[發(fā)明專利]單圓盾構(gòu)土倉渣土流動(dòng)特性可視化觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510318977.2
• 申請(qǐng)日: 2015-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN104914007B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 季昌;周順華;宮全美;賀騰飛;陳翰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N11/00
• 分類號(hào): G01N11/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 吳林松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于隧道及地下工程領(lǐng)域，涉及單圓盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，土倉渣土流動(dòng)特性的觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

土壓平衡式盾構(gòu)以其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，在城市地鐵盾構(gòu)法施工中得到了極為廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，設(shè)置合理的土倉壓力，對(duì)于控制地表沉降、提高掘進(jìn)速度、降低掘進(jìn)成本都非常重要。土倉內(nèi)渣土流動(dòng)是影響土倉壓力的重要因素。明確土倉內(nèi)渣土流動(dòng)特性，是分析土倉壓力，合理設(shè)置施工參數(shù)，保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)的關(guān)鍵。

通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的發(fā)明專利(申請(qǐng)公布號(hào)CN102226729A)：土壓平衡盾構(gòu)渣土壓力控制模型試驗(yàn)裝置。裝置通過監(jiān)測(cè)密封倉隔板和螺旋輸送機(jī)典型位置渣土壓力，探明土壓平衡盾構(gòu)密封倉及螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土壓力傳遞機(jī)理，建立開挖面壓力與密封艙隔板壓力之間的映射關(guān)系及螺旋輸送機(jī)進(jìn)出口壓力變化關(guān)系，指導(dǎo)土壓平衡盾構(gòu)施工。但是上述發(fā)明仍未解決土倉材料、土體的不透明性問題，無法觀測(cè)土倉內(nèi)渣土流動(dòng)，無法針對(duì)渣土流動(dòng)特性進(jìn)行分析。

人工合成透明土是用透明顆粒材料和與其折射率相同的孔隙流體混合而成的，具有與自然土體類似的物理性質(zhì)，應(yīng)用透明土作為模型土可以進(jìn)行與自然土體同樣的變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等問題的研究。粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)是一種流體測(cè)量技術(shù)，通過事先在流場(chǎng)中放入大量示蹤粒子跟隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，把激光束經(jīng)過組合透鏡擴(kuò)束成片光照明流場(chǎng)，使用數(shù)字相機(jī)拍攝流場(chǎng)照片，對(duì)圖像中的粒子圖像進(jìn)行計(jì)算得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)定量的速度分布，進(jìn)一步處理可得流場(chǎng)特性參數(shù)分布。我國巖土工程界對(duì)上述技術(shù)研究較少，但其為解決渣土流動(dòng)的觀測(cè)提供了一個(gè)可行的途徑。因此，有必要采用以上技術(shù)，針對(duì)無法觀測(cè)盾構(gòu)土倉內(nèi)渣土流動(dòng)這一問題建立觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)土倉內(nèi)渣土流動(dòng)進(jìn)行分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種單圓盾構(gòu)土倉渣土流動(dòng)特性可視化觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，為克服土倉密閉不可觀測(cè)難題，研究單圓盾構(gòu)土倉渣土流動(dòng)特性，分析土倉壓力建立模擬試驗(yàn)平臺(tái)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種單圓盾構(gòu)土倉渣土流動(dòng)特性觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模型土箱、縮尺單圓盾構(gòu)機(jī)掘削系統(tǒng)模擬試驗(yàn)裝置、均布荷載加載裝置和PIV數(shù)字圖像處理系統(tǒng)；

所述模型土箱內(nèi)裝有透明土，上蓋拆除后連接均布荷載加載裝置，模型土箱附有分隔板一端連接縮尺單圓盾構(gòu)機(jī)掘削系統(tǒng)模擬試驗(yàn)裝置，在土箱上方及側(cè)面分別布置激光器，采用CCD照相機(jī)采集圖像并通過連接計(jì)算機(jī)以控制圖像采集并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

進(jìn)一步，所述縮尺單圓盾構(gòu)機(jī)掘削系統(tǒng)模擬試驗(yàn)裝置包括刀盤、盾構(gòu)機(jī)模型外殼、螺旋輸送機(jī)模型，所述盾構(gòu)機(jī)模型外殼呈圓柱體，安裝在土箱裝有分隔板的一端，外部連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；盾構(gòu)機(jī)模型外殼內(nèi)一側(cè)固定集土器，另一側(cè)裝有隔板，刀盤固定在盾構(gòu)機(jī)模型外殼裝有隔板一端，刀盤上固定有攪拌棒，隔板與刀盤構(gòu)成模擬盾構(gòu)的土倉，刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在隔板另一側(cè)，通過刀盤傳動(dòng)軸與刀盤連接；隔板上固定有螺旋輸送機(jī)模型，螺旋輸送機(jī)與集土器對(duì)接。

所述模型土箱和盾構(gòu)機(jī)模型由透明材料例如有機(jī)玻璃制成，與透明土共同構(gòu)成可視化環(huán)境。

所屬透明土與真實(shí)土體性質(zhì)相似，并在其中加入碳顆粒作為示蹤粒子。

所述均布加載裝置采用堆載形式加載。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中：所述模型土箱內(nèi)裝有透明土，所述模型土箱的上蓋拆除后連接均布加載裝置；所述模型土箱一端帶有分隔板，該端連接盾構(gòu)機(jī)模型外殼，所述盾構(gòu)機(jī)模型外殼與所述分隔板接縫處采用橡膠密封墊密封，所述盾構(gòu)機(jī)模型外殼外側(cè)套有外層套管，所述盾構(gòu)機(jī)模型外殼端部連接盾構(gòu)模型掘進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；所述盾構(gòu)機(jī)模型外殼內(nèi)一側(cè)固定集土器，另一側(cè)裝有隔板，輻條式刀盤固定在盾構(gòu)機(jī)模型外殼裝有隔板一端，所述輻條式刀盤上固定有攪拌棒，所述隔板與輻條式刀盤構(gòu)成模擬盾構(gòu)的土倉；所述刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在所述隔板另一側(cè)，通過刀盤傳動(dòng)軸與所述輻條式刀盤連接；所述隔板上固定有螺旋輸送機(jī)模型，所述螺旋輸送機(jī)模型端部裝有螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，螺旋輸送機(jī)模型與集土器對(duì)接；在模型土箱上方及側(cè)面分別布置激光器，同時(shí)配備高像素相機(jī)，高像素相機(jī)與PC機(jī)連接。