本發(fā)明屬于地下工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬類矩形盾構(gòu)分段式開挖的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

一種新型盾構(gòu)工法：類矩形盾構(gòu)工法已經(jīng)在中國(guó)寧波地鐵3號(hào)線工程中得到應(yīng)用。而在類矩形盾構(gòu)施工過(guò)程中，會(huì)引起周圍土體變形，難免會(huì)對(duì)周圍地下管線及建筑物造成影響。對(duì)此，有必要進(jìn)行深入研究，來(lái)協(xié)助確保施工過(guò)程中的安全。

而在研究過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試存在很多不確定因素，故大多采用室內(nèi)縮尺寸模型試驗(yàn)，鑒于試驗(yàn)的需要，一種模擬類矩形盾構(gòu)分段式開挖的試驗(yàn)裝置能更便于試驗(yàn)的進(jìn)行，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能為將來(lái)實(shí)際施工提供有效幫助。

依據(jù)現(xiàn)有資料得出，類矩形盾構(gòu)機(jī)相關(guān)的縮尺寸模擬實(shí)驗(yàn)較少。且多數(shù)土體模擬實(shí)驗(yàn)存在以下不足：

(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)類矩形模擬盾構(gòu)機(jī)不夠精細(xì)較為粗糙，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有一定的影響；或是手動(dòng)運(yùn)行的，操作比較繁瑣。

或者如上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究中心有限公司所做的矩形盾構(gòu)機(jī)模擬掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究，其中使用了截面尺寸為1200mm×1000mm的試驗(yàn)用矩形盾構(gòu)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用十字形結(jié)構(gòu)切削刀具掘削、兩組減速機(jī)與油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)、另外還設(shè)計(jì)了集中潤(rùn)滑系統(tǒng)；又或者如同濟(jì)大學(xué)丁文其團(tuán)隊(duì)，采用的一種類矩形盾構(gòu)切削推進(jìn)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。鑒于這兩個(gè)模型試驗(yàn)系統(tǒng)均以實(shí)際盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造進(jìn)行縮尺寸，所以最大的不足之處在于：

(3)針對(duì)大型模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)而言，費(fèi)用遠(yuǎn)高于本套系統(tǒng)自制的類矩形盾構(gòu)機(jī)模型試驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中不足，本發(fā)明的目的就是提供一種模擬類矩形盾構(gòu)開挖的分段式縮尺寸試驗(yàn)裝置，提出了1:20的縮尺寸類矩形盾構(gòu)模型機(jī)，通過(guò)分段式的設(shè)計(jì)，從而考慮三維土體變形，用采用電機(jī)控制盾構(gòu)機(jī)，運(yùn)行方便，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)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(jì)提供更真實(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)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，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提出一種模擬類矩形盾構(gòu)分段式開挖的試驗(yàn)裝置，包括若干個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)依次連接而成，每個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)均包括驅(qū)動(dòng)控制單元、兩個(gè)收縮機(jī)構(gòu)和外框架；

所述驅(qū)動(dòng)控制單元包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力的輸出端連接蝸輪螺桿、其后端與通電導(dǎo)線連接；

四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定件分別固定環(huán)繞在各支撐架上；

外框架是四個(gè)類弧形殼體片連接組成，在相鄰兩個(gè)類弧形殼體片之間分別通過(guò)凹槽結(jié)構(gòu)鑲嵌，且相鄰兩個(gè)弧形片之間保持有活動(dòng)間隙；在相鄰兩個(gè)弧形片之間的活動(dòng)間隙外側(cè)安裝有擋泥板；

在單位類矩形盾構(gòu)機(jī)的兩端分別安裝收縮機(jī)構(gòu)；

兩個(gè)收縮機(jī)構(gòu)分為升降機(jī)構(gòu)和水平收縮機(jī)構(gòu)，其中：

升降機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)桿、弧形升降塊和支撐架；水平收縮機(jī)構(gòu)包括齒輪和轉(zhuǎn)軸；

