CN110242315A - 盾构施工的模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于地下工程试验领域，提供了一种盾构施工的模拟装置和模拟方法。本发明所提供的一种盾构施工的模拟装置，包括：试验土仓，其内部形成用于容纳样土的容纳腔，试验土仓包括两块间隔设置的透明前壁，两块透明前壁之间形成连通容纳腔的开口；盾构刀盘组件，至少部分设置在容纳腔中，能够沿开口的延伸方向移动以挖掘所述样土；测量管片组件，可与盾构刀盘组件相邻的设置在容纳腔中，测量管片组件包括开设有注浆孔的管片和固定在管片上的土压力测量件。本发明的盾构施工的模拟装置及模拟方法能够简单直观并且精确的模拟盾构施工的实际场景和测量受力情况。

Description

盾构施工的模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明属于地下工程试验领域，尤其涉及一种盾构施工的模拟装置及模拟方法。

背景技术

随着城市化进程加快和隧道设计施工技术的日益进步，土压平衡盾构技术被广泛用于地下隧道施工。由于盾构施工穿越的地质条件复杂并且施工环境差异大，因此进行盾构施工的试验模拟成为研究盾构施工技术的有效手段。相关盾构模拟装置有的直径太小，管片拼装和注浆加固困难，从而不能准确模拟盾构施工的实际场景；而直径大的盾构模拟装置模拟成本较高且掘进过程姿态控制困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种盾构施工的模拟装置及模拟方法，以解决如何简便且准确地模拟盾构施工的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供一种盾构施工的模拟装置，包括：试验土仓，其内部形成用于容纳样土的容纳腔，所述试验土仓包括两块间隔设置的透明前壁，两块透明前壁之间形成连通所述容纳腔的开口；盾构刀盘组件，至少部分设置在所述容纳腔中，能够沿所述开口的延伸方向移动以挖掘所述样土；测量管片组件，可与所述盾构刀盘组件相邻的设置在所述容纳腔中，所述测量管片组件包括开设有注浆孔的管片和固定在所述管片上的土压力测量件。

优选地，所述盾构刀盘组件包括；刀盘，包括开设有通孔的凸出部和设置在所述凸出部周围的连接部；刀具，凸出固定于所述凸出部的外表面；盾壳，一端与所述连接部可转动的连接，另一端可与所述测量管片组件相邻；驱动主轴，与所述凸出部固定连接，以驱动所述刀盘转动并沿所述开口延伸的方向移动。

优选地，模拟装置还包括刀盘旋转驱动机构，其包括固定在所述驱动主轴上的主齿轮，与所述主齿轮啮合传动的驱动齿轮以及与所述驱动齿轮连接的驱动装置。

优选地，模拟装置还包括刀盘牵引机构，所述刀盘牵引机构包括：固定板，保持位置固定；牵引千斤顶，具有与所述固定板固定连接的第一端和相对所述第一端的第二端；牵引板，与所述牵引千斤顶的第二端固定连接；其中，所述驱动主轴贯穿所述固定板和所述牵引板并与所述牵引板卡合。

优选地，所述牵引板开设有凹槽，所述驱动主轴的一端与所述刀盘的凸出部固定连接，所述驱动主轴的另一端设置有球体，所述球体卡入所述凹槽中。

优选地，所述盾壳的所述另一端设置有盾尾刷，所述盾尾刷可与所述管片接触。

优选地，所述管片有多块，所述测量管片组件还包括：防水垫，设置在相邻的管片之间；连接件，固定连接相邻的管片和对应的防水垫。

优选地，所述管片呈半圆筒状，每块所述管片的外壁面固定有多个沿周向间隔设置的土压力测量件。

优选地，模拟装置还包括：挡土板，可沿所述开口的延伸方向移动；挡土板限位器，可拆卸的与所述透明前壁固定，限定所述挡土板位于所述开口中与两块所述透明前壁抵触。

优选地，模拟装置还包括：管片限位器，与所述透明前壁固定，阻挡所述管片向所述容纳腔外移动。

优选地，模拟装置还包括：管片反力施加装置，与所述试验土仓固定，能够可拆卸的与所述管片连接并作用与所述盾构刀盘组件移动相反方向的作用力。

优选地，所述管片反力施加装置包括：反力千斤顶，一端固定于所述试验仓，另一端固定于第一板；拉杆，一端固定于第一板，另一端固定于第二板；反力杆，一端固定于第二板，另一端与所述管片可拆卸的连接。

本发明还提供了一种盾构施工的模拟方法，包括：设置试验土仓，其内部形成用于容纳样土的容纳腔，所述试验土仓包括两块间隔设置的透明前壁，两块透明前壁之间形成连通所述容纳腔的开口；在所述试验土仓中填入所述样土至所述开口的下边缘；在所述开口安装盾构刀盘组件，使所述盾构刀盘组件至少部分设置在所述容纳腔中；所述盾构刀盘组件包括：刀盘，包括开设有通孔的凸出部和设置在所述凸出部周围的连接部；刀具，凸出固定于所述凸出部的外表面；盾壳，一端与所述连接部可转动的连接；驱动主轴，与所述凸出部固定连接，以驱动所述刀盘转动并沿所述开口延伸的方向移动；相邻所述刀盘在所述开口中安装挡土板，以封闭所述开口的部分；在所述试验土仓中填入所述样土至预设高度，其中，所述预设高度高于所述开口上边缘；相邻所述盾壳在所述试验土仓内安装第一管片；驱动所述驱动主轴转动并移动，以带动所述刀盘和所述盾壳移动；安装第二管片在所述第一管片和移动后的所述盾壳之间。

