CN108414259B - 一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，包括模型箱和模型盾构机两部分。模型盾构机包括盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统、支护系统和压力监测系统。模型箱中间位置可装卸的隔板，将模型箱分为体积相等的两部分。通过将衬砌固定在盾壳上完成盾构机掘进过程中的衬砌支护功能。在盾构机刀盘上布置土压力和水压力传感器，通过无线发射和接收装置实时发射和采集开挖面的土压力和水压力数据。衬砌外侧布置的土压力和水压力传感器，传感器引线从衬砌外侧引线槽引出，直接与外部数据采集装置连接。本模型盾构试验机既可以模拟盾构机的掘进过程，又可以模拟其衬砌支护功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，属于盾构施工技术领域。
背景技术
盾构法修建隧道具有施工速度快、噪音小、不影响地面交通，是城市修建地铁隧道建设的首选。但盾构法施工也不可避免的对周围地层和环境产生影响，开展现场试验周期长、成本高、受地层条件影响大，因此采用模型盾构机开展隧道开挖模拟试验是一种重要的研究方法。为了在实验室中更好地研究盾构掘进施工对周围环境的影响，国内外很多学者对模型盾构试验机进行了研究，如Nomoto(1999)等人研制的可进行离心试验的小型盾构机、Champan(2006)等人建立的适用于黏土的小模型盾构机、以及国内上海隧道股份有限公司(1996)研制的小盾构模拟试验台、上海隧道股份有限公司联合浙江大学、同济大学等(2004)研制的大直径模型盾构机、同济大学(2006)研制的双壳单螺旋模型盾构、北京交通大学(2007)研制的土压平衡盾构设备、何川(2013)研制的小直径泥水平衡盾构机，山东大学(2016)研制的小直径泥水平衡盾构等，这些模型盾构试验机都可以较好的模拟盾构的掘进过程，但是不能实现盾构施工中的管片支护功能，也不能实现刀盘和衬砌压力的监测。上海大学(2013)设计了一种可实现衬砌支护功能的土压平衡盾构试验装置，但该试验系统设计较为简单，与真实盾构机相差较大，且土压舱的设计仅适用于流塑性较好的软粘土，适用范围有限，但该盾构机也不能实现刀盘和衬砌压力的监测。同济大学(2013)设计了一种可以进行开挖面稳定试验研究的模型盾构机，但该盾构机不能实现顶进功能。因而设计一种既能真实模拟盾构机掘进和衬砌支护功能，又能实现刀盘和衬砌压力的监测功能的土压平衡模型盾构试验机十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供可一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡模型盾构试验系统，能真实模拟盾构机掘进和衬砌支护功能，能实现刀盘和衬砌压力的监测功能，可以实现多种复杂地质条件下盾构隧道开挖模拟试验。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，包括模型箱和模型盾构机两部分。模型盾构机包括盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统、支护系统和压力监测系统。
模型箱(1)为长方体结构，由底座(39)、箱壁a、箱壁b(41)、箱壁c(42)、箱壁d(43)五部分组成。箱壁a、箱壁b(41)、箱壁c(42)、箱壁d(43)顺次连接组成外围结构，底座(39)设置在外围结构的底部；箱壁b(41)上设置前预留开挖孔(26)，箱壁d(43)上后预留开挖孔(27)。箱壁c(42)由两扇可开关的侧门(44)组成，侧门(44)可绕安装于两侧的合页(45)旋转，从而实现侧门(44)的开关，侧门(44)上设置有观察窗，观察窗用来观测围岩内部水位的变化。箱壁c(42)的内侧设置一圈钢梁(46)，为保证试验过程中箱壁(42)的强度，填土之前用高强螺栓(47)将两扇门固定在钢梁(46)上。模型箱(1)内部中央位置安装有隔板(48)，通过卡槽(49)将隔板(48)固定在模型箱(1)中部，隔板(48)能够自由拆卸。为保证试验过程中隔板(48)的强度，用螺栓将其固定在卡槽(49)上。隔板(48)上设置开挖孔(50)，开挖孔(50)的直径与前预留开挖孔(26)、后预留开挖孔(27)相同。
