一种模拟盾构机掘进的模型试验装置的制作方法

本发明涉及模拟盾构机掘进技术领域，具体为一种模拟盾构机掘进的模型试验装置。

背景技术：

近年来，随着城市地铁事业的不断发展，土压平衡盾构机在隧道区间的修建过程中得到了越来越广泛的应用。为了清楚的了解盾构机实际的工作状态以及盾构机开挖过程中对周边环境的影响机理，国内外有许多学者设计了模型盾构机装置，并开展了模型盾构试验研究。

如中国专利申请号为201610064311.3的一种用于砂土中模拟盾构掘进的模型试验装置，包括“盾构机支撑架、盾构机外钢筒、开挖面切削单元、排砂单元、模型盾构机顶进单元以及压力监测单元；盾构机外钢筒固定在盾构机支撑架上，盾构机外钢筒内设有盾头和模型隧道……”该申请采用吸尘器原理来进行排砂，节省了模型盾构机内部的操作空间，为盾构机后方模型隧道内部布置传感器进行监测创造了条件，其排砂方法更直接、有效、可靠，便于试验操作。

众所周知，隧道的周边环境(陆地建筑、隧道的下沉度、隧道的侧应力)会影响甚至破坏隧道的结构，我们需要模拟不同方向对试验块的压力来得出实验数据，但是上述申请仅仅解决的是模拟挖掘过程中的排砂效果，其未对试验块进行实际的周边环境压力的模拟，所得出的隧道的受力及变形监测不准确。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可对试验块进行全方位环境压力模拟的模拟盾构机掘进的模型试验装置。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种模拟盾构机掘进的模型试验装置，包括试验块、机架和压力检测机构，所述机架上设置有试块固定架、模拟盾构机挖掘机构，所述试块固定架为内部圆形且外部至少四边的多边形环状结构，所述试块固定架的每一边上均设置有环境压力模拟机构，若干个环境压力模拟机构可将试验块夹持在试块固定架内的中轴线上，且若干个环境压力模拟机构可对试验块施加不同的力，所述模拟盾构机挖掘机构与试验块的中轴线位置相对应，所述压力检测机构包括若干埋设在试验块内的压力传感器和电阻应变式传感器，若干个压力传感器分别一一与环境压力模拟机构相对应，所述电阻应变式传感器与模拟盾构机挖掘机构的位置相对应。

优选的，所述环境压力模拟机构包括液压缸以及与其输出端相连的压板，所述压板与试验块相对应的一面为与试验块半径相同的弧形面，所述液压缸固定在试块固定架的外边上。

优选的，所述模拟盾构机挖掘机构包括行进机构、设置在行进机构上的盾构机外筒、盾头、模型隧道、排砂机构、桨状刀片伺服电机，所述盾构机外筒套在模型隧道外，所述盾头为一面闭合的中空筒状，所述盾头闭合的一面可拆卸式的连接在盾构机外筒的前端，所述桨状刀片通过刀片轴枢接在盾头上，伺服电机通过传动轴与刀片轴可拆卸式传动连接，所述排砂机构与盾头连通，排砂机构用于将盾头的砂末排出。

优选的，所述排砂机构包括吸尘器、吸气管和进气管，所述吸尘器通过吸气管与盾头连通，所述进气管的一端与盾头连通，所述进气管的另一端与大气连通用于为盾头内进行补气。

优选的，所述试块固定架远离模拟盾构机挖掘机构的一侧设置有用于密封试块固定架的密封机构。

优选的，所述密封机构包括设置在机架上的支撑板、与试块固定架的内壁相适配的活塞、螺纹连接在支撑板上的螺杆以及导向杆，所述螺杆的一端枢接在活塞上，所述导向杆的一端与活塞相连，另一端穿过支撑板并与支撑板活动连接，所述活塞与试块固定架轴向对应。

