本發(fā)明涉及一種隧道掘進模型試驗系統(tǒng)，特別涉及一種多功能微型隧道掘進模型試驗系統(tǒng)。

背景技術：

目前，隧道掘進機已經在各類隧道開挖中廣泛使用。近年來，城市地鐵隧道、市政給排水隧道、山嶺鐵（公）路隧道的建設對隧道掘進機的需求越來越大，隨之而來是更多的問題有待解決。特別是面對一些難度較大的工程，理論分析和數(shù)值分析都無法考慮實際的復雜情況，此時必須借助室內試驗的手段，對實際工程進行模擬。目前，比較常用的隧道掘進試驗主要分為兩種形式：利用對稱性原理的半圓形隧道模型以及圓形隧道模型。半圓形隧道模型不具備開挖刀具，一般采用擋板的前進或后退來模擬隧道開挖對開挖面的作用；圓形隧道模型大多也不具備開挖刀具，通常采用氣囊或擋板模擬開挖。上述開挖方式的問題在于只能模擬開挖面壓力的變化，不能模擬掘進機開挖的全過程以及刀盤旋轉對開挖面的作用。少部分圓形隧道模型設計有刀盤，可進行機械開挖，但刀盤制作通常較為簡化且不可替換，掘進機模型所能實現(xiàn)的功能比較單一，可擴展性低。為了提高試驗效率及控制時間、經濟成本，急需一種既能夠模擬真實隧道開挖，又能夠實現(xiàn)功能多樣化的多功能微型隧道掘進模型試驗系統(tǒng)，以滿足日益復雜的隧道掘進模擬科研需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是改善現(xiàn)有隧道掘進模型試驗機的不足，提供一種可模擬實際隧道掘進機開挖且功能可擴展的多功能微型隧道掘進模型試驗系統(tǒng)，使其能夠滿足隧道掘進模擬的科研需求，且降低試驗的時間及經濟成本。

本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

一種多功能微型隧道掘進模型試驗系統(tǒng)，包括實驗平臺、微型隧道掘進機、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和動力控制系統(tǒng)；其中：

所述實驗平臺由鋁合金方管型材梁柱裝配而成，鋁合金方管型材梁柱通過螺栓和連接件組成框架結構；所述實驗平臺下部四角帶有調平螺栓和錨固定件；所述實驗平臺上表面固定有預打孔的平臺鋼板；所述實驗平臺側面固定有動力控制系統(tǒng)上的工作箱；所述平臺鋼板上固定有動力控制系統(tǒng)上的推進動力系統(tǒng)和附屬拍照設備；

所述動力控制系統(tǒng)包括推進動力控制系統(tǒng)、轉動動力控制系統(tǒng)和控制箱，所述推進動力控制系統(tǒng)用以調節(jié)所述的微型隧道掘進機的前進速率和方向；所述轉動動力控制系統(tǒng)用以調節(jié)所述的刀盤的旋轉速率和方向；所述控制箱通過調節(jié)所述的微型隧道掘進機的推進狀態(tài)以滿足不同開挖需求。所述推進動力控制系統(tǒng)包括導軌、螺紋傳動鋼軸、驅動馬達、馬達齒輪、傳動皮帶、鋼軸齒輪、支座板、箍爪、螺紋箍以及軸力應變片，馬達齒輪固定于驅動馬達上，鋼軸齒輪固定于螺紋傳動鋼軸一端，馬達齒輪與鋼軸齒輪通過第一傳動皮帶連接，驅動馬達通過第一傳動皮帶帶動螺紋傳動鋼軸轉動；螺紋箍抱箍在螺紋傳動鋼軸上，螺紋傳動鋼軸通過螺紋驅動螺紋箍作前后運動；螺紋箍及箍爪均固定于支座板上，當螺紋箍運動時，可帶動支座板作前后運動，箍爪抱箍在導軌上，為支座板運動提供導向；螺紋傳動鋼軸與鋼軸齒輪固定處預埋有軸力應變片，所述軸力應變片連接應變采集器，用以測量推進過程中螺紋傳動鋼軸的軸力；所述轉動動力系統(tǒng)包括驅動馬達、馬達齒輪、第二傳動皮帶、刀盤齒輪、刀盤傳動軸、固定螺栓以及刀盤；第二驅動馬達通過固定螺栓固定于閉口封板或開口封板上，第二馬達齒輪固定在第二驅動馬達上，刀盤齒輪固定在傳動軸一端上，第二驅動馬達通過皮帶連接傳動軸，傳動軸另一端上固定有刀盤，第二驅動馬達通過皮帶帶動傳動軸，進而帶動固定在傳動軸上的刀盤轉動切削土體；

