專利名稱：盾構(gòu)開挖面主被動(dòng)失穩(wěn)教學(xué)演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種教學(xué)演示儀，尤其是涉及一種盾構(gòu)開挖面主被動(dòng)失穩(wěn)教學(xué)演示儀。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)法是一種較為先進(jìn)的頂涵施工方法，是在保留傳統(tǒng)頂涵施工，橋涵結(jié)構(gòu)路側(cè)預(yù)制工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)頂進(jìn)支護(hù)方法進(jìn)行了重大改革，將明挖開槽改為地下暗挖盾構(gòu)支護(hù)，暗挖推進(jìn)減低了施工對(duì)地面活動(dòng)的影響，在地下隧道涵洞施工中廣為采用。
盾構(gòu)法施工是利用盾構(gòu)機(jī)實(shí)施的。盾構(gòu)是具有金屬外殼，殼內(nèi)裝有整機(jī)及輔助設(shè)備，在其掩護(hù)下進(jìn)行土體開挖、土渣排運(yùn)、整機(jī)推進(jìn)和管片安裝等作業(yè)，而使隧道一次成形的機(jī)械。盾構(gòu)施工中開挖面支護(hù)力合理選擇是保證施工安全的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。我國現(xiàn)有的平衡式盾構(gòu)(泥水平衡和土壓平衡)都是通過預(yù)先設(shè)定泥水或土艙壓力值以達(dá)到保持開挖面穩(wěn)定的目的。這種預(yù)先設(shè)定與滯后調(diào)整的結(jié)果會(huì)使機(jī)頭處的地面隆起或塌陷。近年來，由于支護(hù)力過小導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)施工事故在多個(gè)城市的地鐵盾構(gòu)隧道施工中均有發(fā)生。因此，盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性問題在科學(xué)研究和相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)活動(dòng)中均占有重要地位。近年來隨著城市軌道交通工程的增多，盾構(gòu)法施工成為工程技術(shù)人員重點(diǎn)學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)之一，也成為高校巖土專業(yè)類專業(yè)重要課程內(nèi)容。授課中針對(duì)盾構(gòu)法施工中產(chǎn)生的開挖面土體破壞一般采用數(shù)據(jù)分析和圖片方式進(jìn)行講解，學(xué)生理解較為困難，開發(fā)研制一種演示盾構(gòu)法施工中開挖面主被動(dòng)失穩(wěn)過程的教學(xué)裝置十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種盾構(gòu)開挖面主被動(dòng)失穩(wěn)教學(xué)演示儀，該裝置能展示開挖面附近土體隨支護(hù)力變化而發(fā)生變形的規(guī)律，比較盾體不同埋深對(duì)開挖面前方土體變形規(guī)律影響，從而達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容理解的目的。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明由有機(jī)玻璃的前面板，其余為金屬板的左側(cè)板、右側(cè)板、底板和背板構(gòu)成開口的模型箱；最短的上盾體、中盾體和最長的下盾體的斷面均為同一直徑的空心半圓柱體，三個(gè)盾體的平面部分從上至下依次緊貼模型箱的有機(jī)玻璃板內(nèi)側(cè)面固定，三個(gè)盾體的軸線均平行于底板。