本发明涉及隧道盾构模拟试验技术领域，具体涉及一种泥水平衡式盾构模型机及其安装方法。
背景技术：
随着隧道工程建设的不断发展，盾构工法已成为隧道建设最主要的施工方式之一，对越江跨海隧道的建设，施工环境较为复杂，面临着最直接的高水压问题，以琼州海峡隧道为代表，水压近2mpa，对隧道建设的开展是巨大的挑战。
泥水平衡盾构机是水下隧道盾构施工的主要设备，在盾构掘进过程中，地层地质水文条件及盾构机本身的很多掘进参数，对周围地层稳定性有至关重要的影响。现阶段实验条件和经费有限，可借鉴的实际工程较少，因此需通过模型试验，模拟大直径盾构机在高水压条件下土体中的掘进过程，对盾构机和土体的相关参数进行测试，提供实验数据，从而研究高水压条件下泥水平衡盾构施工过程中相关问题，保障水下隧道施工的高效、安全进行。
目前，对室内泥水平衡盾构模型试验已有一定的研究。具有代表性的试验设备装置包括：日本早稻田大学研制的微型泥水平衡式盾构机模拟试验装置，利用该微型试验装置对掘进机理等方面进行了研究；西南交通大学研制的泥水平衡式盾构模拟试验系统，可模拟高水压(最高达1.0mpa)下的水下隧道泥水盾构掘进过程，并同步记录土压、水压、位移和掘进参数等进行分析研究；同济大学研制了一种可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置，包括掘土推进机构、循环机构及注浆机构，可在较大程度上模拟掘进过程，研究刀盘开口率和壁后注浆压力等因素对泥水盾构掘进过程的影响。
以上泥水平衡盾构模型机设计相对简单，实现水压最高1.0mpa，对开展试验研究具有一定的局限性。为能够进一步研究高水压条件下的大直径盾构的掘进姿态、刀具磨损、开挖面稳定、泥水劈裂和超前地质预报等问题，需进行近2.0mpa高水压条件下的泥水平衡盾构掘进试验，因此，会导致盾构机机身较长，设备安装位置复杂多样。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够通过分段拼装方式使多个部件组装在小直径的盾构机内，结构简单合理，工作稳定性好，可在高水压条件下实现大扭矩、高转速盾构掘进的泥水平衡式盾构模型机，以解决上述背景技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明一方面提供一种泥水平衡式盾构模型机，该盾构模型机包括放置土体的模型箱、泥水处理系统、plc控制系统及通过导向套伸入所述模型箱内的盾构机，所述盾构机包括前盾、中盾、后盾和盾尾，所述前盾、中盾、后盾三部分之间通过旋转卡壳式连接方式连接；三部分相互之间通过旋转卡壳式连接，易于拆卸和安装，连接安装橡胶条机o型密封圈实现密封；所述盾尾与所述后盾采用螺栓连接；
所述前盾包括刀盘及与刀盘连接的主驱动轴，所述主驱动轴上套装有主驱密封结构，所述主驱密封结构与所述刀盘及前盾的盾壳、泥水舱板围成泥水舱；
所述中盾包括减速机和驱动马达，所述减速机的前端传动连接所述主驱动轴，所述减速机的后端通过扭矩传感器连接所述驱动马达；所述扭矩传感器、所述驱动马达均与所述plc控制系统通信连接；扭矩传感器用于测量工作状态的扭矩、转速参数。
所述后盾包括姿态调节系统，用于调节盾构机的推进位置和角度；
所述盾尾包括由三环密封件和球碗组成的盾尾密封结构；所述盾尾密封结构由三环密封件和球碗组成，内圈一道沟槽，外圈两道沟槽，采用油压密封，安装于所述管片与盾壳之间。
盾尾刷固定在盾壳上，盾尾刷内部有一球碗机构可以360°旋转，球碗内部套在管片上，与管片可以轴向滑动。
所述导向套内滑动穿设有推力杆，所述推力杆的后端连接有反力架，所述模型箱和所述反力架之间连接有推进系统，所述推进系统与所述plc控制系统通信连接，用于实现盾构机的推进和复位。
进一步的，所述泥水舱通过进浆管和出浆管连通所述泥水处理系统。所述泥水处理系统与所述前盾的泥水舱通过所述进浆管和所述出浆管连通，实现了盾构掘进中的泥水循环过程。
进一步的，所述姿态调节系统包括多个围绕所述推力杆的中心轴均匀设置的液压油缸，所述液压油缸的前端枢接在所述中盾的盾壳上，所述液压油缸的后端枢接在所述推力杆的顶端。通过不同液压油缸的变化量实现位置和角度的调整。
