密封隔板，土箱的另一个端面设有与土箱的筒壁滑动连接的加圧板；

所述加载机构与加圧板连接，用于带动所述加圧板沿土箱的筒壁前后滑动；

所述刀盘驱动机构包括刀盘、传动轴和驱动电机，所述刀盘设于土箱内，所述传动轴贯穿密封隔板，传动轴分别与刀盘和驱动电机连接，所述驱动电机用于带动刀盘转动，所述刀盘上活动安装有多个刀具；

所述搅拌装置包括主动搅拌机构和被动搅拌机构，主动搅拌机构包括安装在刀盘上的主动搅拌棒，被动搅拌机构包括安装在密封隔板上的被动搅拌棒；

所述传感装置包括扭矩传感器、可视化自感知探测器和土仓压力传感器，所述扭矩传感器用于测量驱动电机的扭矩和转速，所述可视化自感知探测器用于测量刀盘在土箱内的切削扰动范围，所述土仓压力传感器用于测量土箱内部的压力值；

所述控制器分别与加载机构、驱动电机和传感装置通信连接。

进一步的，所述主体机构还包括底座，土箱安装在底座上，所述土箱的筒壁上开有加料口，所述加料口通过封口盖密封。

进一步的，所述土箱的筒壁上设有连接板，连接板上设有安装孔，所述安装孔与螺栓配合，土箱通过连接板安装在底座上。

进一步的，所述加载机构为液压加载机构，包括液压控制箱、液压缸、液压缸轴和第一固定机构，所述液压控制箱通过液压管与液压缸连接，所述液压缸通过第一固定机构固定在所述土箱上，液压缸轴与加圧板连接，所述液压缸轴相对于液压缸的伸缩带动加圧板沿土箱的筒壁前后滑动。

更进一步的，所述第一固定机构包括反力板、横向撑杆、纵向撑杆和液压缸固定板，所述反力板的数量至少为2个，对称布置在土箱的筒壁上，纵向撑杆垂直设置在反力板上，横向撑杆与纵向撑杆垂直连接，液压缸固定板设于所述横向撑杆上，液压缸安装在所述液压缸固定板上。

进一步的，所述传动轴的一端通过键和定位螺栓与刀盘连接，所述传动轴的另一端通过联轴器与驱动电机连接，所述驱动电机通过第二固定机构固定在所述土箱上。

更进一步的，所述第二固定机构包括电机固定板和多个支柱，所述支柱的底端垂直布置在密封隔板上，电机固定板设于所述支柱的顶端，驱动电机安装在所述电机固定板上。

更进一步的，所述扭矩传感器安装在传动轴与驱动电机之间，所述可视化自感知探测器安装在联轴器上。

进一步的，所述土仓压力传感器安装在密封隔板上。

进一步的，所述驱动电机为变频电机，所述变频电机与用于调节转速的调速仪连接。

进一步的，所述刀盘为辐条式刀盘，包括多个辐条，刀盘的中心布置有中心鱼尾刀，辐条上设有刮刀和先行刀，所述刮刀和先行刀活动安装在辐条上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)考虑盾构与土体的交互作用，设计了可以更换土体和盾构刀盘、刀具类型的装置，真实的还原盾构刀盘的工作环境，为渣土改良参数和盾构选型的确定提供更合理的依据，更好的指导工程实践。

(2)刀盘类型、刀具布置方式、搅拌棒数量、负荷等可以根据实际需要自行调整，能够进行不同盾构选型与改良渣土之间的试验，以找到较优的改良渣土参数以及与改良渣土相配合的盾构选型，能更加科学的保证盾构安全平稳的完成掘进工作。

(3)主体机构、加载机构、刀盘驱动机构、搅拌装置和传感装置集成为一体，体积较小，便于携带，适用于实验室或现场试验，而且刀盘通过驱动电机带动刀盘旋转，模拟实际工程中的土体切削，刀盘不需要向前发生位移，减小了整个装置使用时占用的空间。

附图说明

图1为本发明的外部及内部结构示意图；

图2为本发明的总体结构前视图；

图3为本发明的总体结构后视图；

图4为刀盘结构前视图；

图5为刀盘结构后视图；

附图标记：1、底座，2、筒壁，3、密封隔板，4、刀盘，5、加压板，6、液压控制箱，7、液压缸，8、液压缸轴，9、驱动电机，10、液压管，11、液压缸固定板，12、横向撑杆，13、纵向撑杆，14、反力板，15、封口盖，16、连接板，17、联轴器，18、扭矩传感器，19、传动轴，20、电机固定板，21、支柱，22、键，23、辐条，24、刮刀，25、先行刀，26、中心鱼尾刀，27、被动搅拌棒，28、主动搅拌棒，29、定位螺栓，30、可视化自感知探测器，31、土仓压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种评价盾构刀盘与土体交互作用及土体改良效果的装置，整体结构如图1、图2和图4所示，包括主体机构、加载机构、刀盘驱动机构、搅拌装置、传感装置和控制器；

主体机构包括土箱，如图3所示，土箱为圆柱形的筒状结构，土箱的一个端面设有与土箱的筒壁2固定连接的密封隔板3，筒壁2与密封隔板3焊接；如图1和图3所示，土箱的另一个端面设有与土箱的筒壁2滑动连接的加圧板5，加圧板5可以沿筒壁2前后滑动，以对土箱中的土体施加压力。