轉(zhuǎn)盤通過(guò)轉(zhuǎn)軸與支撐架相連，轉(zhuǎn)盤通過(guò)轉(zhuǎn)桿與弧形升降塊相連，設(shè)置在驅(qū)動(dòng)輸出端的齒輪與支撐架上的齒條相嚙合；支撐架另一端與外框架固定連接；

通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿，使弧形升降塊轉(zhuǎn)動(dòng)，使上下支撐架進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)類矩形盾構(gòu)機(jī)的高度變化；

同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)與支撐架連接的齒條，使左右支撐架進(jìn)行水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)類矩形盾構(gòu)機(jī)的寬度變化。

作為優(yōu)選：相鄰兩個(gè)單位盾構(gòu)機(jī)之間通過(guò)橡皮膜套連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的創(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。

本發(fā)明的創(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。

本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)三：裝置的控制可完全由電腦或電子控制端進(jìn)行控制，使操作方便穩(wěn)定，能更好的模擬多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明，采用電機(jī)與齒輪控制旋轉(zhuǎn)收縮幅度，旋轉(zhuǎn)收縮易于控制且穩(wěn)定，可先收縮后擴(kuò)張，完全模擬類矩形盾構(gòu)機(jī)開挖土體損失的過(guò)程。

本發(fā)明采用多個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)組合，可以調(diào)整單位類矩形盾構(gòu)機(jī)數(shù)量在多個(gè)模型箱內(nèi)進(jìn)行不同長(zhǎng)度的模擬，且單位類矩形盾構(gòu)機(jī)與單位類矩形盾構(gòu)機(jī)間組合方便。

本發(fā)明簡(jiǎn)單方便，同時(shí)考慮了類矩形盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)土體損失的影響，采用的電機(jī)控制也能更好地進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)模型試驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置在收縮前后的面積差示意圖。

圖2為本發(fā)明裝置側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明裝置收縮前的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明裝置收縮后的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：齒輪(1)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(2)、弧形升降塊(3)、擋泥板(4)、外框架(5)、支撐架(6)、轉(zhuǎn)桿(7)、轉(zhuǎn)盤(8)、轉(zhuǎn)軸(9)、電機(jī)固定件(10)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1～5所示，本發(fā)明提出一種模擬類矩形盾構(gòu)分段式開挖的試驗(yàn)裝置的具體實(shí)施例，包括若干個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)依次連接而成，每個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)均包括驅(qū)動(dòng)控制單元、兩個(gè)收縮機(jī)構(gòu)和外框架5，所述驅(qū)動(dòng)控制單元包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2，以及每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2動(dòng)力的輸出端連接蝸輪螺桿、其后端與通電導(dǎo)線連接；四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2通過(guò)電機(jī)固定件10分別固定環(huán)繞在各支撐架6上；外框架5是四個(gè)類弧形殼體片連接組成，在相鄰兩個(gè)類弧形殼體片之間分別通過(guò)凹槽結(jié)構(gòu)鑲嵌，且相鄰兩個(gè)弧形片之間保持有活動(dòng)間隙；在相鄰兩個(gè)弧形片之間的活動(dòng)間隙外側(cè)安裝有擋泥板4；如圖4和圖5所示：在單位類矩形盾構(gòu)機(jī)的兩端分別安裝收縮機(jī)構(gòu)，兩個(gè)收縮機(jī)構(gòu)分為升降機(jī)構(gòu)和水平收縮機(jī)構(gòu)，其中：升降機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)盤8、轉(zhuǎn)桿7、弧形升降塊3和支撐架6；水平收縮機(jī)構(gòu)包括齒輪1和轉(zhuǎn)軸9；轉(zhuǎn)盤8通過(guò)轉(zhuǎn)軸9與支撐架6相連，轉(zhuǎn)盤8通過(guò)轉(zhuǎn)桿7與弧形升降塊3相連，設(shè)置在驅(qū)動(dòng)輸出端的齒輪1與支撐架6上的齒條相嚙合；支撐架6另一端與外框架5固定連接；通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤8，帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿7，使弧形升降塊3轉(zhuǎn)動(dòng)，使上下支撐架6進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)類矩形盾構(gòu)機(jī)的高度變化；同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪1，帶動(dòng)與支撐架6連接的齒條，使左右支撐架6進(jìn)行水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)類矩形盾構(gòu)機(jī)的寬度變化。