进一步的，所述的推进系统包括均匀设于所述导向套周围的液压推进油缸，所述液压推进油缸的前端固定在所述模型箱上，所述液压推进油缸的后端固定在所述反力架上。所述推进系统由两个推进油缸组成，与所述反力架和所述外部结构模型箱连接，连接部位安装于所述反力架的左上角、右下角(或左下角、右上角)，形成对角对称形式，保证推力均匀。
进一步的，所述反力架设于一导轨上，所述反力架可在所述导轨上前后滑动。
进一步的，所述主驱动轴的后端设有内齿轮，所述减速机的前端设有与所述内齿轮互相啮合的外齿轮。
进一步的，所述减速机与所述主驱动轴之间通过所述内齿轮和所述外齿轮的啮合实现偏心连接，所述减速机固定在减速机支撑板上。
进一步的，所述后盾的盾壳上设有注浆孔。所述注浆孔位于所述后盾盾壳上，可进行壁后注浆工序。
进一步的，所述盾构机的直径为620mm。
本发明另一方面提供一种泥水平衡式盾构模型机的安装方法，包括如下步骤：
步骤1：拼装前盾；将刀盘通过螺栓与主驱动轴连接，安装主驱密封结构及泥水舱板，螺栓连接内齿轮与主驱动轴，将进浆管、出浆管连接于泥水舱板；
步骤2：拼装中盾；安装减速机支撑板，将减速机安装于减速机支撑板上，安装扭矩传感器支架和扭矩传感器，安装驱动马达支撑板，将驱动马达连接于扭矩传感器；
步骤3：拼装后盾及盾尾；将液压油缸分别安装固定于驱动马达支撑板上，再将推力杆与液压油缸的尾部连接固定，安装盾尾密封结构。
本发明有益效果：通过分段拼装方式使多个部件组装在小直径的盾构机内，结构简单合理，工作稳定性好，可在高水压条件下实现大扭矩、高转速盾构掘进。具体的，
1、本发明可在近2.0mpa高水压条件下进行室内盾构掘进试验，能实现大扭矩(0～35kn·m)、高转速(0～50r/min)，可对高水压条件下的泥水盾构掘进全过程进行模拟。
2、本发明的盾构模型机具备泥水平衡、姿态调节、壁后注浆功能，可进行高水压条件下的大直径盾构的掘进姿态、刀具磨损、开挖面稳定、泥水劈裂和超前地质预报等室内试验。
3、对本发明结构简单，采用盾壳分段式拼装方式，将盾构模型机内各组成结构合理的安装在相应位置，多个装置能够同时安装于小直径盾构机内，使其协同工作，模拟泥水平衡盾构主要过程。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的泥水平衡式盾构模型机整体结构图。
图2为本发明实施例所述的泥水平衡式盾构模型机模型箱内的盾构机结构图。
图3为本发明实施例所述的泥水平衡式盾构模型机主驱密封结构放大图。
图4为本发明实施例所述的泥水平衡式盾构模型机盾尾密封结构放大图。
图5为本发明实施例所述的泥水平衡式盾构模型机盾壳连接结构放大图。
其中：1-模型箱；2-泥水处理系统；3-导向套；4-前盾；5-中盾；6-后盾；7-盾尾；8-主驱动轴；9-泥水舱；10-减速机；11-驱动马达；12-扭矩传感器；13-盾尾密封结构；14-推力杆；15-反力架；16-进浆管；17-出浆管；18-液压油缸；19-液压推进油缸；20-导轨；21-内齿轮；22-外齿轮；23-减速机支撑板；24-注浆孔；25-主驱密封结构；2501-密封法兰；2502-旋转骨架密封圈；2503-高压油道；2504-密封件法兰；2505-连接螺栓；26-刀具；27-泥水舱板；28-驱动马达支撑板；29-扭矩传感器支架；30-第一密封环；31-第二密封环；32-第三密封环；33-球碗结构；35-刀盘；36-o型密封圈；37-螺纹连接处。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。
需要说明的是，在本发明所述的实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通，或两个元件的相互作用关系，除非具有明确的限定。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供泥水平衡式盾构模型机，包括放置土体的模型箱1、泥水处理系统2、plc控制系统及通过导向套3伸入所述模型箱内的盾构机，盾构机通过推力杆14与反力架15连接，反力架15与模型箱1之间连接有液压推进油缸19，反力架15设置在导轨20上。
