一种模拟类矩形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，具体涉及一种模拟类矩形盾构分段式开挖的试验装置。

背景技术：

一种新型盾构工法：类矩形盾构工法已经在中国宁波地铁3号线工程中得到应用。而在类矩形盾构施工过程中，会引起周围土体变形，难免会对周围地下管线及建筑物造成影响。对此，有必要进行深入研究，来协助确保施工过程中的安全。

而在研究过程中，现场测试存在很多不确定因素，故大多采用室内缩尺寸模型试验，鉴于试验的需要，一种模拟类矩形盾构分段式开挖的试验装置能更便于试验的进行，获得的试验数据能为将来实际施工提供有效帮助。

依据现有资料得出，类矩形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)现有的多数类矩形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；或是手动运行的，操作比较繁琐。

或者如上海盾构设计实验研究中心有限公司所做的矩形盾构机模拟掘进实验研究，其中使用了截面尺寸为1200mm×1000mm的试验用矩形盾构机，该试验机采用十字形结构切削刀具掘削、两组减速机与油马达驱动装置驱动、另外还设计了集中润滑系统；又或者如同济大学丁文其团队，采用的一种类矩形盾构切削推进模拟试验系统。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)针对大型模型试验或现场实验而言，费用远高于本套系统自制的类矩形盾构机模型试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中不足，本发明的目的就是提供一种模拟类矩形盾构开挖的分段式缩尺寸试验装置，提出了1:20的缩尺寸类矩形盾构模型机，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。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提出一种模拟类矩形盾构分段式开挖的试验装置，包括若干个单位类矩形盾构机依次连接而成，每个单位类矩形盾构机均包括驱动控制单元、两个收缩机构和外框架；

所述驱动控制单元包括四个驱动电机，以及每个驱动电机动力的输出端连接蜗轮螺杆、其后端与通电导线连接；

四个驱动电机通过电机固定件分别固定环绕在各支撑架上；

外框架是四个类弧形壳体片连接组成，在相邻两个类弧形壳体片之间分别通过凹槽结构镶嵌，且相邻两个弧形片之间保持有活动间隙；在相邻两个弧形片之间的活动间隙外侧安装有挡泥板；

在单位类矩形盾构机的两端分别安装收缩机构；

两个收缩机构分为升降机构和水平收缩机构，其中：

升降机构包括转盘、转杆、弧形升降块和支撑架；水平收缩机构包括齿轮和转轴；

转盘通过转轴与支撑架相连，转盘通过转杆与弧形升降块相连，设置在驱动输出端的齿轮与支撑架上的齿条相啮合；支撑架另一端与外框架固定连接；

通过驱动控制单元转动转盘，带动转杆，使弧形升降块转动，使上下支撑架进行垂直运动，实现类矩形盾构机的高度变化；

同时通过驱动控制单元转动齿轮，带动与支撑架连接的齿条，使左右支撑架进行水平移动，实现类矩形盾构机的宽度变化。

作为优选：相邻两个单位盾构机之间通过橡皮膜套连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的创新点一：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。

本发明的创新点二：采用分段控制，更加符合实际模拟中的数据变化。

本发明的创新点三：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，采用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，完全模拟类矩形盾构机开挖土体损失的过程。

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

本发明简单方便，同时考虑了类矩形盾构机在运行过程中对土体损失的影响，采用的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为本发明装置在收缩前后的面积差示意图。