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)通过刀盘驱动轴(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。模型盾构机经过前预留开挖孔(26)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)、四根导向光轴(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)连接，两根导向光轴(10)与隧道纵向中心线保持平行，模型盾构机沿导向光轴(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)的内径比盾壳外径稍大，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用螺栓将衬砌(18)固定在盾壳外，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆。衬砌(18)和盾壳(3)连接处设有拼装式套环，通过拼装式套环将衬砌(18)和盾壳(3)固定在一起，防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙。刀盘(5)直径与衬砌(18)直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm。刀盘(5)能够自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔(27)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)和拼装套环拆卸后，将模型盾构机原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护。
压力监测系统包括压应力传感器(28)、渗压计(29)、无线发射器(30)。刀盘(5)上布置五个压应力传感器(28)和三个渗压计(29)，其中一组压应力传感器(28)、渗压计(29)布置在刀盘(5)的中心，其余压应力传感器(28)、渗压计(29)布置在刀盘外围周向位置。刀盘轴承(6)前部为中空结构，压应力传感器(28)、渗压计(29)的引线通过刀盘(5)背面线槽(31)进入刀盘轴承(6)内部，并与刀盘轴承(6)后部的无线发射器(30)连接。无线发射器(30)固定在刀盘轴承(6)末端。无线发射器(30)将压力传感器的电信号装换成无线信号发射出去，无线接收装置再将无线信号转换成电信号，通过解调仪器将电信号转换成压力数据进行存储。衬砌上安置压应力传感器(28)和渗压计(29)，通过在衬砌上设置传感器安置孔(36)将压应力传感器(28)和渗压计(29)镶嵌在衬砌上，压应力传感器(28)、渗压计(29)引线镶嵌在衬砌上的引线槽(37)内，并在衬砌尾部将其引出并与数据采集装置连接。
衬砌(18)选用PE管材。
进行大模型试验时将隔板(48)拆卸，通过隔板(48)上部的吊装孔(51)用吊车将其移出至模型箱外部。进行小模型试验时再将隔板(48)安装在模型箱(1)内部。
侧门(44)与钢梁(46)连接的部位设置密封圈，隔板(48)与卡槽(49)连接的位置也设置密封圈，连接缝隙的位置用密封胶进行密封，使模型箱(1)具有密封性。
盾构机底座(23)的底部安装有重型支撑脚万向轮(24)，重型支撑脚万向轮(24)着地时实现盾构机的移动。模型箱(1)位置固定后，将盾构机移动至匹配位置，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(38)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(34)与模型箱(1)连接在一起，浮动支撑连接板(34)上设置顶进丝杠安装孔。盾构机底座(23)后方设置有反力架(13)，反力架(13)和模型箱(1)之间设置两根平行布置的导向光轴(10)，模型盾构机始发后沿导向光轴(10)向前掘进。
刀盘(5)为辐板式刀盘，开口率根据模型箱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。
拼装式套环包括前拼装式套环(21)和后拼装式套环(22)，拼装式套环的外径都与衬砌(18)内径相同，拼装式套环由四块拼装而成，前拼装式套环(21)通过螺栓固定在隔板(4)上，后拼装式套环(22)由螺栓固定在盾壳(3)上。
浮动支撑(2)的设置有导向光轴的安装孔(25)和顶进丝杠安装孔(34)，中心开挖孔安装五个轴承，既能防止盾构机掘进方向发生偏离，同时减小掘进中的阻力。
开挖系统、顶进系统和出土系统都为独立控制。开挖系统中可实时采集和记录刀盘的转速和扭矩，以刀盘转速为控制参量，刀盘可实现正反转功能。顶进系统中能实时采集和记录顶进速度、顶进位移和顶进力，以顶进速度作为控制参量，试验过程中可实现盾构机的前进、停机和后退功能。出土系统中可实时采集和记录螺旋出土器的转速，并以此作为控制参量，螺旋出土器也可实现正反转功能。各系统参数通过控制台进行控制和监测。