优选的，所述活塞的前端通过支杆连接有环状的固定环，所述固定环与试验块的位置相对应，所述固定环的内径小于试验块的外径且大于盾头的外径。

优选的，所述试块固定架上设置有用于夹紧模型隧道的隧道夹紧机构，所述隧道夹紧机构位于试块固定架上靠近密封机构的一侧，所述隧道夹紧机构包括若干绕试块固定架中心等角度设置的夹板以及与其相连的气缸，所述气缸设置在试块固定架的外边上。

优选的，所述盾头的内壁上设置有螺旋形的导流槽，所述导流槽的一端与桨状刀片位置相对应，另一端与吸气管的位置相对应。

优选的，所述模型隧道的外壁上沿着其长度方向开设有卡槽，所述盾构机外筒的内壁上设置有与卡槽相适配的卡条，所述模型隧道通过卡槽与盾构机外筒上的卡条卡接。

(三)有益效果

本发明提供了一种模拟盾构机掘进的模型试验装置。具备以下有益效果：

1、该模拟盾构机掘进的模型试验装置，将试验块放置在试块固定架的内壁，通过多个液压缸将试验块固定，然后根据需要模拟的环境压力来调节各个液压缸对试验块的挤压力度，在模拟环境压力下进行隧道盾构机开挖所得出的隧道受力及变形监测的数据更加接近实际。

2、该模拟盾构机掘进的模型试验装置，将试块固定架远离模拟盾构机挖掘机构的一侧密封住，能够真实模拟地下隧道周边的密封环境，加上固定环将试验块一端固定，能够使试验块在开挖过程中的形态稳定、受挤压力数据也相对准确。

附图说明

图1为本发明的轴侧图；

图2为本发明的环境压力模拟机构示意图；

图3为本发明的盾头和盾构机外筒内部结构示意图；

图4为本发明的导流槽结构示意图；

图5为本发明的试验块剖视图；

图6为本发明的密封机构工作状态图；

图7为本发明的模拟盾构机挖掘机构工作状态图；

图8为本发明的盾头贯穿试验块的状态图；

图9为本发明的盾构机外筒与模型隧道分离状态图；

图10为本发明的压力检测机构的电路图。

图中：1机架、2试块固定架、3环境压力模拟机构、31液压缸、32压板、4密封机构、41活塞、42固定环、43支撑板、44螺杆、45导向杆、5行进机构、51移动台、52丝杠、53电机、54滑轨、55滑块、6盾头、7盾构机外筒、8排砂机构、81吸尘器、82吸气管、83进气管、9隧道夹紧机构、91气缸、92夹板、10伺服电机、11桨状刀片、12刀片轴、13传动轴、14模型隧道、15试验块、16压力传感器、17电阻应变式传感器、18卡槽、19卡条、20导流槽、21固定架内壁、22微处理器、23显示设备。

具体实施方式

本发明实施例提供一种模拟盾构机掘进的模型试验装置，如图1-10所示，包括试验块15、机架1和压力检测机构。

如图2所示，机架1上设置有试块固定架2、模拟盾构机挖掘机构，试块固定架2为的外部为六边形的结构，试块固定架2的固定架内壁21为圆形。

如图1所示，试块固定架2的每一边上均设置有环境压力模拟机构3，六个环境压力模拟机构3可将试验块15夹持在试块固定架2内的中轴线上，且六个环境压力模拟机构3可对试验块15施加不同的力。

如图5所示，模拟盾构机挖掘机构与试验块15的中轴线位置相对应，压力检测机构包括六个埋设在试验块15内的压力传感器16和电阻应变式传感器17。

压力传感器16和电阻应变式传感器17埋入材料内的相应位置，如图5所示，六个压力传感器16分别设置在与试块固定架2六个边对应位置，通过模具成型压实得到试验块15。

如图10所示，压力检测机构还包括微处理器22和显示设备23，压力传感器16和电阻应变式传感器17通过微处理器22与显示设备23相连，微处理器3采用i.mx6处理器芯片，显示设备12为计算机。压力传感器16和电阻应变式传感器17均为现有技术。

