专利名称：盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于隧道工程的模拟试验装置，具体涉及一种盾构模拟试验台用可移
动式液压加载装置，属于隧道工程技术领域。
背景技术：
通过模拟试验的方法来研究盾构掘进机在地下施工隧道时的特性是一种科学、有 效的方法。国内外一些企业、科研机构和大学都建立相关的实验室以设计建造相应模拟试 验台来进行这一特定的工程试验，如上海隧道工程股份有限公司就研制了大型盾构掘进模 拟试验平台以进行盾构施工试验。盾构施工的模拟试验就是通过一定的方式给模拟试验平 台中模拟盾构掘进机周围的土体施加一定的压力，使试验土体充分模拟盾构掘进机施工过 程中的实际土层，从而研究盾构掘进机在不同地质条件、不同施工深度进行施工时的土体 的特性、盾构掘进机的特性以及机土之间的相互作用关系。 在盾构模拟试验中，如何使模拟试验台中的试验土充分模拟盾构掘进机施工过程 中的实际土层是至关重要的。中国专利ZL200420110890. 3公开了一种模拟试验台囊袋加 载系统，其用于对模拟试验台土箱内的土体进行加载。该囊袋加载系统通过水泵将清水经 过压力调节回路输送到囊袋中，该压力调节回路共有五支，每支回路依次设置减压阀、止回 阀和蝶阀并且可以单独手动设置压力，单支回路所连通的囊袋布置在土箱的同一个圆形断 面上，并且设有压力传感器对所产生的土体压力进行检测。该囊袋加载系统加载压力最大 为0. 4MPa，其最大模拟的土层深度为22m。
所述现有囊袋加载系统在试验中存在有下列缺陷 1、囊袋加载系统对土体压力的模拟与实际情况有一定差异——背景专利中囊袋 加载系统中的囊袋沿模拟盾构机的圆周布置，并且只能通过手动调节设置五个不同压力， 另外，囊袋加载系统加载压力较小，只能产生0. 4Mpa的土体压力，因此现有囊袋加载系统 无法充分模拟不同类型地层不同深度土体的受力状态，尤其无法模拟水平的地表面向下的 压力变化和沉降。 2、加载囊袋容易发生损毁而影响试验——囊袋加载系统中的囊袋为柔性构件，其 必须在向土箱中填充土体之前安装完毕，因而在填土的过程中极易受到损坏，尤其与水路 连接的部位很容易折断，从而导致试验的中断。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种盾构模拟试验台 用可移动式液压加载装置，其能够充分真实地模拟多种类型地层的土体受力状态，尤其能 够模拟水平地表面向下的压力变化和沉降的情况，同时避免试验过程中加载系统的损坏， 减少对试验的影响。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下 —种盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，设置于盾构模拟试验台的土箱的上部，该土箱包括有侧墙，该侧墙的顶部设置有密封框、导轨和侧墙钢梁，所述液压加载装 置包括钢梁部件、加压部件、升降平移部件、楔紧固定部件和液压系统，所述钢梁部件为横 梁式钢结构件，搁置于所述密封框上，所述加压部件位于该钢梁部件的下部，包括有若干加 载单元，该加载单元受所述液压系统的驱动向下对所述土箱内土体进行挤压，所述升降平 移部件位于钢梁部件的周边，包括有若干液压顶升柱，该液压顶升柱受所述液压系统的驱 动能够举升起钢梁部件且使之沿所述导轨平移，所述楔紧固定部件固定于钢梁部件上表面 的四角处，采用与所述侧墙钢梁楔紧的方式将钢梁部件的位置固定住。 本发明所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置能够产生最大土体压力 为0. 