本實用新型屬于地下工程技術領域，尤其涉及一種模擬盾構分段式開挖的試驗裝置。

背景技術：

根據天津大學提出的模型試驗裝置是按1:60的比例，鑒于模型尺寸小，他們存在以下不足：

1)只有單節(jié)的盾構機模型進行收縮和擴張模擬，僅研究二維土體變形；

2)盾構機是手動運行的，操作比較繁瑣。

又如同濟大學朱合華團隊以直徑6.34m的土壓平衡式盾構機為參照原型，制造了直徑為400mm的雙殼單螺旋模型盾構，該模型盾構的掘削刀盤和螺旋出土器共軸。西南交通大學何川團隊以土壓平衡式盾構機為原型，設計并制造了直徑為520mm和800mm土壓平衡式模型盾構試驗系統(tǒng)，鑒于這兩個模型試驗系統(tǒng)均以實際盾構機構造進行縮尺寸，所以最大的不足之處在于：

3)針對室內模型試驗而言，造價遠高于本套系統(tǒng)自制的盾構機模型試驗裝置。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述的技術問題，本實用新型的目的就是提供一種模擬盾構分段式開挖的試驗裝置，提出了以1:20的比例縮小的盾構模型機，通過分段式的設計，從而考慮三維土體變形，用采用驅動電機控制盾構機，運行方便，節(jié)約試驗時間，同時采用了剛性外殼的收縮模型機以達到模擬盾構機運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際情況的土體變形，為隧道施工與設計提供更真實、準確的實驗數(shù)據，以保證城市盾構隧道建設的高效與安全。

本實用新型提供一種模擬盾構分段式開挖的試驗裝置，包括若干個單位盾構機依次連接而成，每個單位盾構機均包括驅動控制單元、兩個旋轉收縮機構和外框架，所述驅動控制單元包括三個驅動電機，以及在每個驅動電機前端連接蝸輪螺桿、后端連接導線；三個驅動電機通過電機固定件分別等間距固定環(huán)繞在主軸中央；外框架是八個弧形片依次連接組成，在相鄰兩個弧形片之間分別通過固定片連接，且相鄰兩個弧形片之間保持有活動間隙；在主軸的兩端分別連接有旋轉收縮機構，旋轉收縮機構包括行星齒輪、傳動桿、蝸輪、內齒輪、恒星輪、長條轉片、滑動機構、轉頭；行星齒輪通過傳動桿與蝸輪相連，內齒輪與行星齒輪相嚙合，設置在主軸上的恒星輪與行星輪相嚙合，內齒輪與長條轉片中間部分通過滑動機構相連；長條轉片一端與在主軸上固定的轉頭活動連接，長條轉片另一端與設置外框架上的固定片活動連接。

作為優(yōu)選，所述轉頭上設有8個V形槽口，8根長條轉片一端分別對應活動連接在8個V形槽口內。

作為優(yōu)選，相鄰兩個單位盾構機之間通過橡皮膜套連接。

本實用新型的工作過程和工作原理是：在實驗土槽中安裝放置本實用新型試驗裝置，然后進行填土模擬出真實施工環(huán)境中的實際土體壓力，將該試驗裝置埋入土中，在控制端的控制下，試驗裝置體積収縮，實現(xiàn)模擬盾構機在開挖隧道中的土體損失現(xiàn)象。

驅動控制單元：本試驗裝置裝置利用多個驅動電機驅動，驅動電機轉動使蝸桿旋轉運動，帶動蝸輪，通過蝸輪和蝸桿將動能傳遞到行星齒輪上，為使驅動電機停止運動后固定體積并保持穩(wěn)定，這里采用了蝸輪的自鎖性。控制端則可以分別控制每組驅動電機，而一組驅動電機控制一個單位盾構機的運動，使試驗裝置實現(xiàn)分段控制。