三個(gè)盾體的一端靠近右側(cè)板的頭部空心半圓柱面向內(nèi)，從外至內(nèi)分別依次同軸裝有承壓擋板、螺套和移動(dòng)支架，三個(gè)階梯形的長軸的一端螺桿分別穿過各自移動(dòng)支架與螺套螺紋連接，三個(gè)盾體的另一端分別緊靠左側(cè)板內(nèi)側(cè)，金屬基板固定在左側(cè)板外側(cè)，三個(gè)階梯形的長軸的另一端穿過左側(cè)板、金屬基板、各自齒輪內(nèi)擋墊、各自的齒輪和齒輪外擋墊后，三階梯形的長軸端部與各自軸端螺母螺紋連接；三個(gè)齒輪用各自定位螺釘固定在各自軸上，位于金屬基板內(nèi)的各自階梯形的長軸的兩側(cè)均設(shè)有限位的長軸擋墊和水平限位墊，各自長軸擋墊內(nèi)孔與各自階梯形的長軸為轉(zhuǎn)動(dòng)配合。三個(gè)齒輪平行相互嚙合，在左側(cè)板外側(cè)還裝有小齒輪，小齒輪與中間的一個(gè)齒輪合。所述最短的上盾體、中盾體和最長的下盾體的長度差異為3倍盾體直徑，其中上盾體長度不小2倍盾體直徑。本發(fā)明具有的有益效果是
本發(fā)明具有三個(gè)不同埋深的盾體，可以演示盾構(gòu)施工中盾體不同埋深對(duì)承壓擋板前土體變形規(guī)律和失穩(wěn)特征的影響。本發(fā)明還具有豐富的對(duì)比演示功能，不但能夠獨(dú)立演示某
一深度下的承壓擋板前土體的變形和破壞過程，還能同時(shí)演示三種深度下承壓擋板前土體的變形和破壞過程；不但能夠連續(xù)演示土體的變形和破壞全過程，還能在任意位移下靜止觀察土體破壞情況。本發(fā)明可以控制承壓擋板后移，演示承壓擋板前土體沉陷破壞過程，也可以控制承壓擋板前移，演示承壓擋板前土體隆起過程。綜上所述，本發(fā)明教學(xué)演示內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，能夠滿足課堂教學(xué)需要。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是圖I的A向視圖。圖3是圖I的B-B剖視圖。圖4是圖I的R區(qū)局部放大圖。圖5是圖I的S區(qū)局部放大圖。圖中I、手柄，2、金屬基板，3、左側(cè)板，4、上盾體，5、中盾體，6、砂土，7、右側(cè)板，8、承壓擋板，9、螺套，10、移動(dòng)支架，11、下盾體，12、模型箱底板，13、長軸，14、齒輪外擋墊，15、軸端螺母，16、上齒輪，17、中齒輪，18、定位螺釘，19、下齒輪，20、小齒輪，21、齒輪內(nèi)擋墊，22、水平限位墊，23、擋墊螺釘，24、長軸擋墊，25、限位墊螺釘，26、固定螺栓，27、前面板，28背板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖I所示，本發(fā)明由有機(jī)玻璃的前面板27，其余為金屬板的左側(cè)板3、右側(cè)板7、底板12和背板28構(gòu)成開口的模型箱；最短的上盾體4、中盾體5和最長的下盾體11的斷面均為同一直徑的空心半圓柱體，三個(gè)盾體的平面部分從上至下依次緊貼模型箱的有機(jī)玻璃板27內(nèi)側(cè)面固定，三個(gè)盾體的軸線均平行于底板12。如圖I所示，上盾體4、中盾體5和下盾體11的結(jié)構(gòu)相同，只是三根長軸的長度有差異，而且上盾體4、中盾體5和下盾體11有些共用同一編號(hào)。如圖I、圖2、圖3、圖4、圖5所示，三個(gè)盾體的結(jié)構(gòu)如下
