一种模拟盾构分段式开挖的试验装置的制作方法

本发明属于地下工程技术领域，尤其涉及一种模拟盾构分段式开挖的试验装置。

背景技术：

根据天津大学提出的模型试验装置是按1:60的比例，鉴于模型尺寸小，他们存在以下不足：

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)盾构机是手动运行的，操作比较繁琐。

又如同济大学朱合华团队以直径6.34m的土压平衡式盾构机为参照原型，制造了直径为400mm的双壳单螺旋模型盾构，该模型盾构的掘削刀盘和螺旋出土器共轴。西南交通大学何川团队以土压平衡式盾构机为原型，设计并制造了直径为520mm和800mm土压平衡式模型盾构试验系统，鉴于这两个模型试验系统均以实际盾构机构造进行缩尺寸，所以最大的不足之处在于：

3)针对室内模型试验而言，造价远高于本套系统自制的盾构机模型试验装置。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明的目的就是提供一种模拟盾构分段式开挖的试验装置，提出了以1:20的比例缩小的盾构模型机，通过分段式的设计，从而考虑三维土体变形，用采用驱动电机控制盾构机，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。

本发明提供一种模拟盾构分段式开挖的试验装置，包括若干个单位盾构机依次连接而成，每个单位盾构机均包括驱动控制单元、两个旋转收缩机构和外框架，所述驱动控制单元包括三个驱动电机，以及在每个驱动电机前端连接蜗轮螺杆、后端连接导线；三个驱动电机通过电机固定件分别等间距固定环绕在主轴中央；外框架是八个弧形片依次连接组成，在相邻两个弧形片之间分别通过固定片连接，且相邻两个弧形片之间保持有活动间隙；在主轴的两端分别连接有旋转收缩机构，旋转收缩机构包括行星齿轮、传动杆、蜗轮、内齿轮、恒星轮、长条转片、滑动机构、转头；行星齿轮通过传动杆与蜗轮相连，内齿轮与行星齿轮相啮合，设置在主轴上的恒星轮与行星轮相啮合，内齿轮与长条转片中间部分通过滑动机构相连；长条转片一端与在主轴上固定的转头活动连接，长条转片另一端与设置外框架上的固定片活动连接。

作为优选，所述转头上设有8个V形槽口，8根长条转片一端分别对应活动连接在8个V形槽口内。

作为优选，相邻两个单位盾构机之间通过橡皮膜套连接。

本发明的工作过程和工作原理是：在实验土槽中安装放置本发明试验装置，然后进行填土模拟出真实施工环境中的实际土体压力，将该试验装置埋入土中，在控制端的控制下，试验装置体积収缩，实现模拟盾构机在开挖隧道中的土体损失现象。

驱动控制单元：本试验装置装置利用多个驱动电机驱动，驱动电机转动使蜗杆旋转运动，带动蜗轮，通过蜗轮和蜗杆将动能传递到行星齿轮上，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。控制端则可以分别控制每组驱动电机，而一组驱动电机控制一个单位盾构机的运动，使试验装置实现分段控制。

旋转收缩机构：为改变圆截面的面积，达到改变圆柱体体积来达到模拟盾构土地损失的目的，通过驱动电机驱动蜗轮蜗杆运动，通过与之相连的传动杆传递动能带动行星轮使内齿轮转动，内齿轮与长条转片用凹槽相连使转片转动，转动后使中心轴旋转，利用长条转片在中心轴圆心处转动，使中心轴圆心与长条转片固定在外框架处的距离发生变化，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，在力的作用下向内收缩，旋转前后，圆截面的直径发生了变化，从而使得截面的面积随之改变，按计算要求为缩小了5％。外框架则由八个弧形片组成，其接缝处利用异形结构防止沙土进入缝内导致卡死或者不能收缩。

试验装置分段连接：以一组驱动单元、一组旋转收缩机构含外框架相组合构成一个单位盾构机，每个单位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个单位盾构机的收缩，达到分段控制的目的，使检测得到的数据多段化，产生类似于盾构机向前推进过程中土体损失的模拟。每个单位盾构机正下方皆安装水平校准及支撑装置，单位盾构机与单位盾构机间用橡皮膜套相连，使每个单位盾构机不会偏移，提高三维精度。

通过上述试验装置的协调运作，使控制端可以按特定顺序分别控制个单位盾构机的收缩，拾土体损失逐步进行，实现对于真是隧道施工中土体损失的完整模拟，配合其他监测器材，是土体变化数据化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)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。