6MPa ;所述钢梁部件由顶梁、若干固定桶、下封板和侧封板构成，所述顶梁为板状框架 式构件，水平地置于该钢梁部件的上部，所述若干固定桶为圆筒状构件，其轴向与所述顶梁 垂直且相互平行，该固定桶均匀地分布且上端焊固在该顶梁的下面，所述下封板为一设有 若干位置和尺寸与所述若干固定桶相应的圆孔的钢板，其焊固于该固定桶的下端，所述侧 封板围设于该钢梁部件的周边，该侧封板上端与该顶梁的下面焊固，下端与该下封板的周 边焊固；所述加压部件包括有14个加载单元，每一加载单元包括一加载柱桶和一加载液压 缸，该加载柱桶为上端开口的圆桶状构件，其同轴地套置于所述固定桶内，所述加载柱桶与 所述固定桶之间设置有密封圈，该加载液压缸通过所述开口伸入该加载柱桶内腔，加载液 压缸上端与所述顶梁的下面固定连接，下端与该加载柱桶下端的底部固定连接，该加载液 压缸与所述液压系统连接并受之驱动而推动加载柱桶在所述固定桶内上下伸縮；所述升降 平移部件包括有4个液压顶升柱，每一液压顶升柱包括一导向套、一顶升液压缸和一滚轮， 该导向套直立地连接固定于所述顶梁的侧面，该顶升液压缸套置于导向套内且其上端与导 向套上部固定连接，所述顶升液压缸的轴向伸縮受该导向套引导，该滚轮轴设于顶升液压 缸的下端，该顶升液压缸与所述液压系统连接并受之驱动而推动所述滚轮下伸落至所述土 箱侧墙顶部的导轨上；所述楔紧固定部件包括4组由后座、螺杆和楔块构成的组件，每一组 件设于所述顶梁上表面的一个角上，该后座焊固在该顶梁的上面，该楔块设置于该螺杆前 端，该螺杆后端通过矩形螺纹螺接于后座上，旋转螺杆能够推动楔块与所述侧墙钢梁楔紧 而固定所述钢梁部件。 与现有盾构模拟试验台用加载装置相比较，本发明取得了如下有益的技术效果
1、现有的盾构模拟试验台用囊袋加载系统是由柔性的囊袋组成的，而盾构模拟试 验台土箱填土是在囊袋安装后充水之前，因此极易在填土过程中受到损坏，而本发明所述
盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置为一钢制结构，是刚性的液压系统，其对土体的 加载又是在土箱填土之后，因此受到损坏的可能性几乎不存在，所以本发明避免了加载装 置失效导致试验的中断而对试验造成影响。 2、本发明所述盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置设置于模拟盾构掘进机 的上方，其中设有多个处于同一水平面的加载柱桶，这些加载柱桶还能够分别调节压力大 小，因而通过调节各加载柱桶上的压力，本发明不仅能够实现对不同土层各种有规律的土 体受力状态的模拟，而且还能实现对模拟盾构掘进机上方水平的地表地层的土体压力状态 和地面沉降情况的模拟。此外，由于液压式加载系统的加载能力大大高于囊袋加载系统，最 大达到0. 6MPa，因此本发明也扩大了土体压力模拟的范围。 3、本发明所述盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置能够通过本身具有的升降平移部件实现自行升降移动并楔紧固定，因此方便了由土箱上部移去加载装置向土箱内装填试验土体，而不必调用大型起重设备。


图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的结构仰视图。
图3为本发明的结构俯视图。
图4为本发明的安装使用示意图。
图5为本发明的液压控制系统原理图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。 首先请参阅图4本发明的安装使用示意图，图示盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置设置于盾构模拟试验台的土箱的上部，该土箱的四周包括有进洞门墙、出洞门墙和两侧墙80，该进洞门墙和出洞门墙分别位于土箱的前、后侧，该侧墙80位于土箱的两侧。该侧墙80顶部的台阶上设置有密封框83，与之并排设置有导轨82，两侧墙80上各设置有一条导轨82且两条导轨82保持平行。在侧墙80的最顶端设置有侧墙钢梁81，该侧墙钢梁81为条状钢结构件，两侧墙80上各设置有一条。本发明所述盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置作为一个整体架放在两侧墙80之上，与四面墙体一起组成一个填装试验土体的土箱空间，该盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置通过液压的方式向下对土箱内的试验土体施加压力，以模拟盾构掘进机上方的地层的土体压力状态和地面沉降情况。
