本发明属于隧道工程的模型盾构机装置领域，具体涉及螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机正常掘进的装置和方法。
背景技术：
随着我国城市化水平的提高，城市地下轨道交通的建设步伐不断加快。盾构法有着对地面交通影响小、掘进速度快等优点，在地铁隧道建设中应用越来越广泛。然而，由于我国盾构施工技术处于起步阶段，实际掘进时经常面临土体力学特性迥异、水文地质多变及地下管线等复杂条件，加之理论上的不足，导致盾构掘进开挖面失稳事故频发，带来很多人员伤亡和经济损失。
为减少或避免盾构开挖面事故的发生，在盾构隧道的研究中，很多科研院所通过模型试验的方法研究开挖面的稳定性，并研发了模型盾构机。如：同济大学朱合华团队制造了直径为400mm的双壳单螺旋模型盾构；西南交通大学何川自主研发了φ800mm土压平衡式模型盾构机。
土压平衡模型盾构机的工作原理是，通过调整排土量或开挖量来直接控制土压舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土压力相平衡，同时直接地利用土压舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。因此，保持开挖面、土压舱和螺旋出土器内土压力的动态平衡，是维持盾构机正常掘进的必要条件，显得尤为重要。
如何正确的监测和调节模型盾构机的顶进速度和螺旋出土器的转速，保证盾构机正常的掘进，是盾构模型试验顺利进行的前提条件。通常采用的通过计算并控制单位时间掘进量与出土量相等来判断盾构平衡的方法，存在滞后性和操作难度大、不准确的缺点。因此，急需找到一种能快速监测模型盾构机是否正常掘进的方法。
技术实现要素：
本发明目的就在于提供一种快速、方便地监测模型盾构机正常掘进的装置和方法，作为调节模型盾构机掘进速度与出土速度的依据。
本发明所要解决的技术问题就是提供一种螺旋出土器内布设土压力盒监测模型盾构机正常掘进的装置和方法。可以实时监测螺旋出土器内不同距离处土压力的大小及变化规律；可以监测黏土、砂土等不同地层条件下模型盾构机掘进过程中螺旋出土器内土压力的大小；实现了对模型盾构机内部土压力的实时监测，能够实时判断模型盾构机掘进速度和出土速度是否协调，进而调节螺旋出土器的转速来控制盾构机开挖面土压力的平衡，保证模型盾构机正常的掘进。
本发明的技术解决方案是：
螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机的装置，该装置包括螺旋出土器(1)和土压力监测装置(2)。
螺旋出土器(1)安装在模型盾构机(12)的内部，用来排出模型盾构机(12)的土压舱(14)内的土体。螺旋出土器(1)包括螺旋出土器管壁(3)、绞龙(4)、出土口(5)和电机(6)。螺旋出土器管壁(3)用以保护内部的绞龙(4)，螺旋出土器管壁(3)的管壁厚度大于微型土压力计(7)的高度。
绞龙(4)把模型盾构机(12)的土压舱内的土体旋转运出模型盾构机(12)。
出土口(5)通过绞龙(4)将运输过来的土体排出模型盾构机外部，出土口(5)下部放置有接土箱。
电机(6)装在螺旋出土器的绞龙(4)尾部，启动电机(6)开关，绞龙(4)旋转出土。
土压力监测装置(2)包括微型土压力计(7)、导线(8)和静态数据采集仪(9)。
微型土压力计(7)呈上大下小的形状，微型土压力计(7)嵌入螺旋出土器管壁(3)的内部。微型土压力计(7)按试验设计位置测量螺旋出土器(1)内部土体的竖向土压力。
导线(8)从螺旋出土器管壁(3)下部的钻孔中引出，然后沿着盾壳(10)的内壁引到尾部穿出，最后与静态数据采集仪(9)连接。
静态数据采集仪(9)放置在模型盾构机(12)的一侧，通过导线(8)连接微型土压力计(7)，静态数据采集仪(9)用以监测螺旋出土器(1)内部土压力大小。
根据螺旋出土器(1)和盾壳(10)之间的间距大小，选择导线(8)从微型土压力计(7)的导线(8)从土压力盒的侧面或下面导出。
螺旋出土器的下部管壁上安装土压力计的方法如下：
在螺旋出土器(1)的管壁(3)内壁底部等间距挖出几个上大下小的孔(11)，孔的大小、形状与微型土压力计(7)相同，将微型土压力计(7)放入螺旋出土器(1)的孔(11)内，不会掉出。
所述的螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机正常掘进的装置和方法，原理如下：
土压平衡模型盾构机在正常掘进过程中，土压舱内的土压力和开挖面前方的土压力相平衡，盾构机顶进速度与螺旋出土器出土速度相协调，单位时间进入土压舱内的土量与螺旋出土器的出土量相等。因此，盾构机上刀盘、土压舱内和螺旋出土器内的土压力值应当基本保持稳定。
如果土压平衡模型盾构机的掘进速度和出土速度不协调，则会出现螺旋出土器内土压力递增或递减性变化。当盾构机的掘进速度过快，保持原来的出土速度无法满足单位时间掘进量和出土量相等，则螺旋出土器内土量增加，土压力逐渐增大。
因此，通过观察盾构机螺旋出土器内的土压力值变化规律，来判断盾构机顶进速度和螺旋出土器的出土速度是否协调，进而调节螺旋出土器的转速来实现土压舱内的土压力动态平衡。
利用上述的螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机正常掘进的装置的方法，包括下列步骤：
