[發明專利]用于物理模擬試驗隧洞開挖的微型TBM開挖系統

無效

• 申請號: 201310336281.3
• 申請日: 2013-08-05
• 公開（公告）號: CN103364218A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 周輝;孟凡震;張傳慶;徐榮超;李鳳遠;盧景景;付亞平
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;E21D9/08
• 代理公司: 武漢荊楚聯合知識產權代理有限公司 42215
• 代理人: 劉治河

技術領域

本發明涉及一種用于物理模擬試驗隧洞開挖的微型TBM開挖系統，屬于巖土工程技術領域。

背景技術

物理模擬試驗是以相似理論為基礎，在配制相似材料的基礎上，通過對模型試件加載、開挖、支護、監測等，通過縮尺的模型研究地下隧洞、廠房的破壞、穩定性問題，利用試驗結果對現場的施工進行指導的一種研究方法，與室內試驗、數值分析和現場監測共同構成了巖土工程的四種研究方法。模型的材料性質、試件構造特征、加載方法、開挖方法等與原型越相似，試驗結果的可靠性越高，可供工程人員的借鑒性就越大。

模型試驗中隧洞的開挖主要有四種方法：

(1)?制作試件時在指定位置預埋與開挖洞形一致的柱體，待試件干燥后拔出柱體使隧洞一次成型，再加載。

(2)?制作試件時在指定位置預埋與開挖洞形一致的柱體，柱體由數小段組成，力學性質（如彈模）盡量與試件一致，試件干燥后加載至初始應力，再將預埋的小段柱體依次頂出，模擬分段開挖。

(3)?將制作的試件干燥后加載至初始應力，在預定位置手動開挖出一定形狀的隧洞。

(4)?將制作的試件干燥后加載至初始應力，在預定位置利用鉆機或小型開挖設備機械開挖出指定形狀的隧洞。

以上四種開挖方式主要存在以下缺點：

(1)?先開孔后加載的方式雖然成洞效果較好但與實際開挖過程不相符，現場的開挖施工是在原巖應力場中進行的，因此這種方法不能很好的模擬洞室開挖過程和應力重分布特征。

(2)?加載后依次頂出預埋的小圓柱塊模擬分步開挖的方法需要使小圓柱塊的變形與試件變形相協調、一致，柱體不能影響試件的變形，且高壓力下也不易頂出。

(3)?手動開挖的方法對簡單的試驗過程是可行的，但當開挖隧洞較長、存在隱蔽開挖時，在狹小的空間內手動開挖困難較大。

(4)?采用鉆機或微型開挖設備開挖時省時省力、效率較高，但采用的簡易機械開挖方法與現場機械開挖中的刀盤破巖機理、巖-機相互作用等還存在較大差別，無法做到準確模擬。

TBM隧洞掘進機已經被廣泛應用到隧道、深埋硬巖隧洞的開挖中，刀盤對掌子面巖體的巨大推力、撐靴對圍巖強大支撐作用等均對巖爆的發生產生抑制作用，因此研制一套結構簡單但又可以準確模擬刀盤破巖過程，可充分考慮刀盤、護盾和撐靴與巖體的相互作用，從而研究TBM開挖速率、刀盤推力、扭矩、撐靴壓力、護盾壓力與巖爆的相互作用機制，是提高開挖效率和模擬結果的科學性和準確性的必要條件。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于物理模擬試驗隧洞開挖的能夠綜合考慮刀盤破巖過程相似性以及刀盤、護盾和撐靴與巖體之間復雜的巖-機相互作用的微型TBM開挖系統。?

為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

用于物理模擬試驗隧洞開挖的微型TBM開挖系統，所述的微型TBM開挖系統由刀盤，護盾，撐靴，傳動軸，拉力千斤頂，導軌，電機，底座，支撐臺架組成，所述的支撐臺架上沿長度方向對稱設置有導軌，底座活動的置于導軌上，拉力千斤頂一端固定連接在支撐臺架一側，拉力千斤頂的活塞端頭固定連接在底座上，拉力千斤頂的軸線平行于導軌，位于支撐臺架的中心線上，電機固定安裝在底座上方，電機的轉軸和傳動軸一端通過法蘭連接，傳動軸的軸線與拉力千斤頂的軸線平行且位于同一豎直平面內，傳動軸的另一端套裝有護盾，護盾和傳動軸固定連接，傳動軸的端頭固定安裝有刀盤，刀盤直徑與護盾外徑相等，撐靴活動的套裝在傳動軸上。

所述的撐靴由靴套，千斤頂，撐靴臂構成，靴套呈空心圓柱狀，千斤頂對稱設置在靴套兩側，千斤頂的活塞端頭固定安裝有撐靴臂，撐靴臂呈弧形狀。

所述的刀盤為圓形，刀盤端面中央過圓心沿徑向布置有一條魚尾刀，魚尾刀兩側對稱鑲嵌兩個以上合金齒，刀盤上開有出渣孔，出渣孔軸線平行于傳動軸。

所述的護盾靠近刀盤一端為圓環形中空結構，另一端面上中心四周對稱開有等直徑的圓孔。