CN108181087B - 一种泥水盾构机冲刷实验系统及其应用的模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥水盾构机冲刷实验系统及其应用的模拟实验装置，包括水箱、第一进水管、第二进水管、回水管以及承压箱；第一进水管和第二进水管一端分别通过水泵与水箱连接，第一进水管另一端连接至承压箱，第一进水管上设有截止阀；第二进水管另一端与流量分配器连接，流量分配器的出水端通过若干分流管路连接至承压箱内布置的若干喷头；回水管与承压箱连接，回水管上设有自动背压阀。本发明能模拟盾构掘进过程中刀盘面板区域喷头冲刷情况，提供不同冲刷速度和水土压下刀盘冲刷能力模拟、不同盾构刀盘喷头数量以及不同结构喷头压力下刀盘喷头冲刷等方面研究的模拟实验台，从而为工程实践过程中刀盘面板冲刷系统设计提供更好的实施方案。

Description

一种泥水盾构机冲刷实验系统及其应用的模拟实验装置

技术领域

本发明属于盾构设备的实验装置，具体涉及一种泥水盾构机冲刷实验系统及其应用的模拟实验装置。

背景技术

近些年来，国内地下工程建设进入了快速发展阶段，其中泥水盾构掘进机已经广泛地应用于穿越江河湖泊、海洋隧道施工中，但泥水盾构机在复杂地层掘进过程中仍会遇到多种重大难题，其中亟待解决的问题之一便是盾构机刀盘泥饼胶结问题。当刀盘面板出现泥饼胶结现象时，盾构机容易出现刀具卡死、刀盘异常磨损、开挖仓区域碴土堆积等一系列问题，影响了盾构刀具切削能力，严重降低了盾构机掘进效率。针对泥饼胶结问题目前主要采取的解决措施是对刀盘掌子面上喷头数量、流量以及喷射方向进行地质适应性设计，但这种设计工作一般在工程开始之初便展开，由于缺乏科学性指导，单凭工程经验在设计过程中往往存在盲目性，故不能准确有效地解决泥饼胶结问题，且刀盘面板冲刷系统布置方案定型后在施工过程中往往无法进行修正，因此急需提供一种科学的设计方法指导工程实践。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有泥水盾构机的冲刷系统不能够准确解决泥饼胶结问题的技术难题，提供一种泥水盾构机冲刷实验系统及其应用的模拟实验装置，通过专门的实验设备模拟泥水盾构机的刀盘冲刷实验，对刀盘面板冲刷性能展开相应的科学研究。

本发明采用如下技术方案实现：

一种泥水盾构机冲刷实验系统，包括：

提供水源的水箱1；

形成泥水盾构机开挖仓压力环境的第一进水管11；

形成冲刷流场的第二进水管12；

以及回水管；

所述第一进水管11和第二进水管12一端分别通过水泵15与水箱1连接，所述第一进水管11另一端连接至泥水盾构机开挖仓压力环境，第一进水管11 上设有截止阀111；所述第二进水管12另一端与流量分配器121连接，所述流量分配器121的出水端通过若干分流管路122连接至泥水盾构机开挖仓压力环境内布置的若干喷头125；

所述回水管与泥水盾构机开挖仓压力环境连接，回水管上设有自动背压阀 131。

进一步的，所述分流管路122上均设有流量控制阀123和流量计124。

进一步的，所述第一进水管11和第二进水管12通过叉管的形式并联连接在水泵15的出水端。

进一步的，所述回水管包括第一回水管13和第二回水管14，所述第一回水管13和第二回水管14分别回流连接至水箱1；

所述自动背压阀131设置在第一回水管13上；

所述第二回水管14上设置有泄压阀141，并且泄压阀141的开启压力大于自动背压阀131的最大调节开启压力。

进一步的，所述流量分配器121具有一个小端和大端的内腔通道，其中小端与第一进水管11连接，大端上均匀设置若干与分流管路122对接的接口；

所述流量分配器121的小端和大端之间通过圆弧过渡变径结构连接。

进一步的，还具有控制泥水盾构机开挖仓压力环境和冲刷流场的控制组件，包括设置在电控柜24内的PLC控制器21、触控屏22和变频器23；

所述PLC控制器21的输出端分别连接至自动背压阀131和泄压阀141，所述PLC控制器21的输出端通过变频器23连接至水泵15，所述流量计124以及泥水盾构机开挖仓压力环境连接的压力表连接至PLC控制器21的输入端，所述触控屏22连接至PLC控制器21的输入端。