其中：相鄰兩個(gè)單位盾構(gòu)機(jī)之間通過(guò)橡皮膜套連接。

本發(fā)明的工作過(guò)程和工作原理是：在實(shí)驗(yàn)土槽中安裝放置本模型，然后進(jìn)行填土模擬出真實(shí)施工環(huán)境中的實(shí)際土體壓力，將模型埋入土中，在控制端的控制下，模型體積収縮，實(shí)現(xiàn)模擬類矩形盾構(gòu)機(jī)在開挖隧道中的土體損失現(xiàn)象。

驅(qū)動(dòng)控制單元：本模型裝置利用多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)四個(gè)為一組，每個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)上有兩組驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩組減速機(jī)，并配有支撐固定裝置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使升降機(jī)構(gòu)和水平收縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，為使驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)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(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出處安裝蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出連接收縮機(jī)構(gòu)，后端連接通電導(dǎo)線，每組通電導(dǎo)線控制一組驅(qū)動(dòng)電機(jī)，多組通電導(dǎo)線與外部控制端相連。控制端則可以分別控制每組驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而兩組驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制一個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使模型實(shí)現(xiàn)分段控制。

如圖4和圖5所示，收縮機(jī)構(gòu)：類矩形盾構(gòu)機(jī)兩端均有收縮機(jī)構(gòu)，收縮機(jī)構(gòu)分為升降機(jī)構(gòu)和水平收縮機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)：通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿，使弧形升降塊轉(zhuǎn)動(dòng)，使上下支撐架進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，改變類矩形盾構(gòu)機(jī)的高度；水平收縮機(jī)構(gòu)：通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)與支撐架連接的齒條，使左右支撐架進(jìn)行水平移動(dòng)，改變類矩形盾構(gòu)機(jī)的寬度。為改變圓截面的面積，達(dá)到改變圓柱體體積來(lái)達(dá)到模擬類矩形盾構(gòu)機(jī)造成土地?fù)p失的目的，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使升降機(jī)構(gòu)和水平收縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，改變?cè)撃Ｐ偷母吲c寬，并因?yàn)槟Σ亮?，外圧力等各種因素下，外框架幾乎不會(huì)順逆時(shí)針大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，在收縮機(jī)構(gòu)的作用下向內(nèi)收縮，收縮前后，類矩形截面的面積發(fā)生了變化如圖1，從而使得體積之改變，按計(jì)算要求為縮小了5％。

類矩形外框架則由四個(gè)類弧形殼體片組成，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。

圖1中面積損失公式為：

(高與寬為固定比例)

(C為面積損失百分比)

其中：X為水平寬度，單位mm；Y為垂直高度，單位mm；ΔX為水平寬度改變量，單位mm；ΔY為垂直高度改變量，單位mm。本模型X＝575mm；Y＝350mm。

模型分段連接：以兩組驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩組收縮機(jī)構(gòu)及外框架組合構(gòu)成一個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)，每個(gè)單位類矩形盾構(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個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)的收縮，達(dá)到分段控制的目的，使檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)多段化，產(chǎn)生類似于類矩形盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過(guò)程中土體損失的模擬。每個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)正下方皆安裝水平校準(zhǔn)及支撐裝置，單位類矩形盾構(gòu)機(jī)與單位類矩形盾構(gòu)機(jī)間用橡皮膜套相連，使每個(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)不會(huì)偏移，提高三維精度。

通過(guò)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(gè)單位類矩形盾構(gòu)機(jī)的收縮，使土體損失逐步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)器材，使土體變化數(shù)據(jù)化。

上述實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明，不是對(duì)本發(fā)明的限定，任何對(duì)本發(fā)明簡(jiǎn)單變換后的方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。