2)采用分段控制，更加符合实际模拟中的数据变化。

3)装置的控制可完全由电脑或电子控制端进行控制，使操作方便稳定，能更好的模拟多项实验。

本发明装置，采用驱动电机与齿轮控制旋转收缩幅度，旋转收缩易于控制且稳定，可先收缩后扩张，完全模拟盾构机开挖土体损失的过程。

本发明装置采用多个单位盾构机组合，可以调整单位盾构机数量在多个模型箱内进行不同长度的模拟，且单位盾构机与单位盾构机间组合方便。

本发明装置简单方便，同时考虑了盾构机在运行过程中对土体损失的影响，采用的驱动电机控制也能更好地进行相关室内模型试验。

附图说明

图1是本发明的侧视结构示意图；

图2是本发明的立体结构一示意图；

图3是本发明的立体结构另一示意图；

附图标注：外框架1，固定片2，内齿轮3，行星轮4，恒星轮5，转头6，长转片7，传动杆8，固定杆9，蜗轮10，蜗杆11，电机固定件12驱动电机13，中心轴15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1～3所示，本发明提供一种模拟盾构分段式开挖的试验装置的具体实施例，包括若干个单位盾构机依次连接而成，每个单位盾构机均包括驱动控制单元、两个旋转收缩机构和外框架1，所述驱动控制单元包括三个驱动电机13，以及在每个驱动电机13前端连接蜗轮10螺杆、后端连接导线；三个驱动电机13通过电机固定件12分别等间距固定环绕在主轴中央；外框架1是八个弧形片依次连接组成，在相邻两个弧形片之间分别通过固定片2连接，且相邻两个弧形片之间保持有活动间隙；在主轴的两端分别连接有旋转收缩机构，旋转收缩机构包括行星齿轮、传动杆8、蜗轮10、内齿轮3、恒星轮5、长条转片7、滑动机构、转头6；行星齿轮通过传动杆8与蜗轮10相连，内齿轮3与行星齿轮相啮合，设置在主轴上的恒星轮5与行星轮4相啮合，内齿轮3与长条转片7中间部分通过滑动机构相连；长条转片7一端与在主轴上固定的转头6活动连接，长条转片7另一端与设置外框架1上的固定片2活动连接。

其中：所述转头6上设有8个V形槽口，8根长条转片7一端分别对应活动连接在8个V形槽口内。相邻两个单位盾构机之间通过橡皮膜套连接。

本发明的工作过程和工作原理是：在实验土槽中安装放置本发明试验装置，然后进行填土模拟出真实施工环境中的实际土体压力，将该试验装置埋入土中，在控制端的控制下，试验装置体积収缩，实现模拟盾构机在开挖隧道中的土体损失现象。

驱动控制单元：本试验装置装置利用多个驱动电机13驱动，驱动电机13转动使蜗杆1111旋转运动，带动蜗轮10，通过蜗轮10和蜗杆1111将动能传递到行星齿轮上，为使驱动电机13停止运动后固定体积并保持稳定，这里采用了蜗轮10的自锁性。控制端则可以分别控制每组驱动电机13，而一组驱动电机13控制一个单位盾构机的运动，使试验装置实现分段控制。

旋转收缩机构：为改变圆截面的面积，达到改变圆柱体体积来达到模拟盾构土地损失的目的，通过驱动电机13驱动蜗轮10蜗杆1111运动，通过与之相连的传动杆8传递动能带动行星轮4使内齿轮3转动，内齿轮3与长条转片7用凹槽相连使转片转动，转动后使中心轴15旋转，利用长条转片7在中心轴15圆心处转动，使中心轴15圆心与长条转片7固定在外框架1处的距离发生变化，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，在力的作用下向内收缩，旋转前后，圆截面的直径发生了变化，从而使得截面的面积随之改变，按计算要求为缩小了5％。外框架1则由八个弧形片组成，其接缝处利用异形结构防止沙土进入缝内导致卡死或者不能收缩。

试验装置分段连接：以一组驱动单元、一组旋转收缩机构含外框架1相组合构成一个单位盾构机，每个单位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个单位盾构机的收缩，达到分段控制的目的，使检测得到的数据多段化，产生类似于盾构机向前推进过程中土体损失的模拟。每个单位盾构机正下方皆安装水平校准及支撑装置，单位盾构机与单位盾构机间用橡皮膜套相连，使每个单位盾构机不会偏移，提高三维精度。

通过上述试验装置的协调运作，使控制端可以按特定顺序分别控制个单位盾构机的收缩，拾土体损失逐步进行，实现对于真是隧道施工中土体损失的完整模拟，配合其他监测器材，是土体变化数据化。

本发明的有益效果是：

1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。

2采用分段控制，更加符合实际模拟中的数据变化。

3装置的控制可完全由电脑或电子控制端进行控制，使操作方便稳定，能更好的模拟多项实验。

本发明装置，采用驱动电机13与齿轮控制旋转收缩幅度，旋转收缩易于控制且稳定，可先收缩后扩张，完全模拟盾构机开挖土体损失的过程。

本发明装置采用多个单位盾构机组合，可以调整单位盾构机数量在多个模型箱内进行不同长度的模拟，且单位盾构机与单位盾构机间组合方便。

本发明装置简单方便，同时考虑了盾构机在运行过程中对土体损失的影响，采用的驱动电机13控制也能更好地进行相关室内模型试验。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。