CN102915666A - 盾构开挖面主被动失稳教学演示仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盾构开挖面主被动失稳教学演示仪。由机玻璃的前面板构成开口的模型箱；三个盾体断面均为同一直径的空心半圆柱体，盾体的平面部分从上至下依次平行于底板紧贴模型箱的有机玻璃板内侧面。三个盾体的右侧空心半圆柱面内，依次同轴装有承压挡板、螺套和移动支架，三个阶梯形的长轴一端螺杆分别穿过各自移动支架与螺套螺纹连接，三个盾体的左侧紧靠左侧板，三个阶梯形的长轴另一端穿过左侧板、金属基板、齿轮内挡垫、齿轮和齿轮外挡垫后，与各自轴端螺母螺纹连接；三个齿轮用各自定位螺钉固定在各自轴上。本发明能演示三种深度下承压挡板前土体的变形和破坏过程；还能在任意位移下静止观察土体破坏情况。本发明能够满足课堂教学需要。

Description

盾构开挖面主被动失稳教学演示仪
技术领域
本发明涉及一种教学演示仪，尤其是涉及一种盾构开挖面主被动失稳教学演示仪。
背景技术
盾构法是一种较为先进的顶涵施工方法，是在保留传统顶涵施工，桥涵结构路侧预制工艺的基础上，对结构顶进支护方法进行了重大改革，将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护，暗挖推进减低了施工对地面活动的影响，在地下隧道涵洞施工中广为采用。
盾构法施工是利用盾构机实施的。盾构是具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。
盾构施工中开挖面支护力合理选择是保证施工安全的一项关键技术。我国现有的平衡式盾构（泥水平衡和土压平衡）都是通过预先设定泥水或土舱压力值以达到保持开挖面稳定的目的。这种预先设定与滞后调整的结果会使机头处的地面***或塌陷。近年来，由于支护力过小导致开挖面失稳施工事故在多个城市的地铁盾构隧道施工中均有发生。因此，盾构隧道开挖面稳定性问题在科学研究和相关专业课程教学活动中均占有重要地位。
近年来随着城市轨道交通工程的增多，盾构法施工成为工程技术人员重点学习的专业知识之一，也成为高校岩土专业类专业重要课程内容。授课中针对盾构法施工中产生的开挖面土体破坏一般采用数据分析和图片方式进行讲解，学生理解较为困难，开发研制一种演示盾构法施工中开挖面主被动失稳过程的教学装置十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盾构开挖面主被动失稳教学演示仪，该装置能展示开挖面附近土体随支护力变化而发生变形的规律，比较盾体不同埋深对开挖面前方土体变形规律影响，从而达到增强学生感性认识、提高学生学习兴趣及加强学生学习内容理解的目的。
本发明采用的技术方案是：
本发明由有机玻璃的前面板，其余为金属板的左侧板、右侧板、底板和背板构成开口的模型箱；最短的上盾体、中盾体和最长的下盾体的断面均为同一直径的空心半圆柱体，三个盾体的平面部分从上至下依次紧贴模型箱的有机玻璃板内侧面固定，三个盾体的轴线均平行于底板。 
三个盾体的一端靠近右侧板的头部空心半圆柱面向内，从外至内分别依次同轴装有承压挡板、螺套和移动支架，三个阶梯形的长轴的一端螺杆分别穿过各自移动支架与螺套螺纹连接，三个盾体的另一端分别紧靠左侧板内侧，金属基板固定在左侧板外侧，三个阶梯形的长轴的另一端穿过左侧板、金属基板、各自齿轮内挡垫、各自的齿轮和齿轮外挡垫后，三阶梯形的长轴端部与各自轴端螺母螺纹连接；三个齿轮用各自定位螺钉固定在各自轴上，位于金属基板内的各自阶梯形的长轴的两侧均设有限位的长轴挡垫和水平限位垫，各自长轴挡垫内孔与各自阶梯形的长轴为转动配合。
