【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于泥水平衡盾構模型試驗領域，尤其是涉及了一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置及方法。
技術介紹
1、泥水平衡盾構作為一種常見的越江跨海隧道施工工法，通過加壓泥漿滲透地層，在開挖面前方形成泥膜，使得泥漿壓力以面力的形式作用在泥膜上，以平衡開挖面前方的側向水土壓力，維持開挖面穩定。雙艙式泥水平衡盾構的支護壓力由氣體壓力主導，不會受泥漿密度變化等的影響產生大幅度波動，因此，相比單艙式泥水平衡盾構，雙艙式泥水平衡盾構的支護壓力在掘進過程中更容易調控。
2、目前，關于泥水平衡盾構的掘進試驗大多在常重力下進行。但由于常重力下的試驗無法還原地層真實的應力水平和盾構真實的規模大小，進而模擬的泥水平衡盾構開挖過程和開挖面失穩模式不能確定是否符合實際工況。土工離心物理模擬作為一種能夠實現在小尺度介質中還原常重力下大尺度介質應力水平的有效手段，解決了應力場不相似的問題，制造的超重力環境能夠還原真實的泥水艙外部土體應力水平和水壓力以及泥水艙內部呈梯度分布的泥漿壓力，為模擬實際泥水平衡盾構開挖過程和開挖面失穩模式提供了可能性。然而，由于泥漿是由膨潤土和水兩種密度不同的物質配制而成，通過超重力離心機提高重力場強，會加劇兩種物質間的相對驅動力，進而加速兩種物質的相分離，導致泥漿密度不均勻，無法模擬實際的泥漿滲透規律和泥膜形成類型。超重力會加劇盾構開挖渣土的沉積和堵塞管路現象，導致排漿流量難以控制，無法準確控制泥漿壓力大小。因此，針對大埋深、高水壓復雜地層的研究，如何解決上述問題，還原泥水平衡盾構的開挖過程，并掌握雙艙式泥水平
技術實現思路
1、為了解決
技術介紹
中存在的問題，本專利技術的目的在于提供了一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置及方法，以解決超重力加劇盾構開挖渣土的沉積和堵塞管路現象，導致排漿流量難以控制，無法準確控制泥漿壓力大小的問題。
2、本專利技術所采用的方案如下：
3、一、一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置：
4、包括土箱、盾體、盾構動力系統和進排漿系統，土箱內存儲有土體，土箱和盾構動力系統之間通過盾體連接，盾構動力系統用于驅動盾體沿著掘進方向前后移動，進而使得盾體對土箱內的土體進行掘進，盾體與進排漿系統之間相連，盾體中設置有用于平衡盾體內部氣壓的保壓系統，土箱、盾構動力系統和進排漿系統均固定在底板上，底板放置在土工離心機的吊籃內。
5、所述盾體包括內部設有工作艙的艙殼、刀盤、環狀的前隔板和主軸；前隔板位于艙殼內部并將工作艙劃分為泥水艙和氣墊艙，刀盤位于靠近泥水艙的一側，主軸的一端與盾構動力系統連接，主軸的另一端依次穿設過氣墊艙、前隔板和泥水艙后與刀盤同軸連接；艙殼中設有泥水艙的一端與土箱的開口之間可前后移動地活動連接，艙殼中設有氣墊艙的一端與盾構動力系統之間固定連接，盾構動力系統用于驅動刀盤轉動，同時帶動主軸沿著自身軸向向前掘進，泥水艙和刀盤均設置在土箱的開口位置處；前隔板上連接有連通管，連通管用于將氣墊艙中的壓力傳遞至泥水艙，盾構動力系統通過伺服閥實現閉環控制。
6、所述的進排漿系統包括泥水箱、泥漿泵、渣土箱、分離箱和螺旋輸送設備；泥漿泵和泥水箱的輸出端連接，泥漿泵通過第一進漿管與泥水艙連通，泥漿泵通過第二進漿管與氣墊艙連通，第一進漿管和第二進漿管上分別設置有第一電磁球閥和第二電磁球閥，第一溢流管的一端穿過氣墊艙和前隔板上的開孔后伸入到泥水艙中，第一溢流管的另一端與大氣相連通，第二溢流管的一端伸入至氣墊艙中，第二溢流管的另一端與大氣相連通，第一溢流管和第二溢流管上分別設有第三電磁球閥和第四電磁球閥，泥水箱和泥漿泵之間還設置有旁通管，旁通管的一端與泥水箱連接，另一端分別與泥漿泵、第一進漿管和第二進漿管連通，旁通管上設置有旁通球閥；
7、螺旋輸送設備的一端伸入到泥水艙中，另一端通過管道與渣土箱連接，從螺旋輸送設備到渣土箱的管道上依次設置有第六電磁閥、分離箱和切換閥組，泥漿泵由土工離心機的液壓提供動力。
8、所述切換閥組主要由兩根支路管道、一根進渣管道和一根出渣管道組成，進渣管道的一端與分離箱連接，進渣管道的另一端分別與兩根支路管道的輸入端連接，兩根支路管道的輸出端均與出渣管道的一端連接，出渣管道的另一端與渣土箱連接，兩根支路管道上均設置有第七電磁閥和阻尼，出渣管道上設置有第二電磁流量計；
