[发明专利]一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统

摘要

本发明公开了一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，包括模型箱和模型盾构机两部分。模型盾构机包括盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统、支护系统和压力监测系统。模型箱中间位置可装卸的隔板，将模型箱分为体积相等的两部分。通过将衬砌固定在盾壳上完成盾构机掘进过程中的衬砌支护功能。在盾构机刀盘上布置土压力和水压力传感器，通过无线发射和接收装置实时发射和采集开挖面的土压力和水压力数据。衬砌外侧布置的土压力和水压力传感器，传感器引线从衬砌外侧引线槽引出，直接与外部数据采集装置连接。本模型盾构试验机既可以模拟盾构机的掘进过程，又可以模拟其衬砌支护功能。

主权项

1.一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：包括模型箱和模型盾构机两部分；模型盾构机包括盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统、支护系统和压力监测系统；/n模型箱(1)为长方体结构，由底座(39)、箱壁a、箱壁b(41)、箱壁c(42)、箱壁d(43)五部分组成；箱壁a、箱壁b(41)、箱壁c(42)、箱壁d(43)顺次连接组成外围结构，底座(39)设置在外围结构的底部；箱壁b(41)上设置前预留开挖孔(26)，箱壁d(43)上后预留开挖孔(27)；箱壁c(42)由两扇可开关的侧门(44)组成，侧门(44)可绕安装于两侧的合页(45)旋转，从而实现侧门(44)的开关，侧门(44)上设置有观察窗，观察窗用来观测围岩内部水位的变化；箱壁c(42)的内侧设置一圈钢梁(46)，为保证试验过程中箱壁(42)的强度，填土之前用高强螺栓(47)将两扇门固定在钢梁(46)上；模型箱(1)内部中央位置安装有隔板(48)，通过卡槽(49)将隔板(48)固定在模型箱(1)中部，隔板(48)能够自由拆卸；为保证试验过程中隔板(48)的强度，用螺栓将其固定在卡槽(49)上；隔板(48)上设置开挖孔(50)，开挖孔(50)的直径与前预留开挖孔(26)、后预留开挖孔(27)相同；/n切削系统包括刀盘(5)、刀盘驱动轴(6)、隔板(4)和刀盘驱动电机(7)；刀盘(5)通过刀盘驱动轴(6)与刀盘驱动电机(7)相连，刀盘驱动轴(6)安装在隔板(4)上，刀盘驱动电机(7)固定在盾尾；模型盾构机经过前预留开挖孔(26)进入模型箱(1)，刀盘驱动电机(7)通过刀盘驱动主轴(6)带动刀盘(5)旋转，实现对前方土体的掘削；/n顶进系统包括顶进电机(8)、两根顶进丝杠(9)、四根导向光轴(10)、浮动支撑(2)、两个移动滑块(11)；移动滑块(11)固定在盾壳尾部，并与顶进丝杠(9)连接；顶进电机(8)安装在反力架(13)上，顶进电机(8)通过同步带轮(12)带动顶进丝杠(9)旋转，以此带动移动滑块(11)向前移动，从而实现盾构机向前顶进；导向光轴(10)的两端分别与浮动支撑(2)和反力架(13)连接，两根导向光轴(10)与隧道纵向中心线保持平行，模型盾构机沿导向光轴(10)向前掘进；/n出土系统包括螺旋出土器(14)、螺旋出土器驱动电机(15)、排土口(16)、渣土箱(17)；刀盘(5)、隔板(4)和衬砌(18)之间的空间构成土压舱(19)；螺旋出土器(14)选用轴式螺旋出土器，进土口伸入土压舱(19)，出土口与盾构机后部的排土口(16)相连，渣土从排土口(16)排出后直接落入渣土箱(17)；/n支护系统包括衬砌(18)、浮动支撑(2)和固定法兰(20)；衬砌(18)的内径比盾壳外径稍大，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用螺栓将衬砌(18)固定在盾壳外，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆；衬砌(18)和盾壳(3)连接处设有拼装式套环，通过拼装式套环将衬砌(18)和盾壳(3)固定在一起，防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙；刀盘(5)直径与衬砌(18)直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm；刀盘(5)能够自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔(27)出洞，采用固定法兰(20)将衬砌(18)固定在模型箱(1)上；将刀盘(5)和拼装套环拆卸后，将模型盾构机原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护；/n压力监测系统包括压应力传感器(28)、渗压计(29)、无线发射器(30)；刀盘(5)上布置五个压应力传感器(28)和三个渗压计(29)，其中一组压应力传感器(28)、渗压计(29)布置在刀盘(5)的中心，其余压应力传感器(28)、渗压计(29)布置在刀盘外围周向位置；刀盘轴承(6)前部为中空结构，压应力传感器(28)、渗压计(29)的引线通过刀盘(5)背面线槽(31)进入刀盘轴承(6)内部，并与刀盘轴承(6)后部的无线发射器(30)连接；无线发射器(30)固定在刀盘轴承(6)末端；无线发射器(30)将压力传感器的电信号装换成无线信号发射出去，无线接收装置再将无线信号转换成电信号，通过解调仪器将电信号转换成压力数据进行存储；衬砌上安置压应力传感器(28)和渗压计(29)，通过在衬砌上设置传感器安置孔(36)将压应力传感器(28)和渗压计(29)镶嵌在衬砌上，压应力传感器(28)、渗压计(29)引线镶嵌在衬砌上的引线槽(37)内，并在衬砌尾部将其引出并与数据采集装置连接。/n