[发明专利]监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法

说明书

本发明公开了监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法，属于隧道工程模型盾构机试验技术领域。该装置包括刀盘和土压力监测系统。土微型土压力计呈上大下小的形状，微型土压力计的尾部连接有导线。微型土压力计按试验设计位置测量开挖面前方土体的土压力。无线发射器固定在模型盾构机的空心传动轴的尾部，随着空心传动轴一起旋转。无线接收器放置在模型盾构机一定距离处，能够接收到无线发射器测得的数据。刀盘中心处的空心传动轴旋转，带动刀盘旋转削土，它们的旋转角速度相同。本发明使用一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，在刀盘上安装土压力计，能实时监测到模型盾构机开挖面上土压力的大小和变化。

技术领域

本发明涉及隧道工程模型盾构机试验技术领域，具体地指监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法。

背景技术

近些年来，城市地铁隧道的建设飞速发展，因盾构法机械化程度高、对环境影响小等优点，已经广泛应用于如北京、上海、广州、南京、深圳等客运量需求大、地表交通拥堵的大中城市。相比于国外盾构技术的发展，我国盾构施工经验仍显不足，加之盾构掘进时面临的土体力学特性迥异、水文地质多变等因素，由于开挖面支护力过小而发生的盾构开挖面失稳事故在北京、上海、广州等城市时有发生。因此，研究盾构开挖面支护力的大小对于盾构开挖面的稳定十分重要。

盾构隧道开挖面支护力的研究，主要有：理论分析、模型试验和数值模拟等方法。模型试验由于有直观、易于观察等优点，被国内外很多学者应用。如何能够有效地监测开挖面上的的支护力是一个首要解决的问题。

国内外现有的位移控制的隧道开挖面主动破坏试验，将监测元件安装在挡板上，这是由于装置简单，没有考虑刀盘的旋转，仅仅利用面板倒退的方式模拟开挖面主动破坏。因此，在刀盘上安装传感器较为简单。为了更加真实的模拟盾构开挖的过程和主动破坏的过程，许多科研机构研制了模型盾构机。需要在模型试验中考虑刀盘旋转、盾构机顶进等过程，此时在刀盘上安装监测元件，面临着一个很大的问题，即随着刀盘的旋转，监测元件的导线会被绞断。

如何在旋转的刀盘上安装监测元件，并使监测元件的导线顺利导出，同时能够使采集仪得到传感器的读数是开挖面支护力模型试验需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的就是在模型盾构机的刀盘上安装监测元件，监测模型盾构机开挖面上的土压力，即提供一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法。

本发明的技术解决方案是：

一种监测模型盾构机开挖面上土压力的装置，该装置包括刀盘1和土压力监测系统8。刀盘1装在模型盾构机2的最前端，刀盘1的辐条3上装有刀具4，刀具4通过旋转切削前方土体。刀盘1的面板5上有一定的开口6，切削下来的土体经过刀盘1上的开口6进入刀盘后面的土压舱7内。

土压力监测系统8包括微型土压力计9、导线10和无线采集仪11。

所述的微型土压力计9呈上大下小的形状，微型土压力计9的尾部连接有导线10。微型土压力计9按试验设计位置测量开挖面前方土体的土压力。

面板5上挖有通透的凹槽12，凹槽12呈上大下小的形状，凹槽12与微型土压力计9的形状和大小相一致。将微型土压力计9放入刀盘1的凹槽12内后，微型土压力计9的表面陷入凹槽12内，由于凹槽12上大下小，微型土压力计9不会掉出。微型土压力计9的上表面与刀盘1表面之间的孔隙13涂抹上耐磨油脂。

刀盘1背面挖出通向刀盘1圆心的导线槽14，微型土压力计9的导线10通过导线槽14汇集到刀盘背面的中心区域，然后从空心传动轴15内导出。导线槽14用以连接凹槽12与空心传动轴15。

空心传动轴15是一空心的圆柱体，空心传动轴15内部打有通长的圆孔，用于将刀盘1上的微型土压力计9的导线10导出至空心传动轴15的尾部。