9、所述出渣管道中的排漿流量按照下式處理得到：
10、
11、式中，q為排漿流量；cd為阻尼的阻尼系數；a為出渣管道截面積；δp為壓降；ρd為混有渣土的泥漿密度。
12、所述分離箱內部設置有三層不同孔徑的過濾網，過濾網的軸向與泥漿流向垂直，螺旋輸送設備輸出的泥漿從分離箱的輸入端流入，依次經三層過濾網過濾后流出分離箱，三層過濾網的孔徑自分離箱入口向出口方向依次減小，第三層過濾網的孔徑小于第二電磁流量計所能通過的最大顆粒粒徑。
13、所述盾體開挖面處的泥漿壓力與土水壓力關系滿足以下表達式：
14、pg+ρsg(h-d+z)≥γw(h+z)+kaγ'(h+z)
15、pg+ρsg(h-d+z)≤γw(h+z)+kpγ'(h+z)
16、式中，pg為氣體壓力大小；ρs為泥漿密度；g為重力加速度；h為氣墊艙液位高度；d為盾構直徑大小；z為開挖面的豎向坐標；γw為水的重度；h為盾構頂部埋深；γ'為土的有效重度；ka為主動土壓力系數；kp為被動土壓力系數。
17、所述盾構動力系統提供的推力fd和扭矩t按照以下公式處理得到：
18、
19、式中，f1為盾構掘進時的正面推進阻力；f2為盾構外殼與周邊土體的摩擦力；k為側向土壓力系數；γ為土的重度；f為盾構外殼與周邊土體的摩擦系數；l為盾構機的長度；w為盾構機單位長度的自重；t1為刀盤與土體之間的摩阻力扭矩；t2刀盤切削土體時的地層抗力扭矩；η為刀盤開孔率；p0為泥水艙內的泥漿壓力；p為貫入度。
20、所述刀盤轉速的表達式如下：
21、
22、式中，λ(n)為超重力下刀盤轉速與常重力下刀盤轉速的比值；λ(v)為超重力下掘進速度與常重力下掘進速度的比值；λ(s)為超重力下掘進距離與常重力下掘進距離的比值；λ(t)為超重力下試驗時間與常重力下掘進時間的比值；λ(p)為超重力下貫入度與常重力下貫入度的比值。
23、所述的保壓系統包括進氣管、排氣管、壓力變送器、排氣閥和進氣閥；所述前隔板上開設有進氣口和出氣口，進氣管的一端穿設過進氣口后與泥水艙連通，進氣管的另一端與土工離心機的出氣口連通，排氣管的一端穿設過排氣口后與泥水艙連通，排氣管的另一端外接大氣；進氣管和排氣管上分別設置有進氣閥和排氣閥，壓力變送器連接在前隔板上，進氣閥、排氣閥和壓力變送器均與控制系統連接。
24、二、一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗方法，包括以下步驟：
25、步驟1本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述盾體(2)包括內部設有工作艙的艙殼、刀盤(11)、環狀的前隔板(13)和主軸(15)；前隔板(13)位于艙殼內部并將工作艙劃分為泥水艙(12)和氣墊艙(14)，刀盤(11)位于靠近泥水艙(12)的一側，主軸(15)的一端與盾構動力系統連接，主軸(15)的另一端依次穿設過氣墊艙(14)、前隔板(13)和泥水艙(12)后與刀盤(11)同軸連接；艙殼中設有泥水艙(12)的一端與土箱(1)的開口之間可前后移動地活動連接，艙殼中設有氣墊艙(14)的一端與盾構動力系統之間固定連接，盾構動力系統用于驅動刀盤(11)轉動，同時帶動主軸(15)沿著自身軸向向前掘進，泥水艙(12)和刀盤(11)均設置在土箱(1)的開口位置處；前隔板(13)上連接有連通管(30)，連通管(30)用于將氣墊艙(14)中的壓力傳遞至泥水艙(12)，盾構動力系統通過伺服閥(221)實現閉環控制。
3.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平
4.根據權利要求3所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述切換閥組(40)主要由兩根支路管道、一根進渣管道和一根出渣管道組成，進渣管道的一端與分離箱(8)連接，進渣管道的另一端分別與兩根支路管道的輸入端連接，兩根支路管道的輸出端均與出渣管道的一端連接，出渣管道的另一端與渣土箱(4)連接，兩根支路管道上均設置有第七電磁閥(24)和阻尼(41)，出渣管道上設置有第二電磁流量計(23)；
5.根據權利要求3所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述分離箱(8)內部設置有三層不同孔徑的過濾網(801)，過濾網(801)的軸向與泥漿流向垂直，螺旋輸送設備(9)輸出的泥漿從分離箱(8)的輸入端流入，依次經三層過濾網過濾后流出分離箱(8)，三層過濾網(801)的孔徑自分離箱(8)入口向出口方向依次減小，第三層過濾網(801)的孔徑小于第二電磁流量計(23)所能通過的最大顆粒粒徑。
