一种模拟双圆盾构掘进的分段式缩尺寸试验装置的制作方法

本实用新型属于地下工程技术领域，具体涉及一种模拟双圆盾构掘进的分段式缩尺寸试验装置。

背景技术：

依据现有资料得出，双圆盾构机相关的缩尺寸模拟实验较少。且多数土体模拟实验存在以下两点不足：

1.只有单节的盾构机模型进行收缩和扩张模拟，仅研究二维土体变形。

2.现有的多数双圆模拟盾构机不够精细较为粗糙，对数据准确性有一定的影响。

或者如上海市基础工程有限公司叶松明团队，采用涉及一种双圆盾构机，包括刀盘大棒，搅拌棒，土舱，刀盘大棒端部略小于盾构机帽沿，并在其外周加装钢帽檐，形成封闭的土压平衡仓。刀盘大棒端部八处与帽沿内壁的间隙≥40mm。搅拌棒与帽沿内壁的间隙≥40mm。帽檐长度为600mm。鉴于此模型试验系统以实际盾构机构造进行缩尺寸，所以存在以下一点不足：

3.针对大型模型试验或现场实验而言，其费用远高于本套系统自制的双圆盾构机模型试验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中不足，提供一种模拟双圆盾构掘进的分段式缩尺寸试验装置。本专利提出了1:20的缩尺寸双圆盾构模型机，通过分段式的设计，从而考虑三维土体变形，用采用机械控制盾构机，运行方便，节约试验时间，同时采用了刚性外壳的收缩模型机以达到模拟盾构机运行造成土体损失的目的，还能控制较高精度的土体损失和更加吻合实际情况的土体变形，为隧道施工与设计提供更真实、准确的实验数据，以保证城市盾构隧道建设的高效与安全。

为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提出一种模拟双圆盾构掘进的分段式缩尺寸试验装置，包括驱动控制单元和收缩机构，所述收缩机构包括运动套筒、转杆、固定在外框架上的第一转轴、固定在运动套筒上的第二转轴；转杆的两端分别与第一转轴、第二转轴铰接；从而实现外框架通过转杆与运动套筒活动连接；所述驱动控制单元包括四个驱动电机，且在每个驱动电机的动力输出端与运动套筒连接；驱动电机的后端连接控制端；每个基轴两端分别与驱动电机固定连接，驱动电机用于驱动运动套筒沿着基轴所在延伸方向上往复运动；所述外框架包括八个弧形壳体片和两个V形壳体片，在相邻两个弧形壳体片之间通过凹槽结构镶嵌配合，且相邻两个弧形壳体片之间保持有活动间隙。

作为优选：在相邻两个弧形壳体片之间的活动间隙外侧安装有挡泥板。

作为优选：所述驱动电机通过作为传动机构的推头与运动套筒连接，同时为使驱动电机停止运动后固定体积并保持稳定，这里采用了蜗轮的自锁性，在驱动电机动力输出处安装蜗轮蜗杆机构。驱动电机后端连接导线，每组导线控制两个驱动电机，这些导线与外部控制端相连。

作为优选：在外框架内侧通过限位装置与运动套筒连接，所述限位装置包括定位限位柱以及用于嵌置定位限位柱的定位限位套筒。

本实用新型中，以两个驱动电机、一个收缩机构及外框架组合构成一个单位双圆盾构机，每个单位双圆盾构机皆分别于控制端相连，可使控制端可以按特定顺序分别控制一个单位双圆盾构机的收缩，达到分段控制的目的，使检测得到的数据多段化，产生类似于双圆盾构机向前推进过程中土体损失的模拟。每个单位双圆盾构机正下方皆安装水平校准及支撑装置，一个单位双圆盾构机与另一个单位双圆盾构机之间通过橡皮膜套相连，使每个单位双圆盾构机不会偏移，提高三维精度。

通过上述装置的协调运作，使控制端可以按特定顺序分别控制个单位双圆盾构机的收缩，使土体损失逐步进行，实现对于真实隧道施工中土体损失的完整模拟，配合其他监测器材，使土体变化数据化。

在限位装置作用下，外框架只能进行径向运动。通过驱动电机带动推头推动运动套筒在基轴上进行水平方向移动，使转杆旋转扯动弧形壳体片，改变双圆盾构机中圆的半径，改变圆截面的面积，达到改变双圆柱体体积来达到模拟双圆盾构机造成土地损失的目的。

因为摩擦力、外圧力等各种因素下，外框架几乎不会顺逆时针大幅度转动，在收缩机构的作用下向内收缩，收缩前后，双圆截面的面积发生了变化如图1，从而使得体积之改变，按计算要求为缩小了5％。双圆外框架主要是由八个弧形壳体片和两个V形壳体片组成，其接缝处利用镶嵌式结构防止沙土进入缝内导致卡死或者不能收缩，并在外层安装挡泥板。

