本實(shí)用新型屬于地下工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)的分段式縮尺寸試驗裝置。

背景技術(shù)：

依據(jù)現(xiàn)有資料得出，雙圓盾構(gòu)機(jī)相關(guān)的縮尺寸模擬實(shí)驗較少。且多數(shù)土體模擬實(shí)驗存在以下兩點(diǎn)不足：

1.只有單節(jié)的盾構(gòu)機(jī)模型進(jìn)行收縮和擴(kuò)張模擬，僅研究二維土體變形。

2.現(xiàn)有的多數(shù)雙圓模擬盾構(gòu)機(jī)不夠精細(xì)較為粗糙，對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有一定的影響。

或者如上海市基礎(chǔ)工程有限公司葉松明團(tuán)隊，采用涉及一種雙圓盾構(gòu)機(jī)，包括刀盤大棒，攪拌棒，土艙，刀盤大棒端部略小于盾構(gòu)機(jī)帽沿，并在其外周加裝鋼帽檐，形成封閉的土壓平衡倉。刀盤大棒端部八處與帽沿內(nèi)壁的間隙≥40mm。攪拌棒與帽沿內(nèi)壁的間隙≥40mm。帽檐長度為600mm。鑒于此模型試驗系統(tǒng)以實(shí)際盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造進(jìn)行縮尺寸，所以存在以下一點(diǎn)不足：

3.針對大型模型試驗或現(xiàn)場實(shí)驗而言，其費(fèi)用遠(yuǎn)高于本套系統(tǒng)自制的雙圓盾構(gòu)機(jī)模型試驗裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中不足，提供一種模擬雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)的分段式縮尺寸試驗裝置。本專利提出了1:20的縮尺寸雙圓盾構(gòu)模型機(jī)，通過分段式的設(shè)計，從而考慮三維土體變形，用采用機(jī)械控制盾構(gòu)機(jī)，運(yùn)行方便，節(jié)約試驗時間，同時采用了剛性外殼的收縮模型機(jī)以達(dá)到模擬盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行造成土體損失的目的，還能控制較高精度的土體損失和更加吻合實(shí)際情況的土體變形，為隧道施工與設(shè)計提供更真實(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)驗數(shù)據(jù)，以保證城市盾構(gòu)隧道建設(shè)的高效與安全。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型提出一種模擬雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)的分段式縮尺寸試驗裝置，包括驅(qū)動控制單元和收縮機(jī)構(gòu)，所述收縮機(jī)構(gòu)包括運(yùn)動套筒、轉(zhuǎn)桿、固定在外框架上的第一轉(zhuǎn)軸、固定在運(yùn)動套筒上的第二轉(zhuǎn)軸；轉(zhuǎn)桿的兩端分別與第一轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)軸鉸接；從而實(shí)現(xiàn)外框架通過轉(zhuǎn)桿與運(yùn)動套筒活動連接；所述驅(qū)動控制單元包括四個驅(qū)動電機(jī)，且在每個驅(qū)動電機(jī)的動力輸出端與運(yùn)動套筒連接；驅(qū)動電機(jī)的后端連接控制端；每個基軸兩端分別與驅(qū)動電機(jī)固定連接，驅(qū)動電機(jī)用于驅(qū)動運(yùn)動套筒沿著基軸所在延伸方向上往復(fù)運(yùn)動；所述外框架包括八個弧形殼體片和兩個V形殼體片，在相鄰兩個弧形殼體片之間通過凹槽結(jié)構(gòu)鑲嵌配合，且相鄰兩個弧形殼體片之間保持有活動間隙。

作為優(yōu)選：在相鄰兩個弧形殼體片之間的活動間隙外側(cè)安裝有擋泥板。

作為優(yōu)選：所述驅(qū)動電機(jī)通過作為傳動機(jī)構(gòu)的推頭與運(yùn)動套筒連接，同時為使驅(qū)動電機(jī)停止運(yùn)動后固定體積并保持穩(wěn)定，這里采用了蝸輪的自鎖性，在驅(qū)動電機(jī)動力輸出處安裝蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動電機(jī)后端連接導(dǎo)線，每組導(dǎo)線控制兩個驅(qū)動電機(jī)，這些導(dǎo)線與外部控制端相連。