本发明还公开了一种上述泥水盾构机冲刷实验系统应用的模拟实验装置，包括：

泥水盾构机冲刷实验系统；

模拟泥水盾构机开挖仓压力环境的承压箱3；

以及，观察监测泥水盾构机开挖仓压力环境区域流场的粒子图像测速仪5；

泥水盾构机的刀盘面板4通过脚架306固定架设在承压箱3内部，所述承压箱3为密封的箱体，分别与第一进水管11、第二进水管12、第一回水管13 和第二回水管14连通，并一同固定架设在支架31上；

所述承压箱3其中一个侧面上固定设置若干接头与箱体外侧的分流管路122 固定对接，所述承压箱3内部设置若干连接软管305与分流管路122对接的接头一一连接，所述软管305连接至固定分布在刀盘面板4上的喷头125；

所述粒子图像测速仪5架设在承压箱3的一侧，对承压箱内部的压力环境区域的流场进行监测。进一步的，所述承压箱3上还设有透明的观察窗301；

所述承压箱3的顶部设置可打开的盖板302，用于更换喷头125，所述盖板 302与承压箱3的本体之间通过法兰结构和密封垫片实现密封锁紧；

所述承压箱3一侧面设置为可打开的外层压板303，用于安装更换刀盘面板 4，所述外层压板303与承压箱3的本体之间设置密封垫片，并通过若干组加强杆304和螺母组件锁紧连接；

进一步的，所述喷头125包括垂直喷头和可旋转角度的直角拐弯喷头。

在本发明的模拟实验装置中，所述承压箱3背部设置连接内部压力环境的压力计307，所述压力计307与PLC控制器21的输入端连接。本发明为指导实际施工过程中盾构刀盘面板喷头结构设计，提供了一种用于盾构刀盘面板冲刷模拟实验方案，通过可视化系统定量观测研究刀盘的冲刷系统喷头结构对刀盘掌子面区域流场的影响。实验过程中可以调整喷头的数量、布置方式、喷射方向和喷射流量，采用直接观测或采用粒子图像测速仪定量获取并分析刀盘掌子面区域流场，以此确定最不易产生泥饼的流场，有效降低泥水盾构刀盘掌子面区域泥饼胶结产生率，从而为复杂地层下泥水盾构刀盘面板喷头结构设计提供实施方案，对盾构机面板冲刷系统设计研究具有重要的工程指导意义。

本发明由冲刷实验系统实现不同刀盘面板喷头布置方案，由回水管上设置的自动背压阀实现不同水土压力下刀盘面板喷头冲刷性能研究，由控制组件实现操作参数下刀盘面板喷头冲刷性能研究，由粒子图像测速仪实现刀盘面板喷头定性和定量化监测。

本发明模拟实验装置的的操作方法，步骤如下：

步骤一：在实验装置运行前，对刀盘面板以及面板上的喷头外表面用黑色船底漆涂黑，往水箱中添加一定量的示踪粒子；

步骤二：开启控制组件的总电源，设置水泵工作频率以及承压箱压力等参数，待冲刷实验装置中刀盘面板上喷头流量以及承压箱压力稳定后，开启粒子图像测速仪，通过对比刀盘面板测试区域示踪粒子分布浓度判断示踪粒子是否均匀分布以及示踪粒子是否需要补充；