压应力传感器(28)、渗压计(29)高精度高、直径小，均为后出线式，嵌入刀盘辐板内部，感应面与辐板表面齐平，刀盘(5)和刀盘轴承(6)引线槽内传感器的引线用胶封装在其内部。无线传感器随刀盘同步旋转，避免刀盘传感器的引线发生绞断。衬砌(18)上设置三个土压力和水压力监测截面，每个监测截面上均匀布置八个压应力传感器和四个渗压计(29)。在衬砌外部设置引线槽(37)，压应力传感器的引线用胶固定在引线槽(37)内。
本发明的工作过程和工作原理是：
试验开始之前，先将模型箱两侧门关闭，用螺栓将其固定在钢梁上，封闭后开挖孔，将模型箱与盾构机连接在一起，并将衬砌固定在盾壳外部，使衬砌和盾壳截面保持同心。若开展大模型试验，将隔板从模型箱内部吊出。先在模型箱底部平铺一层砾石，保证能将底部的进水管道全部覆盖，防止填土过程中管道出水孔堵塞。然后按填土方案向模型箱内部填土，土体内埋有土压力盒、渗压计和位移计，这些传感器均与数据采集及处理装置相连。围岩填筑完成后，使盾构机向前顶进至刀盘与预留开挖面恰好接触，密封前预留开挖孔。调整水箱高度，启动水泵向水箱内注水，控制模型箱内自由液面的位置。模型箱内部填土饱和完成后，启动加载系统进行加载。加载到指定压力后，启动盾构机进行隧道开挖，并采集记录各项数据。刀盘驱动电机通过刀盘驱动轴带动刀盘旋转，实现对前方土体的切削。顶进电机通过同步带轮带动两顶进丝杠同步旋转，以此带动移动滑块向前移动，使盾构机不断向前掘进。掘进过程中切削下来的土体进入刀盘和隔板之间的土压舱，螺旋出土器的进口伸入土压舱，出口与盾构机后部的排土口相连，启动螺旋出土器使渣土从土压舱排入渣土箱。在开挖过程中，刀盘上的压力传感器实时监测刀盘前方的土压力和水压力，通过无线发射和接收装置实时发射和采集刀盘和衬砌上的土压力和水压力数据。衬砌上的压力传感器监测衬砌外的土压力和水压力，传感器引线从衬砌和盾壳之间的空隙引出，直接与外部数据采集装置连接。开挖完成后，盾构机前端从后预留开挖孔出洞，采用固定法兰将衬砌固定在模型箱上，然后将刀盘拆卸，使盾构机沿掘进路线撤回，将衬砌留在开挖完成的隧道内，以此实现试验盾构机的掘进和支护功能。试验完成后，将侧门的固定螺栓全部取下，打开侧门，将模型箱内部的围岩材料取出。若开展小模型试验，则将隔板安装在模型箱中部，重复上述过程。
本发明的有益效果在于：
(1)本土压平衡模型盾构试验机既可以模拟掘真实盾构机的开挖掘进过程，又可以模拟盾构机掘进过程中的衬砌支护功能；
(2)本土压平衡模型盾构试验机可以实时监测刀盘前方和衬砌外部的土压力和水压力；
(3)采用该模型盾构机进行试验，可以进行盾构机掘进参数、盾构机掘进施工对地层及既有结构影响的研究，可以进行新建盾构隧道施工过程中及施工完成后衬砌受力、变形的研究，还可以进行盾构隧道开挖面稳定的研究；
(4)本隧道开挖模拟模型试验台可完成饱和地层、非饱和地层围岩条件，大埋深，不同开挖面形式等复杂条件下的三维隧道开挖模型试验；
(5)本隧道开挖模拟模型试验台可进行大、小两种尺寸的三维隧道开挖模型试验，尤其是可以同时进行两个小尺寸的三维隧道开挖模型试验；
(6)本土压平衡模型盾构试验机中顶进系统采用大功率电机驱动，盾构机机身长度相同时，掘进距离是以往采用液压油缸顶进的盾构机的2倍；
(7)本隧道开挖模拟模型试验台在试验完成后打开侧门，可以方便模型箱内围岩材料的清理。
(8)盾构机底座安装重型支撑脚万向轮，可以方便的实现盾构机的移动、定位和找平。
附图说明：
图1是本发明所述土压平衡盾构模型试验系统三维整体视图；
图2是本发明所述模型箱三维视图；
图3是本发明所述盾构机三维图；
图4是本发明所述刀盘压力传感器布置图；
图5是本发明所述刀盘背面线槽图；
图6是本发明所述衬砌压应力传感器布置图；
图7是本发明所述刀盘压力监测系统剖面视图；
图8是本发明所述土压舱隔板土压力盒布置图；
图9是本发明所述盾构机试验系统试验流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步具体描述：
如图1～图9所示，本发明所述可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，包括模型箱和模型盾构机两部分。模型盾构机包括盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统、支护系统和压力监测系统。