所述微型隧道掘進機包括不銹鋼盾殼，不銹鋼盾殼包括連接部分、管片部分和機頭部分，連接部分由第一不銹鋼殼體和連接肋焊接成整體，連接肋底座通過螺栓固定于支座板上；機頭部分包括第二不銹鋼殼體、封板，第二不銹鋼殼體與封板通過螺栓連接；封板上部開有第一螺栓孔，用以與轉動動力控制系統(tǒng)相連；周圍開有第二螺栓孔，用以與不銹鋼盾殼相連；封板中心開有中軸孔，用以固定刀盤傳動軸；

所述的泥漿循環(huán)系統(tǒng)包括恒壓泵、泥漿池、廢漿池、進漿管、進漿壓力表、出漿管及出漿壓力表，進漿管末端與注漿孔相連，進漿管開端伸入泥漿池內，進漿管連接恒壓泵，出漿管開端與出漿孔相連，出漿管末端伸入廢漿池，恒壓泵通過進漿管將新鮮泥漿以一定的壓力送入開挖面，開挖面的廢泥漿通過出漿管排出至廢漿池，進漿管和出漿管上分別設有進漿壓力表和出漿壓力表，用于監(jiān)測進出泥漿壓力。

本發(fā)明中，所述封板為開口封板或閉口封板，開口封板即有出土口，閉口封板即無出土口。

本發(fā)明中，所述閉口封板上開有注漿孔和出漿孔，注漿孔用于向開挖面注入新鮮泥漿，出漿孔用于向外排出廢漿，所述的進漿管末端與所述的閉口封板進漿孔相連，所述的出漿管始端與所述的閉口封板出漿孔相連。

本發(fā)明中，所述開口封板上開有注漿孔和出土口，注漿孔用于向開挖面注入新鮮泥漿，出土口用于向外排出土，所述的進漿管末端與所述的開口封板進漿孔相連。

本發(fā)明中，控制箱上設包括推進速率控制旋鈕、第一電源總開關（急停按鈕）、前進按鈕、停止按鈕、后退按鈕、刀盤轉速控制旋鈕、第二電源總開關（急停按鈕）、正轉按鈕、停止按鈕和逆轉按鈕。

本發(fā)明中，通過控制箱調節(jié)所述的微型隧道掘進機的速率、前進方向和刀盤的旋轉速率、方向實現(xiàn)其推進-正轉、原地-正轉、推進-反轉、原地-反轉、后退-正轉、后退-反轉等狀態(tài)，以實現(xiàn)不同隧道掘進模擬需求；如遇微型隧道掘進機卡機，可采用原地-正轉、原地-反轉、后退-正轉、后退-反轉等狀態(tài)解困。

本發(fā)明中，所述的封板預開多種功能孔，以實現(xiàn)進漿、出漿、出土、固定等作用。

本發(fā)明中，包含一套多用途泥漿循環(huán)系統(tǒng)。模擬泥水平衡盾構時，從泥漿池泵送新鮮泥漿至開挖面以維持其穩(wěn)定性、排出廢漿至廢漿池；模擬土壓平衡盾構時，取消廢漿池及出漿管，更換泥漿為潤滑劑，向開挖面泵送潤滑劑；模擬巖石隧道掘進時，取消泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

本發(fā)明中，所述的微型隧道掘進機前端半徑略大與其他部分，用以模擬盾尾脫出所產生的地層損失。

根據(jù)上述技術方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明所述的微型隧道掘進機具有真實盾構機的關鍵性功能：前端的刀盤可進行機械開挖，機頭部分可模擬盾尾脫離產生的地層損失，可以模擬土壓平衡盾構，借助泥漿循環(huán)系統(tǒng)還可模擬泥水平衡盾構，通過更換不同類型刀盤用以適應不同地層條件下的開挖；