作為優(yōu)選：在外框架內(nèi)側(cè)通過限位裝置與運(yùn)動套筒連接，所述限位裝置包括定位限位柱以及用于嵌置定位限位柱的定位限位套筒。

本實(shí)用新型中，以兩個驅(qū)動電機(jī)、一個收縮機(jī)構(gòu)及外框架組合構(gòu)成一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)，每個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)皆分別于控制端相連，可使控制端可以按特定順序分別控制一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)的收縮，達(dá)到分段控制的目的，使檢測得到的數(shù)據(jù)多段化，產(chǎn)生類似于雙圓盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中土體損失的模擬。每個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)正下方皆安裝水平校準(zhǔn)及支撐裝置，一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)與另一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)之間通過橡皮膜套相連，使每個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)不會偏移，提高三維精度。

通過上述裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)作，使控制端可以按特定順序分別控制個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)的收縮，使土體損失逐步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對于真實(shí)隧道施工中土體損失的完整模擬，配合其他監(jiān)測器材，使土體變化數(shù)據(jù)化。

在限位裝置作用下，外框架只能進(jìn)行徑向運(yùn)動。通過驅(qū)動電機(jī)帶動推頭推動運(yùn)動套筒在基軸上進(jìn)行水平方向移動，使轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)扯動弧形殼體片，改變雙圓盾構(gòu)機(jī)中圓的半徑，改變圓截面的面積，達(dá)到改變雙圓柱體體積來達(dá)到模擬雙圓盾構(gòu)機(jī)造成土地?fù)p失的目的。

因為摩擦力、外圧力等各種因素下，外框架幾乎不會順逆時針大幅度轉(zhuǎn)動，在收縮機(jī)構(gòu)的作用下向內(nèi)收縮，收縮前后，雙圓截面的面積發(fā)生了變化如圖1，從而使得體積之改變，按計算要求為縮小了5％。雙圓外框架主要是由八個弧形殼體片和兩個V形殼體片組成，其接縫處利用鑲嵌式結(jié)構(gòu)防止沙土進(jìn)入縫內(nèi)導(dǎo)致卡死或者不能收縮，并在外層安裝擋泥板。

運(yùn)動行程與面積損失關(guān)系公式為：

其中：x為運(yùn)動套筒行程，單位：mm；R為單位雙圓盾構(gòu)機(jī)中圓半徑，單位：mm；D為轉(zhuǎn)桿兩端孔中心距，單位：mm；C為面積損失百分比。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利的效果是：

本實(shí)用新型裝置的創(chuàng)新點(diǎn)一：使用機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)及外殼，有效的抗壓防止形變，使數(shù)據(jù)更精確。

本實(shí)用新型裝置的創(chuàng)新點(diǎn)二：采用分段控制，更加符合實(shí)際模擬中的數(shù)據(jù)變化。

本實(shí)用新型裝置的創(chuàng)新點(diǎn)三：使用單片機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對收縮的自由精確的控制，并可以防止因手動控制而造成的誤差等情況。與電腦進(jìn)行鏈接可以施行更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析計算。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型應(yīng)用過程中產(chǎn)生的雙圓截面陰影斜線部分為收縮前后的面積差示意圖。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：外框架1；固定在外框架上的第一轉(zhuǎn)軸2；轉(zhuǎn)桿3；基軸4；運(yùn)動套筒5；固定在運(yùn)動套筒上的第二轉(zhuǎn)軸6；定位限位套筒7；定位限位柱8；推頭9；驅(qū)動電機(jī)10。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：

如圖1～3所示，本實(shí)用新型提出一種模擬雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)的分段式縮尺寸試驗裝置的具體實(shí)施例，包括驅(qū)動控制單元和收縮機(jī)構(gòu)，所述收縮機(jī)構(gòu)包括運(yùn)動套筒5、轉(zhuǎn)桿3、固定在外框架1上的第一轉(zhuǎn)軸2、固定在運(yùn)動套筒5上的第二轉(zhuǎn)軸6；轉(zhuǎn)桿3的兩端分別與第一轉(zhuǎn)軸2、第二轉(zhuǎn)軸6鉸接；從而實(shí)現(xiàn)外框架1通過轉(zhuǎn)桿3與運(yùn)動套筒5活動連接；所述驅(qū)動控制單元包括四個驅(qū)動電機(jī)10，且在每個驅(qū)動電機(jī)10的動力輸出端與運(yùn)動套筒5連接；驅(qū)動電機(jī)10的后端連接控制端；每個基軸4兩端分別與驅(qū)動電機(jī)10固定連接，驅(qū)動電機(jī)10用于驅(qū)動運(yùn)動套筒5沿著基軸4所在延伸方向上往復(fù)運(yùn)動；所述外框架1包括八個弧形殼體片和兩個V形殼體片，在相鄰兩個弧形殼體片之間通過凹槽結(jié)構(gòu)鑲嵌配合，且相鄰兩個弧形殼體片之間保持有活動間隙。