步骤三：调节粒子图像测速仪的相机焦距，保证刀盘面板被测区域的示踪粒子清晰，并对比相邻两帧图像，使两帧图像光强基本相同，采用标定板对粒子图像测速仪进行标定；

步骤四：根据实际需求设定粒子图像测速仪中同步器、激光器、相机等测试参数，并开始采样；

步骤五：调节自动背压阀以及流量控制阀开度实现不同压力、喷头喷射速度以及不同喷头数量的工况下刀盘面板面板喷头冲刷性能研究，重复步骤三和四，直至全部工况下刀盘面板喷头流场采集完成；

步骤六：更换刀盘面板喷头其他设计方案，重复步骤二到六，直至全部测试方案的流场分布通过粒子图像测试仪器全部采样完成；

步骤七：切断水泵电源，让承压箱中清水回流至水箱中，对水箱中的清水进行排放。

本模拟实验装置通过变频电机实现冲刷实验系统的流量控制，通过PLC控制器实现分流系统流量和承压箱压力参数的监测以及水泵工作频率的调节，通过流量调节阀实现各分流管路流量控制，通过调节自动背压阀实现承压箱压力控制，通过泄压阀与PLC控制器实现泄压控制，通过上述控制策略实现不同水土压力、不同喷头结构条件下盾构刀盘冲刷性能研究。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明的实验装置根据盾构刀盘实际模型按照1：10尺寸设计，刀盘横截面区域流动面积为2.25m²，是可以针对刀盘面板冲刷系统进行定量研究的实验装置。该模拟装置操作方便，安全可靠，既能模拟实际施工过程中盾构刀盘面冲刷性能，又可以通过研究刀盘喷头数量、掌子面水土压力为盾构刀盘冲刷系统实际工程设计提供科学应对策略，从而为真实隧道施工提供更好的实施方案。

(2)在盾构刀盘冲刷系统冲刷性能模拟方面，本发明实验系统通过真实模拟盾构刀盘的冲刷过程，实时记录刀盘冲刷过程中刀盘面板流场演化特征；设计了一套能够调节的刀盘面板喷头冲刷系统，能够人工更换喷头数量以及喷头喷射方向；采用泄压阀以及PLC控制器防止实验装置因承压力过大对器件造成破坏。

(3)在刀盘冲刷系统监测方面，本发明提供两种类型的监测方式，其一为参数化监测，通过设置在分流系统的电磁流量计和承压箱上的压力计监测冲刷过程中进水管、回水管的水力参数变化规律，其中相关监测参数可以通过PLC 控制电路反馈到控制柜显示屏上；视觉化监测主要通过承压箱上的有机玻璃观察窗以及安装的粒子图像测速仪，实现刀盘掌子面区域流场的宏观化与定量化监测。

由上所述，本发明提供了一套等比例缩小的泥水盾构刀盘面板的冲刷实验系统及其应用的模拟实验装置，对刀盘上方安装的喷头数量、流量以及喷射角度进行定量控制，准确揭示冲刷流场变化规律，通过观测面和粒子图像测速仪获取刀盘面板区域喷头喷射流场，可以通过对刀盘面板冲刷性能展开相应的科学研究。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的泥水盾构机冲刷实验系统的连接示意图。

图2为实施例中的模拟实验装置的正视图。

图3为实施例中的承压箱的俯视图。

图4为实施例中的承压箱的侧视图。

图中标号：

1-水箱，

11-第一进水管，111-截止阀，

12-第二进水管，121-流量分配器，122-分流管路，123-流量控制阀，124- 流量计，125-喷头；

13-第一回水管，131-自动背压阀，

14-第二回水管，141-泄压阀，

15-水泵，

21-PLC控制器，22-触控屏，23-变频器，24-电控柜

3-承压箱，301-观察窗，302-盖板，303-外层压板，304-加强杆，305-连接软管，306-脚架，307-压力计，

31-支架，

4-刀盘面板，

5-粒子图像测速仪。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的一种泥水盾构机冲刷实验系统及其模拟实验装置为本发明的优选方案，其中冲刷实验系统能够提供泥水盾构机的压力环境和冲涮流场，结合模拟实验装置中的承压箱模拟泥水盾构机在实际工况下的冲刷实验。

