[发明专利]一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机

权利要求书

1.一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，包括模型箱(1)、盾壳(3)、切削系统、顶进系统、出土系统和支护系统；其特征在于：

模型箱(1)的前、后开挖面分别设置前预留开挖孔和后预留开挖孔，前预留开挖孔位置处安装浮动支撑(2)；盾壳(3)的前端与隔板(4)连接，盾壳(3)的后端与盾尾连接；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)通过驱动轴主轴(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；盾构机模型经过前预留开挖孔后进入模型箱(1)，刀盘驱动电机(7)通过刀盘驱动主轴(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，从而实现盾构机模型向前顶进；导向光轴(10)的两端分别与浮动支撑(2)和反力架(13)链接，两根导向光轴(10)与隧道纵向中心线保持平行，盾构机模型沿导向光轴(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)选用轴式螺旋出土器，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)的内径比盾壳外径大，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用拼装式套环将衬砌(18)固定在盾壳(3)外，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆；通过螺栓将拼装式套环固定，防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙；刀盘(5)的直径与衬砌(18)的直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm；刀盘(5)可自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔出洞，采用固定法兰(20)将衬砌(18)固定在模型箱(1)上；将刀盘(5)和拼装式套环拆卸后，将盾构机模型原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护。

2.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：衬砌(18)选用PE管材。

3.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：模型箱(1)和盾构机底座(23)安装重型支撑脚万向轮(24)，重型支撑脚万向轮着地时实现模型箱(1)和盾构机模型的移动；盾构机底座(23)安装重型支撑脚万向轮(24)，万向轮着地时实现盾构机模型的移动；模型箱(1)位置固定后，将盾构机模型移动至匹配位置，使支撑脚着地，通过调节支撑脚的高度使盾构机底座(23)和模型箱(1)底座保持在同一水平面上；盾构机底座(23)和模型箱(1)底座通过底座连接板(28)采用高强螺栓连接在一起；浮动支撑(2)通过浮动支撑连接板(29)与模型箱(1)连接在一起，浮动支撑连接板(29)上设置顶进丝杠安装孔(30)；盾构机底座(23)后方设置反力架(13)，反力架(13)和模型箱(1)之间设置两根导向光轴(10)，盾构机模型始发后沿导向光轴(10)向前掘进。

4.根据权利要求1所述的一种可实现衬砌支护功能的土压平衡模型盾构试验机，其特征在于：刀盘(5)为辐板式刀盘，开口率根据模型箱(1)内填土的类型进行设计；隔板(4)上安装土压力盒，用以监测土压舱(19)内的土压力；隔板上土压力盒引线通过盾壳内部的引线管(35)引致盾构机外部，并与数据采集仪器连接；衬砌上安置压应力传感器(32)和渗压计(33)，通过在衬砌上设置传感器安置孔将其镶嵌在衬砌(18)上，压应力传感器(32)、渗压计(33)引线镶嵌在衬砌上的引线槽(34)内，并在衬砌尾部将其引出并与数据采集装置连接。