6.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述盾體(2)開挖面處的泥漿壓力與土水壓力關系滿足以下表達式：
7.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述盾構動力系統提供的推力Fd和扭矩T按照以下公式處理得到：
8.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述刀盤(11)轉速的表達式如下：
9.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述的保壓系統(20)包括進氣管、排氣管、壓力變送器(201)、排氣閥(202)和進氣閥(203)；所述前隔板(13)上開設有進氣口和出氣口，進氣管的一端穿設過進氣口后與泥水艙(12)連通，進氣管的另一端與土工離心機(25)的出氣口(255)連通，排氣管的一端穿設過排氣口后與泥水艙(12)連通，排氣管的另一端外接大氣；進氣管和排氣管上分別設置有進氣閥(203)和排氣閥(202)，壓力變送器(201)連接在前隔板(13)上，進氣閥(203)、排氣閥(202)和壓力變送器(201)均與控制系統(26)連接。
10.一種應用于權利要求1-9任一所述裝置的模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗方法，其特征在于，包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述盾體(2)包括內部設有工作艙的艙殼、刀盤(11)、環狀的前隔板(13)和主軸(15)；前隔板(13)位于艙殼內部并將工作艙劃分為泥水艙(12)和氣墊艙(14)，刀盤(11)位于靠近泥水艙(12)的一側，主軸(15)的一端與盾構動力系統連接，主軸(15)的另一端依次穿設過氣墊艙(14)、前隔板(13)和泥水艙(12)后與刀盤(11)同軸連接；艙殼中設有泥水艙(12)的一端與土箱(1)的開口之間可前后移動地活動連接，艙殼中設有氣墊艙(14)的一端與盾構動力系統之間固定連接，盾構動力系統用于驅動刀盤(11)轉動，同時帶動主軸(15)沿著自身軸向向前掘進，泥水艙(12)和刀盤(11)均設置在土箱(1)的開口位置處；前隔板(13)上連接有連通管(30)，連通管(30)用于將氣墊艙(14)中的壓力傳遞至泥水艙(12)，盾構動力系統通過伺服閥(221)實現閉環控制。
3.根據權利要求1所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征在于：所述的進排漿系統包括泥水箱(3)、泥漿泵(7)、渣土箱(4)、分離箱(8)和螺旋輸送設備(9)；泥漿泵(7)和泥水箱(3)的輸出端連接，泥漿泵(7)通過第一進漿管(17)與泥水艙(12)連通，泥漿泵(7)通過第二進漿管(18)與氣墊艙(14)連通，第一進漿管(17)和第二進漿管(18)上分別設置有第一電磁球閥(32)和第二電磁球閥(35)，第一溢流管(28)的一端穿過氣墊艙(14)和前隔板(13)上的開孔后伸入到泥水艙(12)中，第一溢流管(28)的另一端與大氣相連通，第二溢流管(29)的一端伸入至氣墊艙(14)中，第二溢流管(29)的另一端與大氣相連通，第一溢流管(28)和第二溢流管(29)上分別設有第三電磁球閥(31)和第四電磁球閥(33)，泥水箱(3)和泥漿泵(7)之間還設置有旁通管，旁通管的一端與泥水箱(3)連接，另一端分別與泥漿泵(7)、第一進漿管(17)和第二進漿管(18)連通，旁通管上設置有旁通球閥(36)；
4.根據權利要求3所述的一種模擬超重力下雙艙式泥水平衡盾構掘進試驗裝置，其特征...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳延博，凌道盛，呂延棟，葉肖偉，劉昊，李子軒，鄒明航，呂仲鐸，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：
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