[发明专利]一种可实现刀盘压力监测功能的土压平衡模型盾构试验机

摘要

本发明公开了一种可实现刀盘压力监测功能的土压平衡模型盾构试验机，试验开始之前先将衬砌固定在盾壳外部，使衬砌和盾壳截面保持同心。衬砌传感器嵌入衬砌内部，引线通过衬砌上设置的引线槽导出，并与数据采集仪器连接。刀盘传感器引线通过刀盘面板背面的线槽进入刀盘驱动轴，传感器引线由此引到刀盘驱动轴末端。安装完成后向模型箱内填筑配置好的土体，填筑完成后启动盾构机经进行盾构隧道开挖模拟试验。刀盘上的压力传感器采集刀盘前方的土压力和水压力，通过无线发射和接收装置实时采集。衬砌上的压力传感器监测衬砌外的土压力和水压力，数据由外部数据采集装置采集。

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模型盾构试验机，其特征在于：包括模型箱、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（1）的前、后开挖面分别设置前预留开挖孔（26）和后预留开挖孔（27），前预留开挖孔（26）和后预留开挖孔（27）位置处安装有密封圈，前预留开挖孔（26）外侧设置浮动支撑（2）；盾壳（3）最前端与隔板（4）连接，后端与盾尾连接；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；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）通过刀盘驱动轴（6）带动刀盘（5）旋转，实现对前方土体的掘削；顶进系统包括顶进电机（8）、两根顶进丝杠（9）、两根导向光轴（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；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，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）；支护系统包括衬砌（18）、浮动支撑（2）和固定法兰（20）；衬砌（18）选用PE管材，内径比盾壳外径大，将衬砌（18）套在盾壳（3）外部，在隔板（4）和盾壳（3）末端处将衬砌（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）连接处设置前拼装式套环（21）、后拼装式套环（22），用前拼装式套环（21）、后拼装式套环（22）与衬砌（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）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）和前拼装式套环（21）、后拼装式套环（22）拆卸后，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；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），其中一对压应力传感器（28）和一对渗压计（29）布置在刀盘（5）的中心，其余压应力传感器（28）和渗压计（29）布置在刀盘外周；刀盘驱动轴（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）进入刀盘驱动轴（6）内部，并与刀盘驱动轴（6）后部的无线发射器（30）连接；无线发射器（30）固定在刀盘驱动轴（6）末端；无线发射器（30）能够将压应力传感器的电信号装换成无线信号发射出去，外部设置的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。