具体参见图1，本实施例中的冲刷实验系统包括水箱1、第一进水管11、截止阀111、第二进水管12、流量分配器121、分流管路122、流量控制阀123、流量计124、喷头125、第一回水管13、自动背压阀131、第二回水管14、泄压阀141、水泵15。

其中，水箱1用于提供水源，第一进水管11 通过水泵15将水箱内的水注入形成泥水盾构机的压力环境，第二进水管12 通过水泵15将水箱内的水输送至喷头形成泥水盾构机刀盘面板4的冲刷流场。第一进水管11和第二进水管12一端分别通过水泵15与水箱1连接，第一进水管11另一端连接至模拟泥水盾构机的压力环境的承压箱3，第一进水管11上设有截止阀111；第二进水管12另一端与流量分配器121连接，流量分配器121的出水端通过若干分流管路122 连接至承压箱3内布置的若干喷头125，分流管路122上均设有流量控制阀123 和流量计124，用于实时控制和监测冲刷的流量。回水管包括第一回水管13和第二回水管14，第一回水管13和第二回水管14连通承压箱3和水箱1，用于承压箱3内的水箱回流。其中，在第一回水管13上设置自动背压阀131，用于实时调整承压箱3内的压力，并对承压箱3模拟的压力环境进行压力保持；第二回水管14上设置有泄压阀141，并且泄压阀141的开启压力大于自动背压阀 131的最大调节开启压力，用于背压阀131失效后，保护承压箱不会因为压力过大而损坏。

本实施例的冲刷实验系统还具有控制泥水盾构机的压力环境和冲刷流场的控制组件，包括设置在电控柜24内的PLC控制器21、触控屏22和变频器23；其中，PLC控制器21的输出端分别连接至自动背压阀131和泄压阀141，用于控制背压阀131的开度调节以及泄压阀141的压力设定，PLC控制器21的输出端通过变频器23连接至水泵15，实现水泵15的变频控制，流量计124以及泥水盾构机的压力环境连接的压力表连接至PLC控制器21的输入端，用于实时监测承压箱3内部的压力，触控屏22连接至PLC控制器21的输入端，用于输入实验过程中的不同的设定压力和流量值。具体关于PLC的控制原理电路为常用的自动编程控制技术，本实施例在此不对其具体控制电路设计进行赘述。再如图2所示，图示中的实验装置为应用图1中的冲刷实验系统进行泥水盾构机刀盘面板冲刷实验的实验设备，具体包括图1中的冲刷实验系统以及承压箱3、观察窗301、盖板302、外层压板303、加强杆304、连接软管305、脚架306、压力计307、支架31和粒子图像测速仪5。

其中，泥水盾构机冲刷实验系统形成承压箱3内的泥水盾构机压力环境和冲刷流场，承压箱3则作为模拟该压力环境的主体结构，粒子图像测速仪5对压力环境下的流场粒子进行观察监测。泥水盾构机的刀盘面板4通过脚架306 固定架设在承压箱3内部，承压箱3为密封的箱体，分别与第一进水管11、第二进水管12、第一回水管13和第二回水管14连通，并一同固定架设在支架31 上；在承压箱3靠近水箱1的侧面上固定设置若干接头与箱体外侧的分流管路 122固定对接，承压箱3内部设置若干连接软管305与分流管路122对接的接头一一连接，软管305连接至固定分布在刀盘面板4上的喷头125，喷头125包括垂直喷头和可旋转角度的直角拐弯喷头。粒子图像测速仪5架设在承压箱3的另一侧，对承压箱内部的压力环境的流场进行拍摄监测。承压箱3背部设置连接承压箱内部压力环境的压力计307，压力计307与PLC控制器21的输入端连接。结合图3和图4，承压箱3上还设有透明的观察窗301，同时，在承压箱3 的顶部设置可打开的盖板302，打开盖板302可用于更换喷头125，盖板302与承压箱3的本体之间通过法兰结构和密封垫片实现密封锁紧；承压箱3靠近粒子图像测速仪5的一侧面设置为可打开的外层压板303，拆卸打开外层压板303 可用于整体安装更换刀盘面板4，外层压板303与承压箱3的本体之间设置密封垫片，并通过若干组加强杆304和螺母组件将外层压板303和承压箱之间拉紧连接。