三个齿轮平行相互啮合，在左侧板外侧还装有小齿轮，小齿轮与中间的一个齿轮啮合。
所述最短的上盾体、中盾体和最长的下盾体的长度差异为3倍盾体直径，其中上盾体长度不小2倍盾体直径。
本发明具有的有益效果是：
本发明具有三个不同埋深的盾体，可以演示盾构施工中盾体不同埋深对承压挡板前土体变形规律和失稳特征的影响。本发明还具有丰富的对比演示功能，不但能够独立演示某一深度下的承压挡板前土体的变形和破坏过程，还能同时演示三种深度下承压挡板前土体的变形和破坏过程；不但能够连续演示土体的变形和破坏全过程，还能在任意位移下静止观察土体破坏情况。本发明可以控制承压挡板后移，演示承压挡板前土体沉陷破坏过程，也可以控制承压挡板前移，演示承压挡板前土体***过程。综上所述，本发明教学演示内容丰富、结构简单，操作简便，能够满足课堂教学需要。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是图1的A向视图。
图3是图1的B-B剖视图。
图4是图1的R区局部放大图。
图5是图1的S区局部放大图。
图中：1、手柄，2、金属基板，3、左侧板，4、上盾体，5、中盾体，6、砂土，7、右侧板，8、承压挡板，9、螺套，10、移动支架，11、下盾体，12、模型箱底板，13、长轴，14、齿轮外挡垫，15、轴端螺母，16、上齿轮，17、中齿轮，18、定位螺钉，19、下齿轮，20、小齿轮，21、齿轮内挡垫，22、水平限位垫，23、挡垫螺钉，24、长轴挡垫，25、限位垫螺钉，26、固定螺栓，27、前面板，28背板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明由有机玻璃的前面板27，其余为金属板的左侧板3、右侧板7、底板12和背板28构成开口的模型箱；最短的上盾体4、中盾体5和最长的下盾体11的断面均为同一直径的空心半圆柱体，三个盾体的平面部分从上至下依次紧贴模型箱的有机玻璃板27内侧面固定，三个盾体的轴线均平行于底板12。
如图1所示，上盾体4、中盾体5和下盾体11的结构相同，只是三根长轴的长度有差异，而且上盾体4、中盾体5和下盾体11有些共用同一编号。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，三个盾体的结构如下：
最长的下盾体11的一端靠近右侧板7的头部空心半圆柱面向内，从外至内分别依次同轴装有第一承压挡板8、第一螺套9和第一移动支架10，第一阶梯形的长轴13的一端螺杆穿过第一移动支架10与第一螺套9螺纹连接，最长的下盾体11的另一端紧靠左侧板3内侧，金属基板2固定在左侧板3外侧，第一阶梯形的长轴13的另一端穿过左侧板3、金属基板2、第一齿轮内挡垫22、下齿轮19和第一齿轮外挡垫14后，第一阶梯形的长轴13端部与第一轴端螺母15螺纹连接，下齿轮19用第一定位螺钉18固定在轴上，位于金属基板2内的第一阶梯形的长轴13的两侧均设有限位的第一长轴挡垫24和第一水平限位垫22，第一长轴挡垫24内孔与第一阶梯形的长轴13为转动配合；
中盾体5的一端靠近右侧板7的头部空心半圆柱面向内，从外至内分别依次同轴装有第二承压挡板8、第二螺套9和第二移动支架10，第二阶梯形的长轴13的一端螺杆穿过第二移动支架10与第二螺套9螺纹连接，中盾体5的另一端紧靠左侧板3内侧，金属基板2固定在左侧板3外侧，第二阶梯形的长轴13的另一端穿过左侧板3、金属基板2、第二齿轮内挡垫22、中齿轮17和第二齿轮外挡垫14后，第二阶梯形的长轴13端部与第二轴端螺母15螺纹连接，中齿轮17用第二定位螺钉18固定在轴上，位于金属基板2内的第二阶梯形的长轴13的两侧均设有限位的第二长轴挡垫24和第二水平限位垫22，第二长轴挡垫24内孔与第二阶梯形的长轴13为转动配合；