再请参阅图1本发明的结构示意图，图示盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置包括钢梁部件、加压部件、升降平移部件、楔紧固定部件和液压系统。 所述钢梁部件为横梁式钢结构件，其采用钢板焊接而成，该钢梁部件搁置于所述土箱侧墙80顶部的密封框83上(见图4)。所述钢梁部件由顶梁10、若干固定桶20、下封板50和侧封板51构成。所述顶梁10为一板状框架式受力基础结构件，其由钢板焊接而成，该顶梁IO水平地设置于所述钢梁部件的上部。所述若干固定桶20为圆筒状钢制构件，其上端焊固在所述顶梁10的下面且轴向与该顶梁10的下平面垂直，所述固定桶20均匀地分布在顶梁10之下，并且各固定桶20的轴线相互平行。所述下封板50为一平钢板，上面开设有若干圆孔，该圆孔的位置和直径尺寸大小与所述若干固定桶20分布的位置和外径尺寸大小相对应以便与固定桶20的下端相对合，该下封板50沿各圆孔的周边焊固于该固定桶20下端的边缘。所述侧封板51以钢板围设于该钢梁部件的周边，该侧封板51上端与所述顶梁10的下面焊固，下端与所述下封板50的周边焊固。从而所述下封板50和侧封板51将所述顶梁10、若干固定桶20焊固连成一整体的钢梁部件以承担土体的反作用力。钢梁部件通过下封板50与密封框83贴合并置于所述密封框83上。 所述加压部件位于该钢梁部件的下部，该加压部件包括有若干加载单元，该加载单元受所述液压系统的驱动向下对所述土箱内的试验土体进行挤压。请参阅图2，本实施例中所述加压部件包括有14个加载单元， 一个加载单元设置于钢梁部件的一个固定桶20之内，每一加载单元包括一加载柱桶40和一加载液压缸30，各加载单元之间前后左右的间距均为lm。该加载柱桶40为圆桶状构件，其上端具有开口 41(见图1)，所述加载柱桶40同 轴地套置于所述固定桶20的内腔中，该加载柱桶40与固定桶20的桶壁之间的下部设置有 密封圈23，以避免试验土体进入固定桶20中。所述加载液压缸30通过所述开口 41伸入该 加载柱桶40的内腔中，该加载液压缸30的上端用螺栓与所述顶梁10的下面固定连接，下 端用螺栓与该加载柱桶40下端的底部固定连接；该加载液压缸30与所述液压系统连接并 受该液压系统的驱动，从而推动加载柱桶40在所述固定桶20内上下伸縮，进而加载柱桶40 的底部直接对试验土体进行加压。本发明所述盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置能 够产生的最大土体压力为0. 6MPa。 请参阅图l，所述升降平移部件位于钢梁部件的周边，该升降平移部件包括有若干 液压顶升柱，该液压顶升柱受所述液压系统的驱动能够举升起钢梁部件，并且使该钢梁部 件，进而整个液压加载装置，沿所述两侧墙80上的导轨82平移。本实施例中，所述升降平 移部件包括有4个液压顶升柱，安装在所述顶梁10的四角处，每一液压顶升柱包括一导向 套62、一顶升液压缸61和一滚轮60。所述导向套62为一筒状构件，其通过螺栓直立地连 接固定于所述顶梁10的侧封板51的侧面。所述顶升液压缸61同轴地套置于该导向套62 的内腔中，并且该顶升液压缸61的上端与该导向套62的上部通过螺栓固定连接在一起，所 述顶升液压缸61的活动缸杆能够轴向地伸出该导向套62之下，该导向套62的下部设有与 顶升液压缸61活动缸杆相配合的导向孔，从而使顶升液压缸61活动缸杆的伸縮受到该导 向套62导向孔的引导。所述滚轮60轴设于该顶升液压缸61的下端，该滚轮60能够着落 于所述侧墙80顶部的导轨82上。所述顶升液压缸61与所述液压系统连接，并且能够受该 液压系统驱动向下伸出，从而推动所述滚轮60下伸落至所述土箱两侧墙80顶部的导轨82 上，同时将整个液压加载装置举升起来，随后沿着两平行导轨82平移。
