[发明专利]一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置及其试验方法

权利要求书

1.一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置，其特征在于：包括所述透明土模型箱(1)、盾构机模拟装置(2)、隧道上浮模拟装置(3)、盾构机前盾旋转模拟装置(4)、盾构机前进驱动模拟装置(5)、底座(6)、两台工业相机(7)和激光发射器(8)；

所述底座(6)包括支架(602)以及安装在支架(602)上的透明玻璃板(601)，支架(602)安装在地面上，透明土模型箱(1)放置在透明玻璃板(601)上；

所述透明土模型箱(1)为上端敞口的矩形箱体，透明土模型箱(1)的一个侧板记为侧板A，侧板A的内壁与透明玻璃板(601)的一侧边缘齐平；

所述透明土模型箱(1)的侧板A上开设有竖直的矩形槽(101)，矩形槽(101)贯穿侧板A的内外壁以及上下边缘；

所述矩形槽(101)的两个竖直边缘上均开设有滑槽Ⅰ(102)，滑槽Ⅰ(102)贯穿侧板A的上下边缘；

所述隧道上浮模拟装置(3)为竖直设置的矩形板，隧道上浮模拟装置(3)上开设有圆形通孔，密封圆环(301)安装在隧道上浮模拟装置(3)的圆形通孔内；

所述隧道上浮模拟装置(3)的两个竖直边缘上均设置有条形滑块Ⅰ(302)，条形滑块Ⅰ(302)的上下端分别与隧道上浮模拟装置(3)的上下端齐平，条形滑块Ⅰ(302)与滑槽Ⅰ(102)相匹配；

所述隧道上浮模拟装置(3)上的两个条形滑块Ⅰ(302)分别与矩形槽(101)竖直边缘上的两个滑槽Ⅰ(102)配合安装，隧道上浮模拟装置(3)的上下端分别伸出侧板A的上下边缘；

所述盾构机模拟装置(2)包括盾体模拟模型(201)、刀盘模拟装置(202)和刀盘驱动模拟装置(203)；

所述盾体模拟模型(201)包括盾体模型(2011)和两个凸块(2012)，盾体模型(2011)为两端敞口的空心圆柱体结构，盾体模型(2011)的两端分别记为前端和后端，两个凸块(2012)固定在盾体模型(2011)的内壁上并靠近盾体模型(2011)的前端，两个凸块(2012)的连线穿过盾体模型(2011)的轴心；

所述刀盘驱动模拟装置(203)包括连接圆盘(2031)、驱动杆(2032)、驱动圆盘(2033)和推进杆(2034)，推进杆(2034)的两端分别固定在两个凸块(2012)上，推进杆(2034)的中点处开设有供驱动杆(2032)穿过的通孔，连接圆盘(2031)的中心处开设有供驱动杆(2032)穿过的通孔；

所述连接圆盘(2031)连接到驱动圆盘(2033)的一侧且两者同轴，驱动圆盘(2033)的直径与盾体模型(2011)的内径一致，连接圆盘(2031)的直径小于盾体模型(2011)的内径，连接圆盘(2031)和驱动圆盘(2033)安装在盾体模型(2011)内，驱动圆盘(2033)背向连接圆盘(2031)的一侧与盾体模型(2011)的前端面齐平；

所述刀盘模拟装置(202)安装在驱动圆盘(2033)背向连接圆盘(2031)的一侧；

所述驱动杆(2032)上设置有限位凸起(20321)，驱动杆(2032)的一端从后端伸入盾体模型(2011)并穿过推进杆(2034)和连接圆盘(2031)，限位凸起(20321)与推进杆(2034)抵紧，驱动杆(2032)伸出连接圆盘(2031)的一端与驱动圆盘(2033)连接；

所述盾体模型(2011)的前端穿过密封圆环(301)并埋设在透明土模型箱(1)内的透明土中，后端位于透明土模型箱(1)外侧；

所述盾构机前进驱动模拟装置(5)包括滑行板(501)、连接装置(502)、钢线(503)、两个发动机箱Ⅰ(504)、滚动装置(505)和矩形钢杆(506)；

所述滑行板(501)安装在地面上，连接装置(502)滑动连接在滑行板(501)上，连接装置(502)通过钢线(503)与滚动装置(505)连接，滚动装置(505)与两个发动机箱Ⅰ(504)内部的发动机连接，发动机驱动滚动装置(505)并通过钢线(503)带动连接装置(502)滑行，连接装置(502)的滑动方向垂直于透明土模型箱(1)的侧板A，竖直的所述矩形钢杆(506)的下端固定在连接装置(502)上；

所述盾构机前盾旋转模拟装置(4)包括发动机箱Ⅱ(401)，发动机箱Ⅱ(401)上设有矩形通孔(4011)和高度调节螺栓(4012)，矩形通孔(4011)与矩形钢杆(506)的截面尺寸相匹配，发动机箱Ⅱ(401)通过矩形通孔(4011)安装在矩形钢杆(506)上，驱动杆(2032)的端部伸入发动机箱Ⅱ(401)并与发动机箱Ⅱ(401)内部的发动机输出轴连接；

两台所述工业相机(7)均安装在地面上且分别位于透明土模型箱(1)相邻的两侧，其中一台工业相机(7)位于盾构机前进驱动模拟装置(5)的对立侧；

所述激光发射器(8)安装在透明玻璃板(601)的下方且与透明土模型箱(1)相对；

试验时，打开所述激光发射器(8)并调节两台工业相机(7)，通过盾构机前盾旋转模拟装置(4)使刀盘模拟装置(202)和刀盘驱动模拟装置(203)匀速转动，通过盾构机前进驱动模拟装置(5)使盾构机模拟装置(2)匀速前进，采用取土器将盾构机模拟装置(2)中挖出的透明土清理；开挖完成后，将所述盾构机前盾旋转模拟装置(4)、盾构机前进驱动模拟装置(5)和盾构机模拟装置(2)分离，静置盾构机模拟装置(2)，直至盾构机模拟装置(2)不再移动，工业相机(7)持续记录透明土散斑场的变化。