连接盾构机和模型箱：将模型箱固定在试验指定位置后，使盾构机底座的万向轮着地，将盾构机移动至匹配位置，然后使支撑脚着地，通过调节支撑脚的高度使盾构机底座和模型箱底座保持在同一水平面上。采用高强螺栓将盾构机和模型箱连接在一起。试验开始之前，试验开始之前先将模型箱两侧门关闭，用螺栓将其固定在钢梁上，并封闭后开挖孔。若开展大模型试验，将中央隔板从模型箱内部吊出。
安装衬砌：先将刀盘拆卸，用前、后拼装式套环将衬砌固定在盾壳外部，使衬砌和盾壳截面保持同心，衬砌安装完成后重新安装刀盘。
填筑围岩：然后在模型箱内填筑配置好的土体，用以模拟不同的围岩条件。先在模型箱底部平铺一层砾石，保证能将底部的进水管道全部覆盖，防止填土过程中管道出水孔堵塞。然后按填土方案向模型箱内部填土，土体内埋有土压力盒、渗压计和位移计，这些传感器均与数据采集及处理装置相连。围岩填筑完成后，使盾构机向前顶进至刀盘与预留开挖面恰好接触。
试验过程：首先启动顶进系统和切削系统，待刀盘到达前预留开挖面位置时开始切削土体，切削下来的土体流入土压舱，土压舱内建立起稳定的土压力后启动螺旋出土器。盾构机掘进过程中通过调节在刀盘转速、顶进速度和螺旋出土器的转速，使盾构机开挖面保持稳定。掘进过程中盾构机从前预留开挖孔进入模型箱。刀盘驱动电机通过刀盘驱动轴带动刀盘旋转，实现对前方土体的掘削。顶进电机通过同步带轮带动两顶进丝杠同步旋转，以此带动移动滑块向前移动，从而实现盾构机向前顶进。螺旋出土器的进口伸入土压舱，出口与盾构机后部的排土口相连，启动螺旋出土器后，土压舱内的渣土从排土口排出后直接落入渣土箱。在开挖过程中，刀盘上的压力传感器实时监测刀盘前方的土压力和水压力，通过无线发射器和接收装置实时发射和采集刀盘和衬砌上的土压力和水压力数据。衬砌上的压力传感器监测衬砌外的土压力和水压力，传感器引线从衬砌外侧线槽引出，直接与外部数据采集装置连接。开挖完成后，盾构机前端从后预留开挖孔出洞，采用固定法兰将衬砌固定在模型箱上，将刀盘和拼装套环拆卸，使盾构机沿掘进路线原路撤回，将衬砌留在开挖完成的隧道内，以此实现试验盾构机的掘进和支护功能。
试验完成后，将侧门的固定螺栓全部取下，打开侧门，将模型箱内部的围岩材料取出。若开展小模型试验，则将隔板安装在模型箱中部，重复上述过程。
Claims (9)
1.一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：包括模型箱和模型盾构机两部分；模型盾构机包括盾壳、切削系统、顶进系统、出土系统、支护系统和压力监测系统；
模型箱(1)为长方体结构，由底座(39)、箱壁a、箱壁b(41)、箱壁c(42)、箱壁d(43)五部分组成；箱壁a、箱壁b(41)、箱壁c(42)、箱壁d(43)顺次连接组成外围结构，底座(39)设置在外围结构的底部；箱壁b(41)上设置前预留开挖孔(26)，箱壁d(43)上后预留开挖孔(27)；箱壁c(42)由两扇可开关的侧门(44)组成，侧门(44)可绕安装于两侧的合页(45)旋转，从而实现侧门(44)的开关，侧门(44)上设置有观察窗，观察窗用来观测围岩内部水位的变化；箱壁c(42)的内侧设置一圈钢梁(46)，为保证试验过程中箱壁(42)的强度，填土之前用高强螺栓(47)将两扇门固定在钢梁(46)上；模型箱(1)内部中央位置安装有隔板(48)，通过卡槽(49)将隔板(48)固定在模型箱(1)中部，隔板(48)能够自由拆卸；为保证试验过程中隔板(48)的强度，用螺栓将其固定在卡槽(49)上；隔板(48)上设置开挖孔(50)，开挖孔(50)的直径与前预留开挖孔(26)、后预留开挖孔(27)相同；
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)通过刀盘驱动轴(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；模型盾构机经过前预留开挖孔(26)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)、四根导向光轴(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)连接，两根导向光轴(10)与隧道纵向中心线保持平行，模型盾构机沿导向光轴(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)的内径比盾壳外径稍大，将衬砌(18)套在盾壳(3)外部，在隔板(4)和盾壳(3)末端处采用螺栓将衬砌(18)固定在盾壳外，保持盾壳(3)和衬砌(18)截面为同心圆；衬砌(18)和盾壳(3)连接处设有拼装式套环，通过拼装式套环将衬砌(18)和盾壳(3)固定在一起，防止水、土进入衬砌(18)和盾壳(3)之间的空隙；刀盘(5)直径与衬砌(18)直径相同，开挖截面直径比衬砌(18)直径大5mm；刀盘(5)能够自由拆卸，开挖完成后刀盘(5)从后预留开挖孔(27)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)和拼装套环拆卸后，将模型盾构机原路撤回，即完成模型试验中盾构隧道的开挖和支护；