运动行程与面积损失关系公式为：

其中：x为运动套筒行程，单位：mm；R为单位双圆盾构机中圆半径，单位：mm；D为转杆两端孔中心距，单位：mm；C为面积损失百分比。

与现有技术相比，本专利的效果是：

本实用新型装置的创新点一：使用机械结构，采用刚性机械结构及外壳，有效的抗压防止形变，使数据更精确。

本实用新型装置的创新点二：采用分段控制，更加符合实际模拟中的数据变化。

本实用新型装置的创新点三：使用单片机技术可以实现对收缩的自由精确的控制，并可以防止因手动控制而造成的误差等情况。与电脑进行链接可以施行更精准的数据分析计算。

附图说明

图1为本实用新型应用过程中产生的双圆截面阴影斜线部分为收缩前后的面积差示意图。

图2是本实用新型实施例的剖视结构示意图。

图3是本实用新型实施例的立体结构示意图。

附图标记：外框架1；固定在外框架上的第一转轴2；转杆3；基轴4；运动套筒5；固定在运动套筒上的第二转轴6；定位限位套筒7；定位限位柱8；推头9；驱动电机10。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案作进一步说明：

如图1～3所示，本实用新型提出一种模拟双圆盾构掘进的分段式缩尺寸试验装置的具体实施例，包括驱动控制单元和收缩机构，所述收缩机构包括运动套筒5、转杆3、固定在外框架1上的第一转轴2、固定在运动套筒5上的第二转轴6；转杆3的两端分别与第一转轴2、第二转轴6铰接；从而实现外框架1通过转杆3与运动套筒5活动连接；所述驱动控制单元包括四个驱动电机10，且在每个驱动电机10的动力输出端与运动套筒5连接；驱动电机10的后端连接控制端；每个基轴4两端分别与驱动电机10固定连接，驱动电机10用于驱动运动套筒5沿着基轴4所在延伸方向上往复运动；所述外框架1包括八个弧形壳体片和两个V形壳体片，在相邻两个弧形壳体片之间通过凹槽结构镶嵌配合，且相邻两个弧形壳体片之间保持有活动间隙。

其中：在相邻两个弧形壳体片之间的活动间隙外侧安装有挡泥板。所述驱动电机10通过作为传动机构的推头9与运动套筒5连接，同时为使驱动电机10停止运动后固定体积并保持稳定，这里采用了蜗轮的自锁性，在驱动电机10动力输出处安装蜗轮蜗杆机构。驱动电机10后端连接导线，每组导线控制两个驱动电机10，这些导线与外部控制端相连。在外框架1内侧通过限位装置与运动套筒5连接，所述限位装置包括定位限位柱8以及用于嵌置定位限位柱8的定位限位套筒7。

本实用新型中，以两个驱动电机10、一个收缩机构及外框架1组合构成一个单位双圆盾构机，每个单位双圆盾构机皆分别于控制端相连，可使控制端可以按特定顺序分别控制一个单位双圆盾构机的收缩，达到分段控制的目的，使检测得到的数据多段化，产生类似于双圆盾构机向前推进过程中土体损失的模拟。每个单位双圆盾构机正下方皆安装水平校准及支撑装置，一个单位双圆盾构机与另一个单位双圆盾构机之间通过橡皮膜套相连，使每个单位双圆盾构机不会偏移，提高三维精度。

通过上述装置的协调运作，使控制端可以按特定顺序分别控制个单位双圆盾构机的收缩，使土体损失逐步进行，实现对于真实隧道施工中土体损失的完整模拟，配合其他监测器材，使土体变化数据化。

在限位装置作用下，外框架1只能进行径向运动。通过驱动电机10带动推头9推动运动套筒5在基轴4上进行水平方向移动，使转杆3旋转扯动弧形壳体片，改变双圆盾构机中圆的半径，改变圆截面的面积，达到改变双圆柱体体积来达到模拟双圆盾构机造成土地损失的目的。

因为摩擦力、外圧力等各种因素下，外框架1几乎不会顺逆时针大幅度转动，在收缩机构的作用下向内收缩，收缩前后，双圆截面的面积发生了变化如图1，从而使得体积之改变，按计算要求为缩小了5％。双圆外框架1主要是由八个弧形壳体片和两个V形壳体片组成，其接缝处利用镶嵌式结构防止沙土进入缝内导致卡死或者不能收缩，并在外层安装挡泥板。

运动行程与面积损失关系公式为：

其中：x为运动套筒5行程，单位：mm；R为单位双圆盾构机中圆半径，单位：mm；D为转杆3两端孔中心距，单位：mm；C为面积损失百分比。

本实用新型，使用机械结构，采用刚性机械结构及外壳，有效的抗压防止形变，使数据更精确。采用分段控制，更加符合实际模拟中的数据变化。使用单片机技术可以实现对收缩的自由精确的控制，并可以防止因手动控制而造成的误差等情况。与电脑进行链接可以施行更精准的数据分析计算。

上述实施例是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，任何对本实用新型简单变换后的方案均属于本实用新型的保护范围。