用于砂土中模擬盾構機掘進的模型試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種試驗裝置，特別是涉及一種能仿真實際盾構機掘進的模型試驗裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著城市地鐵事業(yè)的不斷發(fā)展，土壓平衡盾構機在隧道區(qū)間的修建過程中得到了越來越廣泛的應用。為了清楚的了解盾構機實際的工作狀態(tài)以及盾構機開挖過程中對周邊環(huán)境的影響機理，國內外有許多學者設計了模型盾構機裝置，并開展了模型盾構試驗研究。然而，這些模型裝置基本上均采用鉆桿進行排砂，其工作原理可簡單概括為通過外部動力裝置使得鋼筒內部的鉆桿轉動，從而將砂土從鋼筒中緩緩帶出。上述試驗裝置的局限性在于:鉆桿直徑應略小于外鋼筒內徑(否則砂土不能順利隨著鉆桿排出鋼桶，效率大大降低)，這樣一來鉆桿會占用鋼筒內部大量的空間，無法實現(xiàn)在盾構機后方的模型隧道內部放置傳感器進行監(jiān)測。同時，采用大直徑鉆桿的模型盾構機與實際盾構機的構造有一定的出入(實際盾構機中負責輸送土的螺旋輸送機相比盾構機外殼尺寸較小，且一般位于土倉底部)，而這一出入勢必會對試驗結果造成影響。
【實用新型內容】
[0003]針對上述現(xiàn)有技術，本實用新型提供一種用于砂土中模擬盾構機掘進的模型試驗裝置，模擬效果好，操作簡單且試驗方法可靠。
[0004]為了解決上述技術問題，本實用新型提出的一種用于砂土中模擬盾構掘進的模型試驗裝置，包括盾構機支撐架、盾構機外鋼筒、開挖面切削單元、排砂單元、模型盾構機頂進單元以及壓力監(jiān)測單元;所述盾構機外鋼筒固定在所述盾構機支撐架上，所述盾構機外鋼筒的前端設有可拆卸盾頭，所述可拆卸盾頭包括盾構機頭封閉倉;所述盾構機外鋼筒內位于所述可拆卸盾頭的后方設有模型隧道;所述開挖面切削單元包括設置在所述盾構機頭封閉倉內的漿狀刀片，設置在盾構機尾部的伺服電機，所述伺服電機通過傳動桿將動力傳遞給所述漿狀刀片;所述模型盾構機頂進單元為三自由度頂進臺；所述壓力監(jiān)測單元包括設置在盾構機頭封閉倉內的壓力傳感器和固定在盾構機外鋼筒尾部的拉壓傳感器;所述排砂單元包括無級變速吸塵器、PVC吸氣管和PVC進氣管;所述無級變速吸塵器的吸氣口通過所述PVC吸氣管與所述盾構機頭封閉倉連通;所述PVC進氣管的一端與所述盾構機頭封閉倉連通，所述PVC進氣管的另一端與大氣連通用于為盾構機頭封閉倉進行補氣，依次相互連接的無級變速吸塵器、PVC吸氣管、盾構機頭封閉倉和PVC進氣管形成一用于排砂的氣體循環(huán)通路。
[0005]進一步講，本實用新型用于砂土中模擬盾構掘進的模型試驗裝置，其中，所述三自由度頂進臺包括豎直方向直線導柱、推進方向直線導軌和平動方向直線導軌;所述盾構機支撐架設置在所述推進方向直線導軌上；所述盾構機支撐架與所述推進方向直線導軌之間、所述推進方向直線導軌與所述豎直方向直線導柱之間、所述豎直方向直線導柱的底部與所述平動方向直線導軌之間分別通過移動副連接;所述盾構機支撐架具有沿平動方向、豎直方向和推進方向移動的三自由度;所述三自由度頂進臺的驅動力為電動或手動。
[0006]所述壓力監(jiān)測單元中的壓力傳感器用于監(jiān)測盾構頂進過程中所述盾構機頭封閉倉內的土壓力，以調整無級變速吸塵器的吸氣速度;所述拉壓傳感器用于監(jiān)測盾構機頂進過程中，在推進方向上施加給盾構機的總的推力，該推力減去盾構機頭封閉倉內土壓力的總和即為盾構機外鋼筒與模型箱內砂土之間的摩擦力。