2.采用模塊化設計，各功能模塊均相對獨立，方便日后的維護保養(yǎng)及功能拓展；

3.盡量采用標準件組裝，縮短了設計和制作周期，降低了制造和維護成本；

4.自動化程度高，除模擬土壓平衡盾構時需要人工出土，其余試驗步驟都可以通過按鈕控制，降低了試驗人員的勞動強度。

附圖說明

圖1為多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)總方案示意圖；

圖2為實驗平臺及推進動力系統(tǒng)方案示意圖，其中：(a)為側視圖，(b)為俯視圖；

圖3為不銹鋼盾殼組成方案示意圖；

圖4為連接部分方案示意圖；其中：(a)為側視圖，(b)為俯視圖；

圖5為管片部分方案示意圖；其中：(a)為側視圖，(b)為俯視圖；

圖6為機頭部分方案示意圖，其中：(a)為側視圖，(b)為開口封板，(c)為閉口封板；

圖7為轉動動力系統(tǒng)方案示意圖，其中：(a)為側視圖，(b)為左視圖；

圖8為泥漿循環(huán)系統(tǒng)方案示意圖；

圖9為動力控制系統(tǒng)方案示意圖，其中：(a)為控制箱固定方案示意圖，(b)為控制系統(tǒng)按鈕方案示意圖。

圖中標號：1試驗平臺，2微型隧道掘進機，3泥漿循環(huán)系統(tǒng)，4動力控制系統(tǒng)，5鋁合金方管型材梁柱，6連接件，７平臺鋼板，8調平螺栓，9錨固件，10螺孔，11導軌，12螺紋傳動鋼軸，13第一驅動馬達，14第一馬達齒輪，15第一傳動皮帶，16鋼軸齒輪，17支座板，18箍爪，19螺紋箍，20軸力應變片，21連接部分，22管片部分，23機頭部分，24第一不銹鋼殼體，25連接肋，26第二不銹鋼殼體，27閉口封板，28開口封板，29第一螺栓孔，30第二螺栓孔，31注漿孔，32出漿孔，33軸孔，34出土口，35土壓力盒，36第二驅動馬達，37第二馬達齒輪，38第二傳動皮帶，39刀盤齒輪，40刀盤傳動軸，41固定螺栓，42刀盤，43恒壓泵，44泥漿池，45廢漿池，46進漿管，47進漿壓力表，48出漿管，49出漿壓力表，50控制箱，51推進動力控制系統(tǒng)，52轉動動力控制系統(tǒng)，53控制旋鈕，54第一電源總開關（急停按鈕），55前進按鈕，56停止按鈕，57后退按鈕，58刀盤轉速控制旋鈕，59第二電源總開關（急停按鈕），60正轉按鈕，61停止按鈕，62逆轉按鈕。

具體實施方式

下面通過實例結合附圖進一步描述本發(fā)明。

實施例1（泥水平衡盾構的模擬）

如圖1所示，本發(fā)明的所述的多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)，包括四大部分：試驗平臺1、微型隧道掘進機2、泥漿循環(huán)系統(tǒng)3以及動力控制系統(tǒng)4?？赏ㄟ^該試驗系統(tǒng)進行泥水平衡盾構隧道開挖模型試驗。

試驗前首先安裝試驗平臺1，如圖2所示。試驗平臺1由鋁合金方管型材梁柱5通過連接件6組裝框架結構，平臺鋼板7通過螺栓固定于試驗平臺1上部。試驗平臺1四個桌腳下帶有調平螺栓8，試驗前應調整調平螺栓8，使得平臺鋼板7處于水平狀態(tài)。試驗平臺1通過錨固件9固定于地面上，以確保試驗平臺1穩(wěn)定并提供微型隧道掘進機推進所需反力。為便于安裝輔助設備，如照明燈具、照相機等，平臺鋼板7上預設若干螺孔10。平臺鋼板7上安裝有推進動力系統(tǒng)，如圖2所示。推進動力系統(tǒng)包括導軌11、螺紋傳動鋼軸12、第一驅動馬達13、第一馬達齒輪14、第一傳動皮帶15、鋼軸齒輪16、支座板17、箍爪18、螺紋箍19以及軸力應變片20。第一馬達齒輪14固定于第一驅動馬達13上，鋼軸齒輪16固定于螺紋傳動鋼軸12上，第一驅動馬達13通過第一傳動皮帶15帶動螺紋傳動鋼軸12轉動，螺紋箍19抱箍在螺紋傳動鋼軸12上，螺紋傳動鋼軸12通過螺紋驅動螺紋箍19前后運動。螺紋箍19及箍爪18均固定于支座板17上，螺紋箍19的運動可帶動支座板17運動，箍爪18抱箍在導軌11上，為支座板運動提供導向。在螺紋傳動鋼軸12與齒輪16固定的一端打盲孔，預埋軸力應變片20，外接應變采集器，用以測量推進過程中螺紋傳動鋼軸12的軸力。