在本实施例中的冲刷实验系统中，流量分配器121具有一个小端和大端的内腔通道，其中小端与第一进水管11连接，大端上均匀设置若干与分流管路122 对接的接口；流量分配器121的小端和大端之间通过圆弧过渡变径结构连接。本实施例的刀盘面板4按照与泥水盾构机1：10的比例进行设计，刀盘横截面区域流动面积为2.25m²，模拟隧道水土压力范围为0-1.0MPa，模拟刀盘喷头数量为1-9可调，模拟喷头喷射速度为0-5m/s，模拟喷头旋转角度为0-270°。

具体的，刀盘面板4为圆状，刀盘面板4直径为1m，外圆周均匀留有五个开口槽，开口槽尺寸为0.2m*0.3m，四个脚架306以45°、135°、225°、315°四个方位固定在承压箱3中，承压箱的观察窗301采用M10螺纹连接；连接冲刷实验系统的喷头共有九个，其中喷射方向垂直于刀盘面板的垂直喷头共有五个，喷射方向平行于刀盘面板的直角拐弯喷头共有四个，直角拐弯喷头可进行0-270°旋转，在直角拐弯喷头的周圈刻有角度标识，喷头具体的安装位置由实际需求而定，具体结构为市面上采购的喷头成品，喷头数量和位置以及结构可以根据实际测试需求而定；连接软管305用于连通冲刷喷头和承压箱3背板上固定的流量计124，流量计124连接分流管路122，并固定安装于承压箱背板上的接口上，采用电磁流量计，连接软管305的连接长度为0.8m，略大于刀盘面板4到承压箱3背板的距离。

承压箱3采用有机玻璃箱，在承压箱3的正面、左右两侧以及顶部设置透明的有机玻璃观察窗301，其中正面观测面的尺寸为1.5m*1.5m，左右两侧观测面的尺寸为1.5m*0.5m，顶部观测面的尺寸为1.5m*0.5m，有机玻璃观察窗301 与承压箱3之间采用M10螺纹连接，承压箱3整体固定架设在支架31上方，在实验装置运行过程中实验员可以直接通过有机玻璃的观察窗301观测刀盘面板4 处垂直喷头与直角拐弯喷头的喷射效果，通过拆卸顶部的有机玻璃观察窗还可以对刀盘面板4处的直角拐弯喷头的角度进行调节。承压箱3顶部通过法兰连接设置直径0.25m的盖板302，当刀盘面板4上喷头需要更换时，实验员通过开启盖板302可以对刀盘面板4背部更换喷头。承压箱3的背板上则焊接了九个法兰盘，用于连接对应九条分流管路上的电磁流量计，承压箱3前部区域开设槽口用于安装该区域的有机玻璃观察窗。刀盘面板4位于承压箱内靠近前部区域，以便观测。承压箱3的其他区域由铁板焊接而成，以提高箱体整体结构。

承压箱3的密封主要通过使用外层压板303、加强杆304以及有机玻璃观察窗301和盖板302上的密封橡胶条进行密封，其中外层压板303为井字形架构，工作尺寸为1.5m*1.5m，端部伸出承压箱3外周用于连接加强杆，顶部的盖板 302处密封采用法兰盘与密封橡胶垫通过螺栓组件连接实现；加强杆304 为圆棍状，加强杆304直径为0.08m，两端车有螺纹，均布在承压箱3两侧，每侧各两根，加强杆304的一端与承压箱3上固定螺接，另一端则穿过外层压板303通过螺母锁紧，将外层压板303和承压箱3之间的密封胶条压紧；而在承压箱3 连接进水管和回水管的连接处主要采用密封橡胶垫密封，密封橡胶垫的规格由管道截面尺寸而定。分流管路122与流量分配器121间的连接主要采用螺纹紧固密封，分流管路122管径为10mm，分流管路122与流量计124间通过法兰盘螺纹连接方式密封，流量计124通过螺纹压紧衬里材料自密封装配在承压箱3 背板的法兰盘上；通过上述密封形式保证了冲刷实验装置在承受1MPa压力下不出现漏水等问题，能够实现不同水土压力下刀盘面板上喷头流场模拟。

