[发明专利]双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统及方法

权利要求书

1.一种双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：包括模型土箱、缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置、均布荷载加载装置和PIV数字图像处理系统；

所述模型土箱内装有透明土，上盖拆除后连接均布荷载加载装置，模型土箱附有分隔板的一端连接缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置，在模型土箱上方及侧面分别布置激光器，采用CCD照相机采集图像并通过连接计算机以控制图像采集并对图像数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置和模型土箱采用透明材料例如有机玻璃制成以使系统处于可视化观测环境中。

3.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置包括刀盘、盾构机模型外壳、螺旋输送机模型；所述盾构机模型外壳呈双圆柱体，安装在土箱装有分隔板的一端，外部连接驱动电机；盾构机模型外壳内一侧固定集土器，另一侧装有隔板，刀盘固定在盾构机模型外壳装有隔板一端，刀盘上固定有搅拌棒，隔板与刀盘构成并模拟盾构的土仓，刀盘驱动电机设置在隔板另一侧，通过刀盘传动轴与刀盘连接；隔板上固定有螺旋输送机模型，螺旋输送机与集土器对接。

4.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：采用具备真实土体性质的透明土等效模拟盾构机掘进过程中周围的真实地层，通过在透明土中放置碳粒子作为示踪粒子，结合粒子图像测速技术，观测记录掘进过程中示踪粒子的流动，分析土仓内渣土流动特性。

5.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述均布荷载加载装置采用堆载形式加载以模拟不同埋深下掘进状况。

6.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述模型土箱一端带有分隔板，该端连接盾构机模型外壳，所述盾构机模型外壳与所述分隔板接缝处采用橡胶密封垫密封，所述盾构机模型外壳外侧套有外层套管，所述盾构机模型外壳端部连接盾构模型掘进驱动电机；辐条式刀盘固定在盾构机模型外壳装有隔板一端，所述辐条式刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板与辐条式刀盘构成并模拟盾构的土仓；所述刀盘驱动电机设置在所述隔板另一侧，通过刀盘传动轴与所述辐条式刀盘连接；所述隔板上固定有螺旋输送机模型，所述螺旋输送机模型端部装有螺旋输送机驱动电机，螺旋输送机模型与集土器对接。

7.使用权利要求1至6中任一所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统进行观测试验的方法，其特征在于：试验时先以土体的基本物理力学性质指标为控制指标，在模型土箱中配制与真实土体性质相似的透明土，并在透明土中加入碳颗粒作为示踪粒子；通过加载装置给土体加压，控制盾构模型掘进驱动电机驱动盾构机模型外壳在外层套管中前进，同时刀盘和螺旋输送机开始转动，模拟盾构机掘进过程，使渣土实现从刀盘开口进入模拟盾构的土仓并经过螺旋输送机排除的全过程；试验过程中用激光器将片光从模型箱顶部、侧面分别射入放有碳颗粒的透明土中，通过高像素相机拍照捕捉透明土中碳颗粒在双圆盾构机模型运转时的分布及运动图像，在计算机上使用数据处理软件控制图像采集并对图像数据进一步处理得到流场特性参数分布规律。

8.根据权利要求7所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验方法，其特征在于：通过改变加载量、盾构机模型推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速模拟不同工况下盾构机掘进过程从而获得不同工况下刀盘前方及土仓内渣土流动状态。

9.根据权利要求7所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验方法，其特征在于：通过改变加载量、模拟盾构处于不同埋深时附加应力的加卸载。

10.根据权利要求7所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验方法，其特征在于：利用粒子图像测速技术，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，计算得到流场一个切面内定量的速度分布；从两个互相垂直的方向射入片光，通过计算机处理得到透明土仓内部示踪碳粒子的流动状态。