如圖3~圖6所示，微型隧道掘進機由不銹鋼盾殼和動力系統(tǒng)組成，動力系統(tǒng)由推進動力系統(tǒng)和轉動動力系統(tǒng)組成，其中前者在圖2中已做說明。不銹鋼盾殼分為連接部分21、管片部分22和機頭部分23，這三部分之間通過螺栓相連，管片部分22根據(jù)推進長度的需求可選擇使用一段或若干段。如圖4所示，連接部分21包括第一不銹鋼殼體24和連接肋25，二者通過焊接成整體，連接肋25底座開有螺栓孔，通過螺栓固定于支座板17上。如圖5所示為管片部分22。如圖6所示，機頭部分23包括第二不銹鋼殼體26和閉口封板27，二者通過螺栓連接在一起。閉口封板27上部開有四個第一螺栓孔29，用以與轉動動力系統(tǒng)相連；周圍開有四個第二螺栓孔30，用以與不銹鋼盾殼26相連。閉口封板27開有注漿孔31和出漿孔32，出漿孔31用于向開挖面注入新鮮泥漿，出漿孔32用于向外排出廢漿。閉口封板27中心開有中軸孔33，用以固定刀盤傳動軸40（圖7）。

如圖7所示，轉動動力系統(tǒng)包括第二驅動馬達36、第二馬達齒輪37、第二傳動皮帶38、刀盤齒輪39、刀盤傳動軸40、固定螺栓41以及刀盤42。第二驅動馬達36通過固定螺栓40固定在閉口封板27上。第二馬達齒輪37固定在第二驅動馬達36上，刀盤齒輪39固定在傳動軸40上，第二驅動馬達36通過皮帶帶動傳動軸40，進而帶動固定在傳動軸40上的刀盤42轉動切削土體。

如圖8所示，泥漿循環(huán)系統(tǒng)3包括恒壓泵43、泥漿池44、廢漿池45、進漿管46、進漿壓力表47、出漿管48及出漿壓力表49。進漿管46末端與注漿孔31相連，出漿管48開端與出漿孔32相連。恒壓泵43通過進漿管46將新鮮泥漿以一定的壓力送入開挖面，開挖面的廢泥漿通過出漿管48排出至廢漿池45。進漿管46和出漿管48上分別有進漿壓力表47和出漿壓力表49，用于監(jiān)測進出泥漿壓力。

如圖9所示，動力控制系統(tǒng)4包括控制箱50、推進動力控制系統(tǒng)51和轉動動力控制系統(tǒng)52?？刂葡?0由螺栓固定于試驗平臺1的側面?？刂葡?0包括推進速率控制旋鈕53、第一電源總開關（急停按鈕）54、前進按鈕55、停止按鈕56和后退按鈕57。用于轉動動力控制系統(tǒng)52的按鈕為刀盤轉速控制旋鈕58、第二電源總開關（急停按鈕）59、正轉按鈕60、停止按鈕61和逆轉按鈕62。試驗開始前，打開第一電源總開關（急停按鈕）54和第二電源總開關（急停按鈕）59，整個試驗機系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。按下前進按鈕55，微型盾構進開始推進，通過推進速率控制旋鈕53可以調節(jié)微型隧道掘進機的推進速率；按下正轉按鈕60，刀盤開始轉動，通過刀盤轉速控制旋鈕58可以調節(jié)刀盤轉速。如需停止掘進，按下停止按鈕56停止微型隧道掘進機掘進、按下停止按鈕61停止刀盤轉動。按下停止按鈕56隨后按下后退按鈕57，即可使微型隧道掘進機后退；按下停止按鈕61隨后按下刀盤逆轉按鈕62，可使刀盤反轉。如遇緊急情況，關閉第一電源總開關（急停按鈕）54和第二電源總開關（急停按鈕）59，切斷電源開關，即可停止微型隧道掘進機掘進和刀盤轉動。推進動力控制系統(tǒng)51和轉動動力控制系統(tǒng)52相對獨立，通過調節(jié)順、停、逆三種按鈕，可以實現(xiàn)微型隧道掘進機的推進-正轉、原地-正轉、推進-反轉、原地-反轉、后退-正轉、后退-反轉狀態(tài)，以應對不同的試驗情況。