最長的下盾體11的一端靠近右側(cè)板7的頭部空心半圓柱面向內(nèi)，從外至內(nèi)分別依次同軸裝有第一承壓擋板8、第一螺套9和第一移動(dòng)支架10，第一階梯形的長軸13的一端螺桿穿過第一移動(dòng)支架10與第一螺套9螺紋連接，最長的下盾體11的另一端緊靠左側(cè)板3內(nèi)偵U，金屬基板2固定在左側(cè)板3外側(cè)，第一階梯形的長軸13的另一端穿過左側(cè)板3、金屬基板2、第一齒輪內(nèi)擋墊22、下齒輪19和第一齒輪外擋墊14后，第一階梯形的長軸13端部與第一軸端螺母15螺紋連接，下齒輪19用第一定位螺釘18固定在軸上，位于金屬基板2內(nèi)的第一階梯形的長軸13的兩側(cè)均設(shè)有限位的第一長軸擋墊24和第一水平限位墊22，第一長軸擋墊24內(nèi)孔與第一階梯形的長軸13為轉(zhuǎn)動(dòng)配合；
中盾體5的一端靠近右側(cè)板7的頭部空心半圓柱面向內(nèi)，從外至內(nèi)分別依次同軸裝有第二承壓擋板8、第二螺套9和第二移動(dòng)支架10，第二階梯形的長軸13的一端螺桿穿過第二移動(dòng)支架10與第二螺套9螺紋連接，中盾體5的另一端緊靠左側(cè)板3內(nèi)側(cè)，金屬基板2固定在左側(cè)板3外側(cè)，第二階梯形的長軸13的另一端穿過左側(cè)板3、金屬基板2、第二齒輪內(nèi)擋墊22、中齒輪17和第二齒輪外擋墊14后，第二階梯形的長軸13端部與第二軸端螺母15螺紋連接，中齒輪17用第二定位螺釘18固定在軸上，位于金屬基板2內(nèi)的第二階梯形的長軸13的兩側(cè)均設(shè)有限位的第二長軸擋墊24和第二水平限位墊22，第二長軸擋墊24內(nèi)孔與第二階梯形的長軸13為轉(zhuǎn)動(dòng)配合； 最短的上盾體4的一端靠近右側(cè)板7的頭部空心半圓柱面向內(nèi)，從外至內(nèi)分別依次同軸裝有第三承壓擋板8、第三螺套9和第三移動(dòng)支架10，第三階梯形的長軸13的一端螺桿穿過第三移動(dòng)支架10與第三螺套9螺紋連接，最短的上盾體4的另一端緊靠左側(cè)板3內(nèi)偵U，金屬基板2固定在左側(cè)板3外側(cè)，第三階梯形的長軸13的另一端穿過左側(cè)板3、金屬基板2、第三齒輪內(nèi)擋墊22、上齒輪16和第三齒輪外擋墊14后，第三階梯形的長軸13端部與第三軸端螺母15螺紋連接，上齒輪16用第三定位螺釘18固定在軸上，位于金屬基板2內(nèi)的第三階梯形的長軸13的兩側(cè)均設(shè)有限位的第三長軸擋墊24和第三水平限位墊22，第三長軸擋墊24內(nèi)孔與第三階梯形的長軸13為轉(zhuǎn)動(dòng)配合；
如圖2所示，上齒輪16、中齒輪17和下齒輪19相互嚙合，在左側(cè)板3外側(cè)還裝有小齒輪20，小齒輪20與中齒輪17嚙合。最短的上盾體4、中盾體5和最長的下盾體11的長度差異為3倍盾體直徑，其中上盾體4長度不小2倍盾體直徑。本發(fā)明的工作原理如下
裝置具有三個(gè)不同埋深的最短的上盾體4、中盾體5和最長的下盾體11，可以演示盾構(gòu)施工中盾體不同埋深對(duì)承壓擋板前土體變形規(guī)律和失穩(wěn)特征的影響。首先調(diào)整三個(gè)承壓擋板的水平位置，使承壓擋板前面與各自盾體前端持平。然后，將砂土 6放入模型箱直至上部箱口，盾體左邊的三個(gè)齒輪軸上定位螺釘均處于松動(dòng)狀態(tài)。選中某一適當(dāng)埋深的盾體，將該盾體左邊的一個(gè)定位螺釘鎖緊，旋轉(zhuǎn)小齒輪20上的手柄,驅(qū)動(dòng)的小齒輪旋轉(zhuǎn),小齒輪與選中的盾體上的齒輪旋轉(zhuǎn)，該盾體的長軸也隨之在螺套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過移動(dòng)支架帶動(dòng)承壓擋板向盾體內(nèi)移動(dòng)，盾體前部土體逐漸出現(xiàn)沉陷變形。本發(fā)明還具有豐富的對(duì)比演示功能，將某一盾體的定位螺釘放松，擰緊其余2個(gè)定位螺釘，旋轉(zhuǎn)小齒輪20上的手柄驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，使該2個(gè)盾體的長軸也隨之在螺套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，盾體中的承壓擋板同時(shí)向盾體內(nèi)移動(dòng)，盾體前部土體逐漸變形，對(duì)比任意兩個(gè)盾體承壓擋板前土體變形輪廓的異同。