承压箱3内部模拟的泥水盾构机压力环境的保压包括主动保压和被动保压两种方式，其中主动保压是通过调节第一回水管13上的自动背压阀131阀门开度实现，本实施例的自动背压阀131开度调节范围是0-0.06m，其安装在承压箱 3背板上侧，与第一回水管13对接。被动保压则是通过第二回水管14上的泄压阀141和PLC控制器21，泄压阀141位于承压箱3背板下侧，通过泄压阀141 与水箱1底部连接，本实施例的泄压阀141卸荷压力设定为0.9MPa，大于自动背压阀131调节的最大背压，同时略小于承压箱3的极限承压，承压箱3内压力会通过泄压阀141进行泄压，当实验装置在电路失灵的情况下能够实现过载保护，同时通过PLC控制器21设定系统压力警戒值，通过承压箱3上的压力计 307监测承压箱的实时压力，压力计307安装在承压箱3的背板上部，采用法兰连接，测量量程为0-2.0MPa，测量精度是0.01MPa，压力计307将承压箱3压力反馈到PLC控制器21实现实验台保压和泄压的功能，当工作压力超过警戒压力时系统会自动切断水泵15的电源并发出警报，从而防止承压箱3因为压力过大而引发炸裂等失效现象。

本实施例的水箱1采用不锈钢水箱，设计尺寸为2.5m*1.8m*1.2m，供应水量为5m³，不锈钢水箱的顶部开设有直径为0.7m的进水孔，通过外置橡胶管将水送入不锈钢水箱中，不锈钢水箱左侧底部装有DN20的排水阀，不锈钢水箱的右侧装有磁性液位计，通过磁力和浮力的作用对不锈钢水箱水位进行标定；不锈钢水箱的下部居中处装有主进水管路，水泵15设置在住进水管路上，然后以叉管形式分化为第一进水管11和第二进水管12，其中第一进水管11与承压箱3底部以法兰盘方式连接，为承压箱3提供水量补给，建立承压箱内的压力环境，第二进水管12垂直于第一进水管11，与流量分配器121连接，为刀盘面板4上的喷头喷射提供水量补给，建立刀盘面板在压力环境下的冲刷流场，在第一进水管11上装有截止阀111，在承压箱3内的压力环境恒定后，可关闭截止阀111，实现两进水管之间的独立供水；第一回水管13安在不锈钢水箱靠近磁性液位计一侧，当承压箱3满仓时起回流作用，第一回水管13上装有自动背压阀131，起到保压作用。

本实施例的流量分配器121安装在分流管路122与第二进水管12之间，流量分配器121的小端与第二进水管12采用直径0.01m螺纹连接，大端开设九个阀孔与九个流量计124间通过九条硬管制成的分流管路122连接，流量分配器 121为变径管，小端的截面直径为0.35m，大端截面直径为0.45m，外壁采用弧状面板连接；分流管路122为钢管，管径为0.01m，采用Z字形结构弯折，弯折角度为110°，分流管路122连接流量计124一端采用法兰连接，连接流量分配器121一端采用V型开口螺纹连接；流量控制阀123安装在分流管路122上，采用M10螺纹连接；实验装置运行时通过流量分配器121将第二进水管12中水量分配到每个喷头上，通过分流管路122引向各喷头，由流量控制阀123控制对应喷头处喷射流量。

本实施例的喷头125为九个，对应的流量计124也分别为九组，分别与垂直喷头和直角拐弯喷头一一连接，并与分流管路122对接，流量计124用于测量喷头的喷射流量，量程范围为0-10m³/h，测量精度为0.01m³/h。实验过程中流量计124将流量信号反馈到电控柜提供给实验员记录和观测。