压力监测系统包括压应力传感器(28)、渗压计(29)、无线发射器(30)；刀盘(5)上布置五个压应力传感器(28)和三个渗压计(29)，其中一组压应力传感器(28)、渗压计(29)布置在刀盘(5)的中心，其余压应力传感器(28)、渗压计(29)布置在刀盘外围周向位置；刀盘轴承(6)前部为中空结构，压应力传感器(28)、渗压计(29)的引线通过刀盘(5)背面线槽(31)进入刀盘轴承(6)内部，并与刀盘轴承(6)后部的无线发射器(30)连接；无线发射器(30)固定在刀盘轴承(6)末端；无线发射器(30)将压力传感器的电信号装换成无线信号发射出去，无线接收装置再将无线信号转换成电信号，通过解调仪器将电信号转换成压力数据进行存储；衬砌上安置压应力传感器(28)和渗压计(29)，通过在衬砌上设置传感器安置孔(36)将压应力传感器(28)和渗压计(29)镶嵌在衬砌上，压应力传感器(28)、渗压计(29)引线镶嵌在衬砌上的引线槽(37)内，并在衬砌尾部将其引出并与数据采集装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：衬砌(18)选用PE管材。
3.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：进行大模型试验时将隔板(48)拆卸，通过隔板(48)上部的吊装孔(51)用吊车将其移出至模型箱外部；进行小模型试验时再将隔板(48)安装在模型箱(1)内部。
4.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：侧门(44)与钢梁(46)连接的部位设置密封圈，隔板(48)与卡槽(49)连接的位置也设置密封圈，连接缝隙的位置用密封胶进行密封，使模型箱(1)具有密封性。
5.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：盾构机底座(23)的底部安装有重型支撑脚万向轮(24)，重型支撑脚万向轮(24)着地时实现盾构机的移动；模型箱(1)位置固定后，将盾构机移动至匹配位置，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(38)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(34)与模型箱(1)连接在一起，浮动支撑连接板(34)上设置顶进丝杠安装孔；盾构机底座(23)后方设置有反力架(13)，反力架(13)和模型箱(1)之间设置两根平行布置的导向光轴(10)，模型盾构机始发后沿导向光轴(10)向前掘进。
6.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：刀盘(5)为辐板式刀盘，开口率根据模型箱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。
7.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：拼装式套环包括前拼装式套环(21)和后拼装式套环(22)，拼装式套环的外径都与衬砌(18)内径相同，拼装式套环由四块拼装而成，前拼装式套环(21)通过螺栓固定在隔板(4)上，后拼装式套环(22)由螺栓固定在盾壳(3)上。
8.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：浮动支撑(2)的设置有导向光轴的安装孔(25)和顶进丝杠安装孔(34)，中心开挖孔安装五个轴承，既能防止盾构机掘进方向发生偏离，同时减小掘进中的阻力。
9.根据权利要求1所述的一种可实现刀盘和衬砌压力监测功能的土压平衡盾构模型试验系统，其特征在于：压应力传感器(28)、渗压计(29)高精度高、直径小，均为后出线式，嵌入刀盘辐板内部，感应面与辐板表面齐平，刀盘(5)和刀盘轴承(6)引线槽内传感器的引线用胶封装在其内部；无线传感器随刀盘同步旋转，避免刀盘传感器的引线发生绞断；衬砌(18)上设置三个土压力和水压力监测截面，每个监测截面上均匀布置八个压应力传感器和四个渗压计(29)；在衬砌外部设置引线槽(37)，压应力传感器的引线用胶固定在引线槽(37)内。
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