液压推进油缸19回缩时，为反力架15提供拉力，带动反力架15向前移动，反力架15向前移动为推力杆14提供推力，推力杆14将推力传递给模型箱1中的盾构机，为盾构机提供向前的切削推力；液压推进油缸19伸出时，为反力架15提供推力，推动反力架15向后移动，反力架15向后移动为推力杆14提供拉力，推力杆14将拉力传递给模型箱1中的盾构机，为盾构机提供向后的回位拉力。
实施例二
本发明实施例二提供泥水平衡式盾构模型机，包括放置土体的模型箱1、泥水处理系统2、plc控制系统及通过导向套3伸入所述模型箱内的盾构机，盾构机通过推力杆14与反力架15连接，反力架15与模型箱1之间连接有液压推进油缸19，反力架15设置在导轨20上。
所述导向套3内滑动穿设有推力杆14，所述推力杆14的后端连接有反力架15，所述模型箱1和所述反力架15之间连接有推进系统，所述推进系统与所述plc控制系统通信连接，用于实现盾构机的推进和复位。所述的推进系统包括均匀设于所述导向套3周围的液压推进油缸19，所述液压推进油缸19的前端固定在所述模型箱1上，所述液压推进油缸19的后端固定在所述反力架15上。
具体的，液压推进油缸19回缩时，为反力架15提供拉力，带动反力架15向前移动，反力架15向前移动为推力杆14提供推力，推力杆14将推力传递给模型箱1中的盾构机，为盾构机提供向前的切削推力；液压推进油缸19伸出时，为反力架15提供推力，推动反力架15向后移动，反力架15向后移动为推力杆14提供拉力，推力杆14将拉力传递给模型箱1中的盾构机，为盾构机提供向后的回位拉力。
如图2所示，其中，所述盾构机包括前盾4、中盾5、后盾6和盾尾7；所述前盾4、中盾5、后盾6三部分之间通过螺纹连接方式连接。
所述前盾4包括刀盘35及与刀盘35连接的主驱动轴8，所述主驱动轴8上套装有主驱密封结构25，所述主驱密封结构25与所述刀盘35及前盾盾壳以及泥水舱板27围成泥水舱9；泥水舱9通过进浆管16和出浆管17连通所述泥水处理系统2，从而为盾构机提供泥浆。
所述中盾5包括减速机10和驱动马达11，所述减速机10的前端传动连接所述主驱动轴8，所述减速机10的后端通过扭矩传感器12连接所述驱动马达11；所述扭矩传感器12、所述驱动马达11均与所述plc控制系统通信连接。所述主驱动轴8的后端设有内齿轮21，所述减速机10的前端设有与所述内齿轮21互相啮合的外齿轮22。驱动马达11转动时可通过内齿轮21与外齿轮22的啮合将动力传递给主驱动轴8，主驱动轴8带动刀盘35转动，刀盘35转动带动刀具26对土体进行切削。
所述减速机10与所述主驱动轴8之间通过所述内齿轮21和所述外齿轮22的啮合实现偏心连接。所述减速机部件的最大直径428mm，减速机前轴为偏心部件，外径120mm，安装直径为304.5mm的内齿轮与减速机前轴啮合，将驱动马达11的旋转动力传递至所述主驱动轴8，驱动所述刀盘35旋转。
其中，驱动马达11安装在驱动马达支撑板28上，减速机10安装在减速机支撑板23上，扭矩传感器12安装在扭矩传感器支架29上，扭矩传感器支架29设在减速机10与驱动马达11之间。所述减速机的作用是降低转速、增大扭矩，本实施例所述的盾构模型机所能达到的扭矩范围为：0～35kn·m；转速范围为：0～50r/min。
所述后盾6包括姿态调节系统，用于调节盾构机的推进位置和角度；所述姿态调节系统包括多个围绕所述推力杆14的中心轴均匀设置的液压油缸18，所述液压油缸18的前端枢接在所述驱动马达支撑板28上，所述液压油缸18的后端枢接在所述推力杆14的顶端。推力杆14的推力或拉力可通过液压油缸18传递给驱动马达支撑板28。
所述盾尾包括由三环密封件和球碗组成的盾尾密封结构13，所述后盾的盾壳上设有注浆孔24，所述壁后注浆孔24位于所述后盾6盾壳上，可进行壁后注浆工序。
实施例三