六个压力传感器16分别一一与环境压力模拟机构3相对应，电阻应变式传感器17与模拟盾构机挖掘机构的位置相对应。

环境压力模拟机构3包括液压缸31以及与其输出端相连的压板32，压板32与试验块15相对应的一面为与试验块15半径相同的弧形面，液压缸31固定在试块固定架2的外边上。

位于试块固定架2顶部的液压缸31用于模拟陆地建筑对隧道的环境影响，位于试块固定架2侧面的液压缸31用于模拟隧道的侧应力，位于试块固定架2底部的液压缸31用于模拟隧道的下沉力。

每个压板32挤压试验块15时，试验块15上对应的压力传感器16将数据传输至显示设备12，液压缸31便于调节各个环境压力模拟机构3对试验块15的挤压力。

电阻应变式传感器17用于检测模拟盾构机挖掘机构挖掘时对试验块15的挤压力，可以监测盾构机顶进过程中实际提供给试验块15总的推力大小，用总的推力减去试验块15受到的总的环境压力总和(即各个压力传感器16的读数之和乘以盾头6的横截面积)可以得到盾构机外筒7与试验块15之间的摩擦力，这样盾构机受力情况可一目了然。

将试验块15放置在试块固定架2的内壁，通过多个液压缸31将试验块15固定，然后根据需要模拟的环境压力来调节各个液压缸31对试验块15的挤压力度，在模拟环境压力下进行隧道盾构机开挖所得出的隧道受力及变形监测的数据更加接近实际。

如图3所示，模拟盾构机挖掘机构包括行进机构5、设置在行进机构5上的盾构机外筒7、盾头7、模型隧道14、排砂机构8、桨状刀片11伺服电机10。行进机构5能够带动盾构机外筒7以及桨状刀片11朝着试验块15方向移动。

如图9所示，盾构机外筒7套在模型隧道14外，模型隧道14的外壁上沿着其长度方向开设有卡槽18，盾构机外筒7的内壁上设置有与卡槽18相适配的卡条19。模型隧道14通过卡槽18与盾构机外筒7上的卡条19卡接。盾构机外筒7和相对模型隧道14轴向移动，且不可以相对旋转，卡槽18和卡条19起到了旋转的限位作用。

如图3所示，盾头7为一面闭合的中空筒状，盾头7闭合的一面可拆卸式的连接在盾构机外筒7的前端，盾头7与盾构机外筒7可通过凹槽和卡杆插接的方式相连。桨状刀片11通过刀片轴12枢接在盾头7上，伺服电机10通过传动轴13与刀片轴12可拆卸式传动连接。传动轴13与刀片轴12通过花键轴与花键套的组合方式可拆卸式相连，为现有技术。

伺服电机10的转速可以根据不同掘进速度调整并通过传动轴13带动桨状刀片11切削试验块15，滑落的砂土进入盾头6内。排砂机构8与盾头7连通，排砂机构8用于将盾头7的砂末排出。

排砂机构8包括吸尘器81、吸气管82和进气管83，吸尘器81通过吸气管82与盾头6连通，进气管(83)的一端与盾头6连通，进气管(83)的另一端与大气连通用于为盾头6内进行补气。吸尘器81为无级变速吸尘器，为现有技术。吸气管82和进气管83均为pvc管。依次相互连接的吸尘器81、吸气管82、盾头6的内部和进气管83形成一用于排砂的气体循环通路。吸尘器81可以根据挤压力的不同来调整吸力的大小，将砂土从盾头6内吸出。

如图3所示，盾头6的内壁上设置有螺旋形的导流槽20，导流槽20的一端与桨状刀片11位置相对应，另一端与吸气管82的位置相对应。设置螺旋形的导流槽20，被桨状刀片11切割下来的砂石可随着导流槽20流动至吸气管82位置，可防止砂石堵在盾头6内，切割下来的砂石动力来之后者切割下来的砂石挤压前面的砂石。再没有导流槽20时，一开始切割下来的砂石会堆积在盾头6口处，未能被吸尘器81吸出，随着掘进的进行容易堵塞。

