本发明涉及一种变截面土压平衡式盾构模拟试验系统，属于盾构施工技术领域。。
背景技术：
盾构法施工过程中，由于盾构机壳本身存在一定厚度、以及纠偏或掘进方向的调整引起的超挖等原因，不可避免的引起地层损失。地层损失的大小对隧道上方地层的位移有着很大的影响，leeyj(2009)设计了一种可精确改变直径大小的机械装置，通过改变该装置直径的大小模拟盾构隧道开挖过程中不同地层损失对地层变形的影响；潘志刚(2015)研制了一套水囊系统，通过精确控制排水量模拟盾构隧道开挖过程中不同地层损对地层变形的影响。这两种装置只能用于小规模的二维试验，而且不能反映盾构机的掘进过程。为了真实反映盾构机的掘进过程，国内外很多学者对模型盾构试验机进行了研究，如nomoto(1999)等人研制的可进行离心试验的小型盾构机、champan(2006)等人建立的适用于黏土的小模型盾构机、以及国内上海隧道股份有限公司(1996)研制的小盾构模拟试验台、上海隧道股份有限公司联合浙江大学、同济大学等(2004)研制的大直径模型盾构机、同济大学(2006)研制的双壳单螺旋模型盾构、北京交通大学(2007)研制的土压平衡盾构设备、何川(2013)研制的小直径泥水平衡盾构机等。这些模型盾构机可较为真实的反映盾构机的掘进过程，但盾构机都为等直径圆截面，不能用于研究地层损失变化对地层变形的影响。因而设计一种既能反映盾构机掘进过程，同时又能反映不同地层损失影响的模型盾构试验系统十分必要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种变截面的土压平衡盾构试验系统，既可以真实的模拟盾构机的掘进过程，同时能研究地层损失对地层变形的影响。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种变截面土压平衡式盾构模拟试验系统，包括模型箱、监测系统、切削系统、出土系统和顶进系统：
装有试验土体的模型箱固定于底座上，监测系统主要包括千分表、位移计、土压力盒，及相应的数据采集及控制装置，千分表固定在填土表面上方，位移计、土压力盒预埋在模型箱内部的土体中；
切削系统包括刀盘和刀盘驱动装置，刀盘通过主轴与刀盘驱动装置相连，刀盘驱动装置由液压马达驱动；盾构机前部经过模型箱侧面上预留的开挖孔进入模型箱，刀盘驱动装置通过主轴带动刀盘旋转，实现对前方土体的掘削；
顶进系统包括一对千斤顶和液压油箱，千斤顶位于盾构机左右两侧，连接于模型箱和刀盘驱动装置之间，通过千斤顶的回缩使盾构机底座沿轨道向前移动，从而实现盾构向前掘进的过程；
出土系统包括螺旋出土器、螺旋出土器驱动装置、排土口、渣土箱，刀盘和后方设置的隔板之间的空间构成土压舱，螺旋出土器的进口伸入土压舱，出口与盾构机后部的排土口相连，渣土从排土口排出后直接落入渣土箱。
液压马达和千斤顶共用一个液压油箱，螺旋出土器的螺旋轴与小型电机相连。
所述盾构机分为a、b、c、d四个等截面段，截面均为圆形，直径ra>rb>rc>rd，盾构机各截面下端点在同一水平线上，盾构机的主轴在刀盘的中心位置，ra为等截面段a的半径，rb为等截面段b的半径，rc为等截面段c的半径，rd为等截面段d的半径。
本发明的工作过程和工作原理是：
在模型箱内填筑配置好的土体，用以模拟不同的围岩条件。盾构机前部经过模型箱侧面上预留的开挖孔进入模型箱。刀盘驱动装置通过主轴带动刀盘旋转，实现对前方土体的掘削。千斤顶位于盾构机左右两侧，连接于模型箱和刀盘驱动装置之间，通过千斤顶的回油带动盾构机底座沿轨道向前移动，从而实现盾构向前掘进；掘进过程中切削下来的土体进入刀盘和隔板之间的土压舱，螺旋出土器的进口伸入土压舱，出口与盾构机后部的排土口相连，渣土从排土口排出后直接落入渣土箱。随着掘进过程的推进，盾构机的等截面段a、b、c、d逐渐进入土箱，等截面段a、b、c、d分别对应四种地层损失。预先安置在模型箱的千分表、位移计、土压力盒实时记录围岩的应力和变形，通过对围岩横向和纵向应力和变形数据的分析，进而得到盾构开挖过程中地层损失对地层应力和变形的影响规律。
本发明的有益效果在于：
关于地层损失对盾构隧道地层变形的模型试验研究，前人设计的试验装置只适用于小规模二维试验模型，而且不能反映盾构机的掘进过程。而目前模型试验盾构机都是等直径的，不能用来研究地层损失对地层应力和变形的影响。本发明中盾构机由四段不同直径的等圆截面组成，能够同时用来模拟盾构机的掘进过程，同时可以用来研究地层损失对地层应力和变形的影响的问题。
附图说明：
图1是本发明所述模型盾构机正视结构示意图；
图2是本发明所述模型盾构机截面示意图；
图3是本发明所述盾构机主体俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步具体描述：
如图1-图3所示，本发明所述的变截面土压平衡盾构模拟试验系统，其组成包括模型箱(1)、监测系统、切削系统、出土系统和顶进系统：
装有试验土体的模型箱(1)固定于底座(2)上；监测系统包括千分表(21)、位移计(22)、土压力盒(23)及相应的数据采集及控制装置，千分表(21)固定在填土表面上方，位移计(22)、土压力盒(23)预埋在模型箱内部的土体中；切削系统包括刀盘(5)和刀盘驱动装置(7)，刀盘(5)通过主轴(6)与刀盘驱动装置(7)相连，刀盘驱动装置(7)由液压马达驱动；盾构机(3)前部经过模型箱侧面上预留的开挖孔(4)进入模型箱(1)，刀盘驱动装置(7)通过主轴(6)带动刀盘(5)旋转，实现对前方土体的掘削；
顶进系统包括一对千斤顶(8)和液压油箱，千斤顶(8)位于盾构机(3)左右两侧，连接于模型箱(1)和刀盘驱动装置(7)之间，通过千斤顶(8)的回缩使盾构机底座(2)沿轨道(16)向前移动，从而实现盾构向前掘进；
出土系统包括螺旋出土器(12)、螺旋出土器驱动装置(13)、排土口(25)、渣土箱(24)，刀盘(5)和后方设置的隔板(11)之间的空间构成土压舱，螺旋出土器(12)的进口伸入土压舱，螺旋出土器(12)的出口与盾构机(3)后部的排土口(25)相连，渣土从排土口(25)排出后直接落入渣土箱(24)。
随着掘进过程的推进，盾构机(3)的等截面段a(17)、b(18)、c(19)、d(20)逐渐进入模型箱(1)，等截面段a(17)、b(18)、c(19)、d(20)分别对应四种地层损失。预埋于模型箱中的千分表(21)、位移计(22)、土压力盒(23)及相应的数据采集装置，实时记录围岩的应力和变形。通过对围岩横向和纵向应力和变形数据的分析，进而得到盾构开挖过程中地层损失对地层应力和变形的影响规律，ra为等截面段a的半径，rb为等截面段b的半径，rc为等截面段c的半径，rd为等截面段d的半径。