本发明实施例三提供泥水平衡式盾构模型机，其工作过程如下：
plc控制系统传递信号控制液压推进油缸19伸缩，当液压推进油缸19回缩时，液压推进油缸19拉动反力架15沿导轨向前移动，反力架15向前移动推动推力杆14沿导向套3向前移动，导向套3将推力传递给姿态调节系统的液压油缸，液压油缸再将推力传递给中盾5的驱动马达支撑板28，中盾盾壳再将推力传递给主驱密封结构25，主驱密封结构25再将推力传递给刀盘35，刀盘35对土体实现向前的切削推力。
其中，如图3所示，为本发明实施例三所述的主驱密封结构放大图，所述的主驱密封结构25包括密封法兰2501、旋转骨架密封圈2502、高压油道2503、密封件法兰2504、连接螺栓2505。密封法兰2501通过连接螺栓2505连接在泥水舱板27上，密封件法兰2504通过连接螺栓2505连接在密封法兰2501的两侧，密封件法兰2504与密封法兰2501之间设旋转骨架密封圈2502，密封法兰2501与主驱动轴8之间设高压油道2503。
当液压油缸19伸长时，液压油缸19推动反力架15沿导轨向后移动，反力架向后移动带动推力杆14向后移动，推力杆14再将拉力传递给姿态调节系统的液压油缸19，液压油缸19拉动盾壳向后移动，从而实现盾构机的复位。
plc控制系统控制驱动马达按照相应的转速旋转，驱动马达11再通过扭矩传感器12带动减速机10运行，减速机10的运行带动其前端的外齿轮22转动，外齿轮22与安装在主驱动轴8后端的内齿轮21相互啮合，外齿轮22的转动带动内齿轮21转动，进一步内齿轮21带动主驱动轴8旋转，主驱动轴8的旋转带动刀盘35转动，刀盘35通过安装在刀盘35上的刀具26实现对土体的切削。
实施例四
本发明实施例四提供了一种泥水平衡式盾构模型机的组装方法，主要分为三段式拼装，实现了大扭矩、高转速功能的小直径泥水盾构模型机的拼装该方法流程包括以下步骤：
①拼装前盾4：准备各部分部件，将刀具26安装于刀盘35上，连接主驱动轴8与刀盘35螺栓连接，安装主驱密封结构25及泥水舱板27，螺栓连接内齿轮21与主驱动轴8，拼装前盾4，将进浆管16、出浆管17连接于泥水舱板27；
②拼装中盾5：安装减速机支撑板23，减速机10安装于减速机支撑板23上并与内齿轮21啮合，安装扭矩传感器支架29和扭矩传感器12，拼装中盾5，安装驱动马达支撑板28，将驱动马达11连接于扭矩传感器12；
③拼装后盾7及盾尾6：将姿态调节系统的4个液压油缸18的前端分别安装枢接于驱动马达支撑板28上，拼装后盾7，再将推力杆14与液压油缸18的尾部枢接，安装盾尾密封结构13。
如图4所示，所述前盾4、中盾5、后盾6组成盾构模型机主体部分，三部分相互之间通过螺纹方式连接，易于拆卸和安装，连接安装橡胶条机o型密封圈36实现密封，螺纹连接处37位于o型密封圈36的后侧。
如图5所示，本发明实施例四所述的泥水平衡式盾构模型机的盾尾密封结构13的结构放大图，该盾尾密封结构13包括第一密封环30、第二密封环31、第三密封环32以及球碗结构33，内圈一道沟槽，设第一密封环30，外圈两道沟槽，分别设第二密封环31和第二密封环32，采用油压密封，安装于所述推力杆14与盾壳之间。盾尾刷固定在盾壳上，球碗结构33设于盾尾刷内部可以360°旋转，球碗内部套在推力杆14上，与推力杆可以轴向滑动。
为更有利于快速和反复开展室内盾构模型掘进试验，盾构直径应较小，此处盾构机的直径为620mm，上述装置部件通过上述方法组装的盾构模型机，内部各部件实现了前后顺序连接，从而实现小直径盾构机的大扭矩、高转速等多个功能。
综上所述，本发明实施例通过前盾、中盾、后盾的三段拼装方式，使多个部件按前后顺序安装在了小直径盾构盾壳内，使其结构简单合理、紧凑，具有较好的工作稳定性，为模拟高水压条件下大直径泥水平衡盾构模型试验提供了大扭矩、高转速，为室内模拟高水压、大直径、复杂地层条件下的泥水盾构掘进试验提供了重要的参考依据，对盾构模型试验的开展意义重大。
本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。