旋轉收縮機構：為改變圓截面的面積，達到改變圓柱體體積來達到模擬盾構土地損失的目的，通過驅動電機驅動蝸輪蝸桿運動，通過與之相連的傳動桿傳遞動能帶動行星輪使內齒輪轉動，內齒輪與長條轉片用凹槽相連使轉片轉動，轉動后使中心軸旋轉，利用長條轉片在中心軸圓心處轉動，使中心軸圓心與長條轉片固定在外框架處的距離發(fā)生變化，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動，在力的作用下向內收縮，旋轉前后，圓截面的直徑發(fā)生了變化，從而使得截面的面積隨之改變，按計算要求為縮小了5％。外框架則由八個弧形片組成，其接縫處利用異形結構防止沙土進入縫內導致卡死或者不能收縮。

試驗裝置分段連接：以一組驅動單元、一組旋轉收縮機構含外框架相組合構成一個單位盾構機，每個單位盾構機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單位盾構機的收縮，達到分段控制的目的，使檢測得到的數(shù)據多段化，產生類似于盾構機向前推進過程中土體損失的模擬。每個單位盾構機正下方皆安裝水平校準及支撐裝置，單位盾構機與單位盾構機間用橡皮膜套相連，使每個單位盾構機不會偏移，提高三維精度。

通過上述試驗裝置的協(xié)調運作，使控制端可以按特定順序分別控制個單位盾構機的收縮，拾土體損失逐步進行，實現(xiàn)對于真是隧道施工中土體損失的完整模擬，配合其他監(jiān)測器材，是土體變化數(shù)據化。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是：

1)使用機械結構，采用剛性機械結構及外殼，有效的抗壓防止形變，使數(shù)據更精確。

2)采用分段控制，更加符合實際模擬中的數(shù)據變化。

3)裝置的控制可完全由電腦或電子控制端進行控制，使操作方便穩(wěn)定，能更好的模擬多項實驗。

本實用新型裝置，采用驅動電機與齒輪控制旋轉收縮幅度，旋轉收縮易于控制且穩(wěn)定，可先收縮后擴張，完全模擬盾構機開挖土體損失的過程。

本實用新型裝置采用多個單位盾構機組合，可以調整單位盾構機數(shù)量在多個模型箱內進行不同長度的模擬，且單位盾構機與單位盾構機間組合方便。

本實用新型裝置簡單方便，同時考慮了盾構機在運行過程中對土體損失的影響，采用的驅動電機控制也能更好地進行相關室內模型試驗。

附圖說明

圖1是本實用新型的側視結構示意圖；

圖2是本實用新型的立體結構一示意圖；

圖3是本實用新型的立體結構另一示意圖；

附圖標注：外框架1，固定片2，內齒輪3，行星輪4，恒星輪5，轉頭6，長轉片7，傳動桿8，固定桿9，蝸輪10，蝸桿11，電機固定件12驅動電機13，中心軸15。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式做一個詳細的說明。

如圖1～3所示，本實用新型提供一種模擬盾構分段式開挖的試驗裝置的具體實施例，包括若干個單位盾構機依次連接而成，每個單位盾構機均包括驅動控制單元、兩個旋轉收縮機構和外框架1，所述驅動控制單元包括三個驅動電機13，以及在每個驅動電機13前端連接蝸輪10螺桿、后端連接導線；三個驅動電機13通過電機固定件12分別等間距固定環(huán)繞在主軸中央；外框架1是八個弧形片依次連接組成，在相鄰兩個弧形片之間分別通過固定片2連接，且相鄰兩個弧形片之間保持有活動間隙；在主軸的兩端分別連接有旋轉收縮機構，旋轉收縮機構包括行星齒輪、傳動桿8、蝸輪10、內齒輪3、恒星輪5、長條轉片7、滑動機構、轉頭6；行星齒輪通過傳動桿8與蝸輪10相連，內齒輪3與行星齒輪相嚙合，設置在主軸上的恒星輪5與行星輪4相嚙合，內齒輪3與長條轉片7中間部分通過滑動機構相連；長條轉片7一端與在主軸上固定的轉頭6活動連接，長條轉片7另一端與設置外框架1上的固定片2活動連接。