其中：在相鄰兩個弧形殼體片之間的活動間隙外側(cè)安裝有擋泥板。所述驅(qū)動電機(jī)10通過作為傳動機(jī)構(gòu)的推頭9與運(yùn)動套筒5連接，同時為使驅(qū)動電機(jī)10停止運(yùn)動后固定體積并保持穩(wěn)定，這里采用了蝸輪的自鎖性，在驅(qū)動電機(jī)10動力輸出處安裝蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動電機(jī)10后端連接導(dǎo)線，每組導(dǎo)線控制兩個驅(qū)動電機(jī)10，這些導(dǎo)線與外部控制端相連。在外框架1內(nèi)側(cè)通過限位裝置與運(yùn)動套筒5連接，所述限位裝置包括定位限位柱8以及用于嵌置定位限位柱8的定位限位套筒7。

本實(shí)用新型中，以兩個驅(qū)動電機(jī)10、一個收縮機(jī)構(gòu)及外框架1組合構(gòu)成一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)，每個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)皆分別于控制端相連，可使控制端可以按特定順序分別控制一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)的收縮，達(dá)到分段控制的目的，使檢測得到的數(shù)據(jù)多段化，產(chǎn)生類似于雙圓盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中土體損失的模擬。每個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)正下方皆安裝水平校準(zhǔn)及支撐裝置，一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)與另一個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)之間通過橡皮膜套相連，使每個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)不會偏移，提高三維精度。

通過上述裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)作，使控制端可以按特定順序分別控制個單位雙圓盾構(gòu)機(jī)的收縮，使土體損失逐步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對于真實(shí)隧道施工中土體損失的完整模擬，配合其他監(jiān)測器材，使土體變化數(shù)據(jù)化。

在限位裝置作用下，外框架1只能進(jìn)行徑向運(yùn)動。通過驅(qū)動電機(jī)10帶動推頭9推動運(yùn)動套筒5在基軸4上進(jìn)行水平方向移動，使轉(zhuǎn)桿3旋轉(zhuǎn)扯動弧形殼體片，改變雙圓盾構(gòu)機(jī)中圓的半徑，改變圓截面的面積，達(dá)到改變雙圓柱體體積來達(dá)到模擬雙圓盾構(gòu)機(jī)造成土地?fù)p失的目的。

因為摩擦力、外圧力等各種因素下，外框架1幾乎不會順逆時針大幅度轉(zhuǎn)動，在收縮機(jī)構(gòu)的作用下向內(nèi)收縮，收縮前后，雙圓截面的面積發(fā)生了變化如圖1，從而使得體積之改變，按計算要求為縮小了5％。雙圓外框架1主要是由八個弧形殼體片和兩個V形殼體片組成，其接縫處利用鑲嵌式結(jié)構(gòu)防止沙土進(jìn)入縫內(nèi)導(dǎo)致卡死或者不能收縮，并在外層安裝擋泥板。

運(yùn)動行程與面積損失關(guān)系公式為：

其中：x為運(yùn)動套筒5行程，單位：mm；R為單位雙圓盾構(gòu)機(jī)中圓半徑，單位：mm；D為轉(zhuǎn)桿3兩端孔中心距，單位：mm；C為面積損失百分比。

本實(shí)用新型，使用機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)及外殼，有效的抗壓防止形變，使數(shù)據(jù)更精確。采用分段控制，更加符合實(shí)際模擬中的數(shù)據(jù)變化。使用單片機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對收縮的自由精確的控制，并可以防止因手動控制而造成的誤差等情況。與電腦進(jìn)行鏈接可以施行更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析計算。

上述實(shí)施例是對本實(shí)用新型的說明，不是對本實(shí)用新型的限定，任何對本實(shí)用新型簡單變換后的方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。