s1将土压模型盾构机放置在装有一定土体的模型箱中，启动掘进电机，盾构机开始掘进。
s2当螺旋出土器的出土口有土排出后，通过静态数据采集仪读取盾构机螺旋出土器底部土压力值的大小和随时间变化的情况。
s3若螺旋出土器内土压力逐渐减小，则说明螺旋出土器出土速度过快或顶进速度过慢，则需要调节盾构机的出土速度或顶进速度。
s4若螺旋出土器内土压力逐渐增大，则说明螺旋出土器出土速度过慢或顶进速度过快，则需要调节盾构机的出土速度或顶进速度。
s5反复进行步骤s2-s4，直到螺旋出土器内土压力读数保持稳定。
本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明使用一种在螺旋出土器上均布微型土压力计的方法监测模型盾构机内螺旋出土器内土压力的变化，进而判断模型盾构机顶进速度和出土速度是否协调，方法简单、适用。
(2)本发明可以快速、准确、实时地判断此时模型盾构机是否处于正常掘进状态，进而可以调节顶进速度或出土速度使模型盾构机达到平衡。
附图说明
图1螺旋出土器内土压力计布设位置图。
图2微型土压力计的平面图、立面图和剖面图。
图3螺旋出土器内部土压力计的安装位置局部图。
图4模型盾构机示意图。
图中：1、螺旋出土器；2、土压力监测装置；3、螺旋出土器管壁；4、绞龙；5、出土口；6、电机；7、微型土压力计；8、导线；9、静态数据采集仪；10、盾壳；11、孔。
具体实施方式
下面结合附图1-4，通过一个实例对本发明的具体实施方法作进一步说明：
如图4所示，为一模型盾构机(12)，具有真实盾构机的基本构造，包括刀盘(13)、土压舱(14)和螺旋出土器(1)。能完成真实盾构机能完成的基本功能，包括掘进、刀盘旋转和螺旋出土器出土。
在螺旋出土器(1)的管壁(3)内壁底部等间距挖出几个上大下小的孔(11)，孔的大小、形状与微型土压力计(7)相同，将微型土压力计(7)放入螺旋出土器(1)的孔(11)内，不会掉出。
本发明的技术解决方案是：
螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机正常掘进的装置，特点在于其构成包括：螺旋出土器(1)和土压力监测装置(2)。
螺旋出土器(1)，包括螺旋出土器管壁(3)、绞龙(4)、出土口(5)和电机(6)。螺旋出土器管壁(3)，起着保护内部，其管壁厚度应大于微型土压力计(7)的高度。
绞龙(4)，起着把土压舱内的土体旋转运出盾构机的作用。
出土口(5)，通过绞龙运输过来的土体经其排出盾构外部，下部一般放置接土箱。
电机(6)，装在螺旋出土器绞龙的尾部，启动电机开关，绞龙旋转出土。
土压力监测装置(2)，包括微型土压力计(7)，导线(8)和静态数据采集仪(9)。
微型土压力计(7)，尺寸较小，呈上大下小的形状，上表面略低于与螺旋出土器的管道底部，上部涂抹油脂。微型土压力计(7)按试验设计位置测量螺旋出土器(1)底部的竖向土压力。
导线(8)，从螺旋出土器管壁(3)下部钻孔引出，然后沿着盾壳的内壁引到模型盾构机的尾部穿出，连接上静态数据采集仪(9)。
静态数据采集仪(9)，放置在模型盾构机的旁边，通过导线(8)连节上微型土压力计(7)，监测螺旋出土器内部土压力的大小。
根据螺旋出土器(1)和盾壳(10)之间的间距大小，选择导线从微型土压力计的导线从土压力盒的侧面或下面导出。
所述的螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机正常掘进的装置和方法，原理如下：
土压平衡模型盾构机在正常掘进过程中，土压舱内的土压力和开挖面前方的土压力相平衡，盾构机顶进速度与螺旋出土器出土速度相协调，单位时间进入土压舱内的土量与螺旋出土器的出土量相等。因此，盾构机上刀盘、土压舱内和螺旋出土器内的土压力值应当基本保持稳定。
如果土压平衡模型盾构机的掘进速度和出土速度不协调，则会出现螺旋出土器内土压力递增或递减性变化。如：盾构机的掘进速度过快，保持原来的出土速度无法满足单位时间掘进量和出土量相等，则螺旋出土器内土量增加，土压力逐渐增大。
因此，可以通过观察盾构机螺旋出土器内的土压力值变化规律，来判断盾构机顶进速度和螺旋出土器的出土速度是否协调，进而调节螺旋出土器的转速来实现土压舱内的土压力动态平衡。
利用上述的螺旋出土器内布设土压力计监测模型盾构机正常掘进的装置的方法，包括下列步骤：
①将土压模型盾构机放置在装有一定土体的模型箱中，启动掘进电机，盾构机开始掘进。
②当螺旋出土器的出土口有土排出后，通过静态数据采集仪读取盾构机螺旋出土器底部土压力值的大小和随时间变化的情况。
③若螺旋出土器内土压力逐渐减小，则说明螺旋出土器出土速度过快或顶进速度过慢，则需要调节盾构机的出土速度或顶进速度。
④若螺旋出土器内土压力逐渐增大，则说明螺旋出土器出土速度过慢或顶进速度过快，则需要调节盾构机的出土速度或顶进速度。
⑤反复进行步骤②-④，直到螺旋出土器内土压力读数保持稳定。
本发明提供了一种螺旋出土器内布设土压力盒监测模型盾构机正常掘进的装置和方法。可以实时监测螺旋出土器内不同距离处土压力的大小及变化规律；可以监测黏土、砂土等不同地层条件下模型盾构机掘进过程中螺旋出土器内土压力的大小；实现了对模型盾构机内部土压力的实时监测，能够实时判断模型盾构机掘进速度和出土速度是否协调，进而调节螺旋出土器的转速来控制盾构机开挖面土压力的平衡，保证模型盾构机的正常掘进。