如图1所示，行进机构5包括沿着行进方向设置的丝杠52、与丝杠52相适配的螺母、滑轨54、与滑轨54相适配的滑块55、移动台51以及与丝杠52相连的电机53，移动台51与螺母、滑块55相连，移动台51与盾构机外筒7固连。移动台51可带动盾构机外筒7、盾头6、桨状刀片11朝着试验块15方向行进。

试块固定架2远离模拟盾构机挖掘机构的一侧设置有用于密封试块固定架2的密封机构4。

密封机构4包括设置在机架1上的支撑板43、与试块固定架2的内壁相适配的活塞41、螺纹连接在支撑板43上的螺杆44以及导向杆45，螺杆44的一端枢接在活塞41上，导向杆45的一端与活塞41相连，另一端穿过支撑板43并与支撑板43活动连接，活塞41与试块固定架2轴向对应。

密封机构4使用时，转动螺杆44可带动活塞41朝着试块固定架2方向行进，活塞41的直径与固定架内壁21相适配，活塞41堵住固定架内壁21即可实现密封。

活塞41的前端通过支杆连接有环状的固定环42，支杆的长度大于盾头6的长度，当盾头6贯穿试验块15时保证盾头6与活塞41之间的距离，防止桨状刀片11切割到活塞41。固定环42与试验块15的位置相对应，固定环42的内径小于试验块15的外径且大于盾头6的外径。固定环42用于顶住试验块15，当盾头6贯穿试验块15后由于固定环42的内径大于盾头6的外径，盾头6不会接触到固定环42。

将试块固定架2远离模拟盾构机挖掘机构的一侧密封住，能够真实模拟地下隧道周边的密封环境，加上固定环42将试验块15一端固定，能够使试验块15在开挖过程中的形态稳定、受挤压力数据也相对准确。

试块固定架2上设置有用于夹紧模型隧道14的隧道夹紧机构9，隧道夹紧机构9位于试块固定架2上靠近密封机构4的一侧，隧道夹紧机构9包括六个绕试块固定架2中心等角度设置的夹板92以及与其相连的气缸91，气缸91设置在试块固定架2的外边上。当盾头6穿透试验块15后，模型隧道14跟随穿透，利用隧道夹紧机构9将模型隧道14夹紧后，即可无损抽出盾构机外筒7。

工作原理：步骤一：将压力传感器16和电阻应变式传感器17埋入材料内的相应位置，六个压力传感器16分别设置在与试块固定架2六个边对应，通过模具成型压实得到试验块15。步骤二：复位各传感器，将试验块15置于试块固定架2的中心位置，驱动六个液压缸31将试验块15夹住，夹紧初始状态压力传感器16数值为“0”。步骤三：根据需要模拟的实际环境压力，分别调节六个液压缸31的挤压力，压力传感器16将数值传递至计算机，待环境压力调整完毕。步骤四：如图6所示，使用密封机构4，活塞41将固定架内壁21封闭，同时固定环42对试验块15形成支撑。步骤五：如图7所示，电机53、伺服电机10动作，桨状刀片11对试验块15进行掘进，读取电阻应变式传感器17的数值，用总的推力减去试验块15受到的总的环境压力总和(即各个压力传感器16的读数之和乘以盾头6的横截面积)可以得到盾构机外筒7与试验块15之间的摩擦力。步骤六：如图8所示，当盾头6从试验块15另一端穿出，推进过程完成。如图9所示，密封机构4复位，将盾头6拆卸下，同时利用隧道夹紧机构9将模型隧道14夹紧，缓缓抽出盾构机外筒7，使模型隧道14暴露于砂土之中，由于盾构机外筒7本身有厚度，因而将盾构机外筒7抽出的过程即为产生土体损失的过程。步骤七：待盾构机外筒7外圈抽出后，观察模型隧道14周围的实验块15变形度以及压力传感器16的数值，初始环境压力减去盾构机外筒7抽出后的压力的数值越大即变形度越大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。