試驗準備階段，首先將多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)個部分組裝并調試完成，隨后將刀盤抵至土箱邊緣。試驗開始時，開啟各電源開關，開啟微型隧道掘進機推進-正轉狀態(tài)，調節(jié)推進速率控制旋鈕53和刀盤轉速控制旋鈕58，使微型隧道掘進機緩慢進入土體，同時采用泥漿循環(huán)系統(tǒng)3向開挖面泵送新鮮泥漿。試驗進行時，應通過軸力應變片20、進漿管壓力表47和出漿管壓力表49所得數(shù)據(jù)實時監(jiān)測微型隧道掘進機的推進力和泥漿壓力。如推進過程中發(fā)生卡機現(xiàn)象，可通過微型隧道掘進機的原地-正轉、原地-反轉、后退-正轉、后退-反轉等狀態(tài)解困。

實施例2（模擬土壓平衡盾構）

如圖1所示，本發(fā)明的所述的多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)，包括四大部分：試驗平臺1、微型隧道掘進機2、泥漿循環(huán)系統(tǒng)3以及動力控制系統(tǒng)4?？赏ㄟ^該試驗系統(tǒng)進行土壓平衡盾構隧道開挖模型試驗。

按照圖1~圖5安裝配置該試驗系統(tǒng)。

模擬土壓平衡盾構時需采用開口封板28，取消廢漿池45、出漿管48、出漿壓力表49和進漿壓力表47，替換泥漿池44中的泥漿為潤滑劑（水或泡沫）。

如圖6所示，開口封板28上部開有四個第一螺栓孔29，用以與轉動動力系統(tǒng)相連；周圍開有四個第二螺栓孔30，用以與不銹鋼盾殼26相連。開口封板28開有注漿孔31，用以向開挖面泵入潤滑劑。開口封板28中心開有軸孔33，用以固定刀盤傳動軸40（圖7）。開口封板28下部開有出土口34，刀盤42切削土體產生碎土落至出土口34，隨后進入不銹鋼盾殼26。開口封板28上固定有土壓力盒35，用以監(jiān)測土倉內土壓力。

試驗準備階段，首先將多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)個部分組裝并調試完成，隨后將刀盤抵至土箱邊緣。試驗開始時，開啟各電源開關，開啟微型隧道掘進機推進-正轉狀態(tài)，調節(jié)推進速率控制旋鈕53和刀盤轉速控制旋鈕58，使微型隧道掘進機緩慢進入土體，同時采用泥漿循環(huán)系統(tǒng)3向開挖面泵送潤滑劑。試驗進行時，應通過軸力應變片20所得數(shù)據(jù)實時監(jiān)測微型隧道掘進機的推進力、通過土壓力盒35監(jiān)測土倉壓力。推進過程中切削下來的土體堆積在第二不銹鋼殼體26中，可隨時用小鏟子將積土清出。如推進過程中發(fā)生卡機現(xiàn)象，可通過微型隧道掘進機的原地-正轉、原地-反轉、后退-正轉、后退-反轉等狀態(tài)解困。

實施例3（模擬巖石隧道掘進機）

如圖1所示，本發(fā)明的所述的多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)，包括四大部分：試驗平臺1、微型隧道掘進機2、泥漿循環(huán)系統(tǒng)3以及動力控制系統(tǒng)4?？赏ㄟ^該試驗系統(tǒng)進行巖石隧道開挖模型試驗。

按照圖1~圖5安裝配置該試驗系統(tǒng)。

模擬巖石隧道掘進機時需采用開口封板28，取消土壓力盒35。巖石隧道模擬試驗中一般采用類巖材料（石膏、水泥等）模擬巖體，不考慮水的存在，故不需要泥漿或者潤滑劑，所以取消泥漿循環(huán)系統(tǒng)3。

試驗準備階段，首先將多功能微型盾構隧道模型試驗系統(tǒng)個部分組裝并調試完成，隨后將刀盤抵至巖體邊緣。試驗開始時，開啟各電源開關，開啟微型隧道掘進機推進-正轉狀態(tài)，調節(jié)推進速率控制旋鈕53和刀盤轉速控制旋鈕58，使微型隧道掘進機緩慢進入巖體。試驗進行時，應通過軸力應變片20所得數(shù)據(jù)實時監(jiān)測微型隧道掘進機的推進力。推進過程中切削下來的巖石粉末和碎屑堆積在第二不銹鋼殼體26中，可隨時用小鏟子將粉末清出。如推進過程中發(fā)生卡機現(xiàn)象，可通過微型隧道掘進機的原地-正轉、原地-反轉、后退-正轉、后退-反轉等狀態(tài)解困。