[0007]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0008]前人在盾構模型試驗中仿照實物盾構機工作原理，采用了鉆桿類的東西來代替螺旋輸送機來進行排砂工作，然而鉆桿本身占用空間就大，還需要額外的動力裝置使其轉動，由于模型盾構機機身內本身可利用空間就狹小，這使得模型盾構機的設計受到了很大局限。本實用新型針對砂土這種特殊的散粒結構，采用了吸塵器及PVC導氣管組合的方式進行排砂，節(jié)省了模型盾構機內部的操作空間，節(jié)省出來的空間為盾構機后方模型隧道內部布置傳感器進行監(jiān)測創(chuàng)造了條件，可以用來在鋼筒內的隧道上布置相應的傳感器和放置導線，為隧道的受力及變形監(jiān)測提供了條件。同時，吸氣管管口位置放置在盾構機封閉倉底部，與采用大直徑鉆桿的方法相比能更加真實的模擬實際盾構機的工作狀態(tài)。采用上述裝置進行排砂可靠有效，在試驗操作過程中容易實現(xiàn)且便于控制，比起鉆桿排砂，是一種更為適合砂土模型盾構類試驗的試驗裝置。
【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型用于砂土中模擬盾構掘進的模型試驗裝置的結構示意圖；
[0010]圖中:
[0011]1-盾構機支撐架2-盾構機外鋼筒 3-可拆卸盾頭
[0012]4-盾構機頭封閉倉5-模型隧道6-漿狀刀片
[0013]7-伺服電機8-壓力傳感器9-拉壓傳感器
[0014]10-吸氣管11-進氣管12-豎直方向直線導柱
[0015]13-推進方向直線導軌14-平動方向直線導軌
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本實用新型進行解釋說明，并不用以限制本實用新型。
[0017]如圖1所示，本實用新型的一種用于砂土中模擬盾構掘進的模型試驗裝置，包括盾構機支撐架1、盾構機外鋼筒2、開挖面切削單元、排砂單元、模型盾構機頂進單元以及壓力監(jiān)測單元。所述盾構機外鋼筒2固定在所述盾構機支撐架I上，所述盾構機外鋼筒2的前端設有可拆卸盾頭3，所述可拆卸盾頭3包括盾構機頭封閉倉4;所述盾構機外鋼筒2內位于所述可拆卸盾頭3的后方設有模型隧道5。
[0018]所述開挖面切削單元包括設置在所述盾構機頭封閉倉4內的漿狀刀片6，設置在盾構機尾部的伺服電機7，所述伺服電機7通過傳動桿將動力傳遞給所述漿狀刀片6。伺服電機7的轉速可以根據不同掘進速度調整并通過傳動桿帶動漿狀刀片6切削前方土體，滑落的砂土進入盾構機頭封閉倉4。
[0019]所述排砂單元包括無級變速吸塵器、和PVC進氣管11，所述無級變速吸塵器的吸氣口通過所述PVC吸氣管10與所述盾構機頭封閉倉4連通;所述PVC進氣管11的一端與所述盾構機頭封閉倉4連通，所述PVC進氣管11的另一端與大氣連通用于為盾構機頭封閉倉4進行補氣，依次相互連接的無級變速吸塵器、PVC吸氣管10、盾構機頭封閉倉4和PVC進氣管11形成一用于排砂的氣體循環(huán)通路。本實用新型中，吸氣管和進氣管均采用PVC管，剛度得到保障，不至于在較大的真空負壓下變形，能夠保證砂土在管道內部順利運送，無級變速吸塵器可以根據盾構機頭內壓力的不同需求來調整吸力的大小，將砂土從盾構機頭封閉倉4吸出。本實用新型中所用的PVC管分為兩類:一類PVC管被用作吸氣管，與無級變速吸塵器連接，用以吸砂;另一類PVC管為進氣管，兩端分別連通盾構機頭封閉倉4和外界大氣，為盾構機頭封閉倉4里面提供一定補氣環(huán)境，由于盾構機頭內部是個封閉倉，盾構往砂土里推進過程中，如果沒有補氣環(huán)境，會造成PVC吸氣管10堵塞，因此，由相互連接的無級變速吸塵器、PVC吸氣管10、盾構機頭封閉倉4和PVC進氣管11所形成的氣體循環(huán)通路，可以避免PVC吸氣管10堵塞，從而將盾構機頭封閉倉4的砂土沿PVC吸氣管10順利排除。
[0020]所述模型盾構機頂進單元為三自由度頂進臺；所述三自由度頂進臺包括豎直