權(quán)利要求
1.一種盾構(gòu)開挖面主被動(dòng)失穩(wěn)教學(xué)演示儀，其特征在于由有機(jī)玻璃的前面板(27)，其余為金屬板的左側(cè)板(3)、右側(cè)板(7)、底板(12)和背板(28)構(gòu)成開口的模型箱；最短的上盾體(4)、中盾體(5)和最長的下盾體(11)的斷面均為同一直徑的空心半圓柱體，三個(gè)盾體的平面部分從上至下依次緊貼模型箱的有機(jī)玻璃板(27)內(nèi)側(cè)面固定，三個(gè)盾體的軸線均平行于底板(12); 三個(gè)盾體的一端靠近右側(cè)板(7)的頭部空心半圓柱面向內(nèi)，從外至內(nèi)分別依次同軸裝有承壓擋板、螺套和移動(dòng)支架，三個(gè)階梯形的長軸的一端螺桿分別穿過各自移動(dòng)支架與螺套螺紋連接，三個(gè)盾體的另一端分別緊靠左側(cè)板(3)內(nèi)側(cè)，金屬基板(2)固定在左側(cè)板(3)外側(cè)，三個(gè)階梯形的長軸的另一端穿過左側(cè)板(3)、金屬基板(2)、各自齒輪內(nèi)擋墊、各自的齒輪和齒輪外擋墊后，三階梯形的長軸端部與各自軸端螺母螺紋連接；三個(gè)齒輪用 各自定位螺釘固定在各自軸上，位于金屬基板(2)內(nèi)的各自階梯形的長軸的兩側(cè)均設(shè)有限位的長軸擋墊和水平限位墊，各自長軸擋墊內(nèi)孔與各自階梯形的長軸為轉(zhuǎn)動(dòng)配合； 三個(gè)齒輪平行相互嚙合，在左側(cè)板外側(cè)還裝有小齒輪，小齒輪與中間的一個(gè)齒輪嚙合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種土工離心模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆兜膲簶堆b置，其特征在于所述最短的上盾體(4)、中盾體(5)和最長的下盾體(11)的長度差異為3倍盾體直徑，其中上盾體(4)長度不小2倍盾體直徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種盾構(gòu)開挖面主被動(dòng)失穩(wěn)教學(xué)演示儀。由機(jī)玻璃的前面板構(gòu)成開口的模型箱；三個(gè)盾體斷面均為同一直徑的空心半圓柱體，盾體的平面部分從上至下依次平行于底板緊貼模型箱的有機(jī)玻璃板內(nèi)側(cè)面。三個(gè)盾體的右側(cè)空心半圓柱面內(nèi)，依次同軸裝有承壓擋板、螺套和移動(dòng)支架，三個(gè)階梯形的長軸一端螺桿分別穿過各自移動(dòng)支架與螺套螺紋連接，三個(gè)盾體的左側(cè)緊靠左側(cè)板，三個(gè)階梯形的長軸另一端穿過左側(cè)板、金屬基板、齒輪內(nèi)擋墊、齒輪和齒輪外擋墊后，與各自軸端螺母螺紋連接；三個(gè)齒輪用各自定位螺釘固定在各自軸上。本發(fā)明能演示三種深度下承壓擋板前土體的變形和破壞過程；還能在任意位移下靜止觀察土體破壞情況。本發(fā)明能夠滿足課堂教學(xué)需要。
文檔編號(hào)G09B25/02GK102915666SQ201210438068
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者孔令剛, 陳仁朋, 姚罡, 王順玉, 陳云敏, 韓連兵, 李君 申請人:浙江大學(xué)