最短的上盾体4的一端靠近右侧板7的头部空心半圆柱面向内，从外至内分别依次同轴装有第三承压挡板8、第三螺套9和第三移动支架10，第三阶梯形的长轴13的一端螺杆穿过第三移动支架10与第三螺套9螺纹连接，最短的上盾体4的另一端紧靠左侧板3内侧，金属基板2固定在左侧板3外侧，第三阶梯形的长轴13的另一端穿过左侧板3、金属基板2、第三齿轮内挡垫22、上齿轮16和第三齿轮外挡垫14后，第三阶梯形的长轴13端部与第三轴端螺母15螺纹连接，上齿轮16用第三定位螺钉18固定在轴上，位于金属基板2内的第三阶梯形的长轴13的两侧均设有限位的第三长轴挡垫24和第三水平限位垫22，第三长轴挡垫24内孔与第三阶梯形的长轴13为转动配合；
如图2所示，上齿轮16、中齿轮17和下齿轮19相互啮合，在左侧板3外侧还装有小齿轮20，小齿轮20与中齿轮17啮合。
最短的上盾体4、中盾体5和最长的下盾体11的长度差异为3倍盾体直径，其中上盾体4长度不小2倍盾体直径。
本发明的工作原理如下：
装置具有三个不同埋深的最短的上盾体4、中盾体5和最长的下盾体11，可以演示盾构施工中盾体不同埋深对承压挡板前土体变形规律和失稳特征的影响。首先调整三个承压挡板的水平位置，使承压挡板前面与各自盾体前端持平。然后，将砂土6放入模型箱直至上部箱口，盾体左边的三个齿轮轴上定位螺钉均处于松动状态。选中某一适当埋深的盾体，将该盾体左边的一个定位螺钉锁紧，旋转小齿轮20上的手柄，驱动的小齿轮旋转，小齿轮与选中的盾体上的齿轮旋转，该盾体的长轴也随之在螺套内转动，通过移动支架带动承压挡板向盾体内移动，盾体前部土体逐渐出现沉陷变形。
本发明还具有丰富的对比演示功能，将某一盾体的定位螺钉放松，拧紧其余2个定位螺钉，旋转小齿轮20上的手柄驱动齿轮旋转，使该2个盾体的长轴也随之在螺套内转动，盾体中的承压挡板同时向盾体内移动，盾体前部土体逐渐变形，对比任意两个盾体承压挡板前土体变形轮廓的异同。

Claims (2)

1.一种盾构开挖面主被动失稳教学演示仪，其特征在于：由有机玻璃的前面板（27），其余为金属板的左侧板（3）、右侧板（7）、底板（12）和背板（28）构成开口的模型箱；最短的上盾体（4）、中盾体（5）和最长的下盾体（11）的断面均为同一直径的空心半圆柱体，三个盾体的平面部分从上至下依次紧贴模型箱的有机玻璃板（27）内侧面固定，三个盾体的轴线均平行于底板（12）； 
三个盾体的一端靠近右侧板（7）的头部空心半圆柱面向内，从外至内分别依次同轴装有承压挡板、螺套和移动支架，三个阶梯形的长轴的一端螺杆分别穿过各自移动支架与螺套螺纹连接，三个盾体的另一端分别紧靠左侧板（3）内侧，金属基板（2）固定在左侧板（3）外侧，三个阶梯形的长轴的另一端穿过左侧板（3）、金属基板（2）、各自齿轮内挡垫、各自的齿轮和齿轮外挡垫后，三阶梯形的长轴端部与各自轴端螺母螺纹连接；三个齿轮用各自定位螺钉固定在各自轴上，位于金属基板（2）内的各自阶梯形的长轴的两侧均设有限位的长轴挡垫和水平限位垫，各自长轴挡垫内孔与各自阶梯形的长轴为转动配合；
三个齿轮平行相互啮合，在左侧板外侧还装有小齿轮，小齿轮与中间的一个齿轮啮合。
2.根据权利要求1所述的一种土工离心模型试验模型桩的压桩装置，其特征在于：所述最短的上盾体（4）、中盾体（5）和最长的下盾体（11）的长度差异为3倍盾体直径，其中上盾体（4）长度不小2倍盾体直径。
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