本实施例的触控屏22安装在电控柜24上，触控屏22的操作界面尺寸为 0.2m*0.15m，分辨率为640*480，通过PLC控制器21将实验台流量、压力、电机工作频率等信息反馈到触控屏22的操作界面，实验员可以观测到相关的运行参数并对其进行相关参数的设定和调节；变频器23和PLC控制器21安装在电控柜24中，变频器23拥有手动调节和电信号调节两种方式，频率调节范围为 0-55Hz，调节精度为1Hz，PLC控制器21与软件对接将实验装置流量计124、压力计307、电机频率反馈到触控屏22上，并对自动背压阀131阀门开度等参数进行调控。

粒子图像测速仪5安装在正面有机玻璃观察窗前方0.5m距离处，粒子图像测速仪5由配套的激光器、相机等构成，可以定量化捕捉刀盘面板4上喷头喷射区域的流场运动轨迹与流速分布情况。

通过本实施例进行盾构刀盘面板喷头冲刷流场捕捉实验的具体操作步骤如下：

步骤一：在实验台工作前，对承压箱3中刀盘面板4以及刀盘面板4上的垂直喷头与直角拐弯喷头外表面采用黑色船底漆涂黑处理，往水箱1中灌水，当液位达到三分之二处时便可停止灌水，从进水孔中往水箱1中添加示踪粒子，其中示踪粒子采用空心玻璃珠，空心玻璃珠平均粒径为1.5mm，密度 1.2x10³kg/m³，添加量为水箱1容积的四份之一量；

步骤二：启动电控柜24中电源主开关，依次设定触控屏22中警戒压力、自动背压阀131阀门开度以及水泵15启动频率；确认操作参数无误后，检查流量控制阀123以及截止阀111是否开启，然后启动水泵15，通过第一进水管11 往承压箱3中注水，当承压箱3满仓时，关闭截止阀111，停止第一进水管11 进水，第二进水管12保持进水，当触控屏22上显示的实验装置承压箱3压力以及刀盘面板4上喷头流量趋于稳定时开启粒子图像测速仪5，通过对比刀盘面板4流场测试区域示踪粒子分布浓度可以判断示踪粒子是否均匀分布以及示踪粒子添加量是否合适；

步骤三：将粒子图像测速仪5中相机光圈数调到最大，通过相机控制模块以及软件界面确定相机拍摄图像效果，根据拍摄区域光线对相机焦距等参数进行调节，确保刀盘面板4被测流场区域的示踪粒子图像清晰，采用标定板对粒子图像测速仪5测试精度进行标定；

步骤四：开启分析软件，对刀盘面板4的被测流场区域图像进行数据相关性分析，根据效果对粒子图像测速仪5中的同步器、激光器、等测试器械的参数进行调整，然后保存图像；

步骤五：调节自动背压阀131开度能够研究刀盘面板4上喷头在不同水压下喷头冲刷性能，调节流量控制阀123以及水泵15电机工作频率能够研究刀盘面板4上喷头在不同喷射速度工况下冲刷性能，重复步骤三和四，直至全部工况下刀盘面板4上喷头流场采集完成；

步骤六：拆除顶部有机玻璃观测面或者承压箱顶部盖板302对刀盘面板4 上喷头以及刀盘面板4进行更换，对刀盘面板4上喷头其他设计方案进行实验，重复步骤二到六，直至全部测试方案的流场分布通过粒子图像测试仪器全部采样完成；

步骤七：切断水泵15电源，开启第一进水管11上截止阀111，让承压箱3 中清水自动回流到不锈钢水箱1中，开启排水阀对不锈钢水箱中清水进行排放。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。

Claims (10)

1.一种泥水盾构机冲刷实验系统，其特征在于包括：

提供水源的水箱(1)；

形成泥水盾构机开挖仓压力环境的第一进水管(11)；

形成冲刷流场的第二进水管(12)；

以及回水管；

所述第一进水管(11)和第二进水管(12)一端分别通过水泵(15)与水箱(1)连接，所述第一进水管(11)另一端连接至泥水盾构机开挖仓压力环境，第一进水管(11)上设有截止阀(111)；