图2为本发明装置侧面结构示意图。

图3为本发明装置立体结构示意图。

图4为本发明装置收缩前的结构示意图。

图5为本发明装置收缩后的结构示意图。

附图标记：齿轮(1)、驱动电机(2)、弧形升降块(3)、挡泥板(4)、外框架(5)、支撑架(6)、转杆(7)、转盘(8)、转轴(9)、电机固定件(10)。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1～5所示，本发明提出一种模拟类矩形盾构分段式开挖的试验装置的具体实施例，包括若干个单位类矩形盾构机依次连接而成，每个单位类矩形盾构机均包括驱动控制单元、两个收缩机构和外框架5，所述驱动控制单元包括四个驱动电机2，以及每个驱动电机2动力的输出端连接蜗轮螺杆、其后端与通电导线连接；四个驱动电机2通过电机固定件10分别固定环绕在各支撑架6上；外框架5是四个类弧形壳体片连接组成，在相邻两个类弧形壳体片之间分别通过凹槽结构镶嵌，且相邻两个弧形片之间保持有活动间隙；在相邻两个弧形片之间的活动间隙外侧安装有挡泥板4；如图4和图5所示：在单位类矩形盾构机的两端分别安装收缩机构，两个收缩机构分为升降机构和水平收缩机构，其中：升降机构包括转盘8、转杆7、弧形升降块3和支撑架6；水平收缩机构包括齿轮1和转轴9；转盘8通过转轴9与支撑架6相连，转盘8通过转杆7与弧形升降块3相连，设置在驱动输出端的齿轮1与支撑架6上的齿条相啮合；支撑架6另一端与外框架5固定连接；通过驱动控制单元转动转盘8，带动转杆7，使弧形升降块3转动，使上下支撑架6进行垂直运动，实现类矩形盾构机的高度变化；同时通过驱动控制单元转动齿轮1，带动与支撑架6连接的齿条，使左右支撑架6进行水平移动，实现类矩形盾构机的宽度变化。

其中：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模型，然后进行填土模拟出真实施工环境中的实际土体压力，将模型埋入土中，在控制端的控制下，模型体积収缩，实现模拟类矩形盾构机在开挖隧道中的土体损失现象。

驱动控制单元：本模型装置利用多个电机驱动，驱动电机四个为一组，每个单位类矩形盾构机上有两组驱动电机和两组减速机，并配有支撑固定装置。驱动电机转动使升降机构和水平收缩机构运动，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。驱动电机输出连接收缩机构，后端连接通电导线，每组通电导线控制一组驱动电机，多组通电导线与外部控制端相连。控制端则可以分别控制每组驱动电机，而两组驱动电机控制一个单位类矩形盾构机的运动，使模型实现分段控制。

如图4和图5所示，收缩机构：类矩形盾构机两端均有收缩机构，收缩机构分为升降机构和水平收缩机构。升降机构：通过驱动控制单元转动转盘，带动转杆，使弧形升降块转动，使上下支撑架进行垂直运动，改变类矩形盾构机的高度；水平收缩机构：通过驱动控制单元转动齿轮，带动与支撑架连接的齿条，使左右支撑架进行水平移动，改变类矩形盾构机的宽度。为改变圆截面的面积，达到改变圆柱体体积来达到模拟类矩形盾构机造成土地损失的目的，通过驱动电机驱动使升降机构和水平收缩机构运动，改变该模型的高与宽，并因为摩擦力，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，类矩形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％。

类矩形外框架则由四个类弧形壳体片组成，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。

图1中面积损失公式为：

(高与宽为固定比例)

(C为面积损失百分比)

其中：X为水平宽度，单位mm；Y为垂直高度，单位mm；ΔX为水平宽度改变量，单位mm；ΔY为垂直高度改变量，单位mm。本模型X＝575mm；Y＝350mm。

模型分段连接：以两组驱动电机、两组收缩机构及外框架组合构成一个单位类矩形盾构机，每个单位类矩形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类矩形盾构机的收缩，达到分段控制的目的，使检测得到的数据多段化，产生类似于类矩形盾构机向前推进过程中土体损失的模拟。每个单位类矩形盾构机正下方皆安装水平校准及支撑装置，单位类矩形盾构机与单位类矩形盾构机间用橡皮膜套相连，使每个单位类矩形盾构机不会偏移，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类矩形盾构机的收缩，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。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。