其中：所述轉頭6上設有8個V形槽口，8根長條轉片7一端分別對應活動連接在8個V形槽口內。相鄰兩個單位盾構機之間通過橡皮膜套連接。

本實用新型的工作過程和工作原理是：在實驗土槽中安裝放置本實用新型試驗裝置，然后進行填土模擬出真實施工環(huán)境中的實際土體壓力，將該試驗裝置埋入土中，在控制端的控制下，試驗裝置體積収縮，實現(xiàn)模擬盾構機在開挖隧道中的土體損失現(xiàn)象。

驅動控制單元：本試驗裝置裝置利用多個驅動電機13驅動，驅動電機13轉動使蝸桿1111旋轉運動，帶動蝸輪10，通過蝸輪10和蝸桿1111將動能傳遞到行星齒輪上，為使驅動電機13停止運動后固定體積并保持穩(wěn)定，這里采用了蝸輪10的自鎖性?？刂贫藙t可以分別控制每組驅動電機13，而一組驅動電機13控制一個單位盾構機的運動，使試驗裝置實現(xiàn)分段控制。

旋轉收縮機構：為改變圓截面的面積，達到改變圓柱體體積來達到模擬盾構土地損失的目的，通過驅動電機13驅動蝸輪10蝸桿1111運動，通過與之相連的傳動桿8傳遞動能帶動行星輪4使內齒輪3轉動，內齒輪3與長條轉片7用凹槽相連使轉片轉動，轉動后使中心軸15旋轉，利用長條轉片7在中心軸15圓心處轉動，使中心軸15圓心與長條轉片7固定在外框架1處的距離發(fā)生變化，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動，在力的作用下向內收縮，旋轉前后，圓截面的直徑發(fā)生了變化，從而使得截面的面積隨之改變，按計算要求為縮小了5％。外框架1則由八個弧形片組成，其接縫處利用異形結構防止沙土進入縫內導致卡死或者不能收縮。

試驗裝置分段連接：以一組驅動單元、一組旋轉收縮機構含外框架1相組合構成一個單位盾構機，每個單位盾構機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單位盾構機的收縮，達到分段控制的目的，使檢測得到的數(shù)據多段化，產生類似于盾構機向前推進過程中土體損失的模擬。每個單位盾構機正下方皆安裝水平校準及支撐裝置，單位盾構機與單位盾構機間用橡皮膜套相連，使每個單位盾構機不會偏移，提高三維精度。

通過上述試驗裝置的協(xié)調運作，使控制端可以按特定順序分別控制個單位盾構機的收縮，拾土體損失逐步進行，實現(xiàn)對于真是隧道施工中土體損失的完整模擬，配合其他監(jiān)測器材，是土體變化數(shù)據化。

本實用新型的有益效果是：

1使用機械結構，采用剛性機械結構及外殼，有效的抗壓防止形變，使數(shù)據更精確。

2采用分段控制，更加符合實際模擬中的數(shù)據變化。

3裝置的控制可完全由電腦或電子控制端進行控制，使操作方便穩(wěn)定，能更好的模擬多項實驗。

本實用新型裝置，采用驅動電機13與齒輪控制旋轉收縮幅度，旋轉收縮易于控制且穩(wěn)定，可先收縮后擴張，完全模擬盾構機開挖土體損失的過程。

本實用新型裝置采用多個單位盾構機組合，可以調整單位盾構機數(shù)量在多個模型箱內進行不同長度的模擬，且單位盾構機與單位盾構機間組合方便。

本實用新型裝置簡單方便，同時考慮了盾構機在運行過程中對土體損失的影響，采用的驅動電機13控制也能更好地進行相關室內模型試驗。

需要強調的是：以上僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內。