所述第二进水管(12)另一端与流量分配器(121)连接，所述流量分配器(121)的出水端通过若干分流管路(122)连接至泥水盾构机开挖仓压力环境内布置的若干喷头(125)；

所述回水管与泥水盾构机开挖仓压力环境连接，回水管上设有自动背压阀(131)。

2.根据权利要求1所述的一种泥水盾构机冲刷实验系统，所述分流管路(122)上均设有流量控制阀(123)和流量计(124)。

3.根据权利要求2所述的一种泥水盾构机冲刷实验系统，所述第一进水管(11)和第二进水管(12)通过叉管的形式并联连接在水泵(15)的出水端。

4.根据权利要求2所述的一种泥水盾构机冲刷实验系统，所述回水管包括第一回水管(13)和第二回水管(14)，所述第一回水管(13)和第二回水管(14)分别回流连接至水箱(1)；

所述自动背压阀(131)设置在第一回水管(13)上；

所述第二回水管(14)上设置有泄压阀(141)，并且泄压阀(141)的开启压力大于自动背压阀(131)的最大调节开启压力。

5.根据权利要求1所述的一种泥水盾构机冲刷实验系统，所述流量分配器(121)具有一个小端和大端的内腔通道，其中小端与第一进水管(11)连接，大端上均匀设置若干与分流管路(122)对接的接口；

所述流量分配器(121)的小端和大端之间通过圆弧过渡变径结构连接。

6.根据权利要求4所述的一种泥水盾构机冲刷实验系统，还具有控制泥水盾构机开挖仓压力环境和冲刷流场的控制组件，包括设置在电控柜(24)内的PLC控制器(21)、触控屏(22)和变频器(23)；

所述PLC控制器(21)的输出端分别连接至自动背压阀(131)和泄压阀(141)，所述PLC控制器(21)的输出端通过变频器(23)连接至水泵(15)，所述流量计(124)以及泥水盾构机开挖仓压力环境连接的压力表连接至PLC控制器(21)的输入端，所述触控屏(22)连接至PLC控制器(21)的输入端。

7.权利要求6的泥水盾构机冲刷实验系统应用的模拟实验装置，其特征在于包括：

权利要求6中的泥水盾构机冲刷实验系统；

模拟泥水盾构机开挖仓压力环境的承压箱(3)；

以及，观察监测泥水盾构机开挖仓压力环境内流场的粒子图像测速仪(5)；

泥水盾构机的刀盘面板(4)通过脚架(306)固定架设在承压箱(3)内部，所述承压箱(3)为密封的箱体，分别与第一进水管(11)、第二进水管(12)、第一回水管(13)和第二回水管(14)连通，并一同固定架设在支架(31)上；

所述承压箱(3)其中一个侧面上固定设置若干接头与箱体外侧的分流管路(122)固定对接，所述承压箱(3)内部设置若干连接软管(305)与分流管路(122)对接的接头一一连接，所述软管(305)连接至固定分布在刀盘面板(4)上的喷头(125)；

所述粒子图像测速仪(5)架设在承压箱(3)的一侧，对承压箱内压力环境区域流场进行监测。

8.根据权利要求7所述的模拟实验装置，所述承压箱(3)上还设有透明的观察窗(301)；

所述承压箱(3)的顶部设置可打开的盖板(302)，用于更换喷头(125)，所述盖板(302)与承压箱(3)的本体之间通过法兰结构和密封垫片实现密封锁紧；

所述承压箱(3)一侧面设置为可打开的外层压板(303)，用于安装更换刀盘面板(4)，所述外层压板(303)与承压箱(3)的本体之间设置密封垫片，并通过若干组加强杆(304)和螺母组件锁紧连接。

9.根据权利要求7所述的模拟实验装置，所述喷头(125)包括垂直喷头和可旋转角度的直角拐弯喷头。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的模拟实验装置，所述承压箱(3)内部连接设置压力计(307)，所述压力计(307)与PLC控制器(21)的输入端连接。