请结合参阅图1和图3，所述楔紧固定部件固定于钢梁部件上表面的四角处，该楔 紧固定部件采用与所述侧墙钢梁81楔紧的方式将钢梁部件的位置固定住。所述楔紧固定 部件包括4组组件，每一组件设于所述顶梁10上表面的一个角上，该组件由后座72、螺杆 71和楔块70构成。所述后座72焊固在该顶梁10的上表面，具有一斜面的楔块70设置于 该螺杆71的前端，该螺杆71的后端通过矩形螺纹螺接于所述后座72上。再请参阅图4，旋 转螺杆71就能够推动楔块70在水平方向移动，使该楔块70的斜面与所述侧墙钢梁81的 下面楔紧，从而固定住所述钢梁部件，也就固定住整个液压加载装置。在本实施例中，所述 楔块70为铰式楔块，其包含一球铰，楔块70通过该球铰实现与所述侧墙钢梁81的紧密贴 合。 请参阅图5本发明的液压控制系统原理图，所述液压系统对本发明所述整个液压 加载装置进行液压控制。该液压系统主要包括油箱91 、电机92、液压泵93、电磁换向阀94、 溢流阀95、比例溢流阀96、三位四通换向阀97、两位两通换向阀99和液压传感器98。所述 加载液压缸30和顶升液压缸61与该液压系统连接并受之驱动。油箱91储存有液压油，可 分离油液中的气体及沉淀污物，液压泵93由电机92提供动力，从油箱91中吸出并排出高 压液压油，该液压油由电磁换向阀94和溢流阀95加载或卸载，先经过比例溢流阀96连续 调节液压系统中的油压，再经三位四通换向阀97对各液压油路进行切换，最后经连接在加 载液压缸30大小腔回路上的两位两通换向阀99实现液压油路的通断，从而控制加载液压 缸30伸縮，以通过加载柱桶40对土体施加压力，同时两位两通换向阀99也控制顶升液压
6缸61的伸縮，以实现对整个液压加载装置的举升，液压传感器98与加载液压缸30大腔连 接，可以测量加载液压缸30的加载压力。 本发明所述盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置的工作过程简述如下
请参阅图4，盾构掘进模拟试验之前，先启动液压系统驱动本发明所述液压加载装 置的顶升液压缸61伸出，将滚轮60推压在导轨82上，使钢梁部件的下封板50与侧墙80 上的密封框83脱离，从而将液压加载装置整体举升起来，然后借助滚轮60在导轨82上的 滚动将液压加载装置移开；之后从上方向盾构模拟试验台的土箱中填加试验土，土体填充 完毕后，再将液压加载装置沿导轨82平移回来；随后液压系统驱动顶升液压缸61縮回，同 时带动滚轮60縮回脱离导轨82，因而使钢梁部件逐渐落下，最后下封板50与密封框83紧 密贴合，从而将土箱密封起来；液压加载装置定位后再逐一旋动钢梁部件四角上楔紧固定 部件的螺杆71，推动楔块70楔紧于顶梁10和侧墙钢梁81之间，从而将液压加载装置整体 固定。 所述液压加载装置定位固定后，即可开始进行盾构掘进模拟试验，启动液压系统 驱动加载液压缸30向下并带动加载柱桶40伸出(见图4虚线所示)，对土体进行挤压，土 体受到压縮而内部压力上升，从而模拟盾构周围的土体压力。通过改变和设定各加载液压 缸30内液压油的不同压力，可以实现对不同土层各种状况的土体受力规律状态的模拟，同 时，由于本发明所述盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置设置于盾构模拟试验台土箱 的上部，且在一水平面上对下方土体施加压力，因此通过设置的传感器还能实现对模拟盾 构掘进机上方水平的地表地层的土体压力状态和地面沉降情况的模拟，使该液压加载装置 大大提高了对实际土层模拟的逼真效果。此外，由于液压式加载系统的加载能力大大高于 囊袋加载系统，本发明所述液压加载装置能够产生的最大土体压力可达到0. 6MPa，因而扩 大了本发明模拟土体压力的范围。 总之，本发明所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置具有对土体压力模 拟的范围大、模拟的效果真实、坚固可靠和填土方便的优点，能够用于大型盾构掘进模拟试 验台中。
权利要求
一种盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，设置于盾构模拟试验台的土箱的上部，该土箱包括有两侧墙，该侧墙的顶部设置有密封框、导轨和侧墙钢梁，其特征在于所述液压加载装置包括钢梁部件、加压部件、升降平移部件、楔紧固定部件和液压系统，所述钢梁部件为横梁式钢结构件，搁置于所述密封框上，所述加压部件位于该钢梁部件的下部，包括有若干加载单元，该加载单元受所述液压系统的驱动向下对所述土箱内土体进行挤压，所述升降平移部件位于钢梁部件的周边，包括有若干液压顶升柱，该液压顶升柱受所述液压系统的驱动能够举升起钢梁部件且使之沿所述导轨平移，所述楔紧固定部件固定于钢梁部件上表面的四角处，采用与所述侧墙钢梁楔紧的方式将钢梁部件的位置固定住。