加载机构与加圧板5连接，用于带动加圧板5沿土箱的筒壁2前后滑动。本实施例中，加载机构为液压加载机构，如图1和图3所示，包括液压控制箱6、液压缸7、液压缸轴8和第一固定机构，液压控制箱6通过液压管10与液压缸7连接，液压缸7通过第一固定机构固定在土箱上，液压缸轴8与加圧板5连接，液压缸轴8相对于液压缸7的伸缩带动加圧板5沿土箱的筒壁2前后滑动。

第一固定机构包括反力板14、横向撑杆12、纵向撑杆13和液压缸固定板11，反力板14的数量为2个，分别焊接在土箱的筒壁2上，纵向撑杆13垂直设置在反力板14上，横向撑杆12与纵向撑杆13垂直连接，液压缸固定板11设于横向撑杆12上，液压缸7通过螺栓安装在液压缸固定板11上。

如图3、图4和图5所示，刀盘驱动机构包括刀盘4、传动轴19和驱动电机9，刀盘4设于土箱内，传动轴19贯穿密封隔板3，传动轴19分别与刀盘4和驱动电机9连接，驱动电机9用于带动刀盘4转动，刀盘4上活动安装有多个刀具；驱动电机9带动刀盘4旋转，刀盘4上的刀具对土箱中的土体进行切削。

驱动电机9为变频电机，变频电机与用于调节转速的调速仪连接，从而改变刀盘4的转速，本实施例中，刀盘4为辐条式刀盘，包括多个辐条23，刀盘4的中心布置有中心鱼尾刀26，辐条23上设有刮刀24和先行刀25，刮刀24和先行刀25活动安装在辐条23上。

传动轴19的一端通过键22和定位螺栓29与刀盘4连接，传动轴19的另一端通过联轴器17与驱动电机9连接，驱动电机9通过第二固定机构固定在土箱上。

第二固定机构包括电机固定板20和多个支柱21，支柱21的底端垂直布置在密封隔板3上，电机固定板20通过支柱21与密封隔板3连接，驱动电机9通过螺栓安装在电机固定板20上。

搅拌装置包括主动搅拌机构和被动搅拌机构，主动搅拌机构包括安装在刀盘4上的主动搅拌棒28，被动搅拌机构包括安装在密封隔板3上的被动搅拌棒27；本实施例中，共设有四个主动搅拌棒28和一个被动搅拌棒27。

刀具活动安装在刀盘4上，可以更改刀盘4的类型，如辐条23的数量等，更改刀具的数量和刀具之间的间隔，更改主动搅拌棒28与被动搅拌棒27的数量、安装位置等，以测试不同的盾构选型。

传感装置包括扭矩传感器18、可视化自感知探测器30和土仓压力传感器31，扭矩传感器18安装在传动轴19与驱动电机9之间，传动轴19的末端通过联轴器17先连接扭矩传感器18，扭矩传感器18再通过联轴器17连接驱动电机，可视化自感知探测器30通过销钉安装在联轴器17上，土仓压力传感器21安装在密封隔板3上，可以通过密封隔板3上预留的小孔连接到外部的控制器。扭矩传感器18用于测量驱动电机9的扭矩和转速，可视化自感知探测器30(如红外探测装置等)用于测量刀盘4在土箱内的切削扰动范围，土仓压力传感器31用于测量土箱内部的压力值；控制器分别与加载机构、驱动电机9和传感装置通信连接。

为了便于使用，主体机构还包括底座1，土箱的筒壁2上设有连接板16，连接板16上设有安装孔，安装孔与螺栓配合，土箱通过连接板16安装在底座1上。土箱的筒壁2上开有加料口，通过加料口向土箱内加土，封口盖15使用螺栓密封加料口。

在进行试验时，通过加料口在土箱内填满改良渣土，使用封口盖15密封加料口，操纵液压控制箱6，读取土仓压力传感器31的读数，使加压板5适当挤压土体，直至土体充满加圧板5与密封隔板3之间的空间，随后将液压调至预定值；启动驱动电机9，使刀盘4转动，同时通过控制器读取扭矩传感器18的读数，在外部可视化设备上(电脑或手持终端平台等)通过可视化自感知探测器30查看刀盘4切削扰动范围；待刀盘4转动一段时间后，关闭驱动电机9，移走液压加载装置，打开封口盖15和加圧板5，观察刀盘4上土体的粘附情况、土流滞塞区域，并分析刀盘4的扭矩，以判断土体改良效果及刀盘4与盾构类型的合理性，从而为下一步改良参数调整、刀具与搅拌棒布置优化提供依据；改变渣土改良参数以及刀盘盾构结构，重复上述步骤进行对比试验，直至最终确定合理的渣土改良参数与盾构结构。

分析刀盘4切削后在前方土体中的扰动范围、刀盘4的扭矩，观察刀盘4粘附情况、土舱内土流滞塞区域等评价盾构刀盘与土体交互作用及土体改良效果，以此来反映土压平衡盾构刀盘与土体的动态交互作用，从而评价盾构刀盘和土舱结构选型的合理性，为降低施工能耗，预防刀盘结泥饼、土舱闭塞等事故起到有益的作用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。