2. 如权利要求1所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，其特征在于 所述钢梁部件由顶梁、若干固定桶、下封板和侧封板构成，所述顶梁为板状框架式构件，水平地置于该钢梁部件的上部，所述若干固定桶为圆筒状构件，其轴向与所述顶梁垂直 且相互平行，该固定桶均匀地分布且上端焊固在该顶梁的下面，所述下封板为一设有若干 位置和尺寸与所述若干固定桶相应的圆孔的钢板，其焊固于该固定桶的下端，所述侧封板 围设于该钢梁部件的周边，该侧封板上端与该顶梁的下面焊固，下端与该下封板的周边焊 固；所述加压部件的每一加载单元包括一加载柱桶和一加载液压缸，该加载柱桶为上端开 口的圆桶状构件，其同轴地套置于所述固定桶内，该加载液压缸通过所述开口伸入该加载 柱桶内腔，加载液压缸上端与所述顶梁的下面固定连接，下端与该加载柱桶下端的底部固 定连接，该加载液压缸与所述液压系统连接并受之驱动而推动加载柱桶在所述固定桶内上 下伸縮；所述升降平移部件的每一液压顶升柱包括一导向套、一顶升液压缸和一滚轮，该导向 套直立地连接固定于所述顶梁的侧面，该顶升液压缸套置于导向套内且其上端与导向套上 部固定连接，所述顶升液压缸的轴向伸縮受该导向套引导，该滚轮轴设于顶升液压缸的下 端，该顶升液压缸与所述液压系统连接并受之驱动而推动所述滚轮下伸落至所述土箱侧墙 顶部的导轨上；所述楔紧固定部件包括4组由后座、螺杆和楔块构成的组件，每一组件设于所述顶梁 上表面的一个角上，该后座焊固在该顶梁的上面，该楔块设置于该螺杆前端，该螺杆后端螺 接于后座上，旋转螺杆能够推动楔块与所述侧墙钢梁楔紧而固定所述钢梁部件。
3. 如权利要求2所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，其特征在于所述 加载柱桶与所述固定桶之间设置有密封圈。
4. 如权利要求2或3所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，其特征在于 所述螺杆通过矩形螺纹与所述后座螺接。
5. 如权利要求1、2或3所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，其特征在于 所述加压部件包括有14个加载单元。
6. 如权利要求1、2或3所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，其特征在于 所述升降平移部件包括有4个液压顶升柱。
7. 如权利要求1、2或3所述的盾构模拟试验台用可移动式液压加载装置，其特征在于 所述液压加载装置能够产生最大土体压力为0. 6MPa。
全文摘要
本发明公开了一种盾构模拟试验台用可移动式液压液压加载装置，设置于盾构模拟试验台的土箱两侧墙之上，其包括钢梁部件、加压部件、升降平移部件、楔紧固定部件和液压系统，钢梁部件为横梁式钢结构件，搁置于侧墙上，加压部件位于该钢梁部件的下部，其包括有若干加载单元，该加载单元受液压系统的驱动向下对土箱内土体进行挤压，升降平移部件位于钢梁部件的周边，其包括有若干液压顶升柱，该液压顶升柱受液压系统的驱动能够举升起钢梁部件且使之平移，楔紧固定部件固定于钢梁部件上表面的四角处，其采用楔紧的方式将钢梁部件的位置固定住。本发明具有对土体压力模拟范围大、模拟效果真实、坚固可靠和填土方便的优点，能够用于大型盾构掘进模拟试验台中。
文档编号G01M99/00GK101793616SQ20101010639
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者吕建中, 庄欠伟, 石元奇, 高国跃 申请人:上海盾构设计试验研究中心有限公司;上海隧道工程股份有限公司