优选地，在所述开口安装盾构刀盘组件之后还包括：安装刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构，所述刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构与所述驱动主轴连接，分别驱动所述驱动主轴旋转和移动。

优选地，所述刀盘和所述盾壳移动的同时牵引所述挡土板以相同的速度移动。

优选地，相邻所述盾壳在所述试验土仓内安装第一管片的同时对所述第一管片施加反作用力，安装第二管片在所述第一管片和移动后的所述盾壳之间的同时撤销施加在所述第一管片上的反作用力并对所述第二管片施加反作用力。

优选地，安装第一管片和/或安装第二管片后进行注浆，在注浆前和注浆后分别测量第一管片和/或第二管片承受的土压。

优选地，所述模拟方法还包括：在注浆后拆除所述第一管片和/或所述第二管片。

本发明所提供的盾构施工的模拟装置，具有试验土仓，盾构刀盘组件和测量管片组件，试验土仓具有中间设置开口的两块透明前壁，盾构刀盘组件能够沿所述开口的延伸方向移动，测量管片组件相邻盾构刀盘组件设置，包括开设有注浆孔的管片和设置在管片上的土压力测量件。本发明的试验土仓前壁透明，从而能够在盾构刀盘组件移动模拟盾构施工过程中，直观观测不同地层条件下的地层移动和塌落情况；通过安装测量管片组件，能够精确测量管片所受到的土压力和注浆压力；并且在盾构施工的模拟过程结束时，还能够拆除测量管片组件，直观观测注浆效果。因此，本发明的盾构施工的模拟装置及模拟方法能够简单直观并且精确的模拟盾构施工的实际场景和测量受力情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的盾构施工的模拟装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的试验土仓的结构示意图；

图3A是本发明实施例提供的盾构刀盘组件的结构示意图；

图3B是本发明实施例提供的盾构刀盘组件的侧视图；

图4A是本发明实施例提供的刀盘旋转驱动机构的结构示意图；

图4B是本发明实施例提供的刀盘旋转驱动机构的侧视图；

图5A是本发明实施例提供的刀盘牵引机构的结构示意图；

图5B是本发明实施例提供的刀盘牵引机构的侧视图；

图6A是本发明实施例提供的测量管片组件的结构示意图；

图6B是本发明实施例提供的测量管片组件的侧视图；

图7A是本发明实施例提供的挡土板及挡土板限位器的结构示意图；

图7B是本发明实施例提供的挡土板及挡土板限位器的侧视图；

图8是本发明实施例提供的管片限位器的结构示意图；

图9A是本发明实施例提供的管片反力施加装置的结构示意图；

图9B是本发明实施例提供的反力杆的正视图；

图9C是本发明实施例提供的反力杆的侧视图。

附图标记说明：

1、试验土仓；11、透明前壁；12、开口；2、盾构刀盘组件；21、刀盘；211、凸出部；212、连接部；22、刀具；23、盾壳；24、驱动主轴；25、盾尾刷；3、测量管片组件；31、管片；32、土压力测量件；33、防水垫；34、连接件；4、刀盘旋转驱动机构；41、主齿轮；42、驱动齿轮；43、驱动装置；44、减速器；5、刀盘牵引机构；51、固定板；52、牵引千斤顶；53、牵引板；54、控制器；61、挡土板；62、挡土板限位器；71管片限位器；72、橡胶垫；8、管片反力施加装置；81、反力千斤顶；82、拉杆；83、反力杆；84、第一板；85、第二板；831、螺纹杆；832、扇形片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1所示，本发明实施例提供的盾构施工的模拟装置包括试验土仓1，盾构刀盘组件2和测量管片组件3。

如图2所示，试验土仓1包括两块间隔设置的透明前壁11，以及底壁，两个侧壁和后壁，底壁与两个侧壁、后壁连成一体，两个透明前壁11均连接两个侧壁并在接触面涂防水材料，从而围合形成试验土仓1内部的用于容纳样土的容纳腔，试验土仓1的上端开口以用于填入样土至容纳腔内。需要说明的是，透明前壁11面对观察者的表面与盾构刀盘组件2前进的方向平行，透明前壁的“前”指面对观察者而不是指盾构刀盘组件2前进的方向。可选的，底壁两个侧壁和后壁采用钢板制作，钢板上设置加强筋，两块透明前壁11采用钢化玻璃板制作。两块间隔设置的透明前壁11之间形成有连通容纳腔的开口12，开口12所对应的容纳腔内的高度范围作为模拟盾构施工的盾构刀盘组件2的掘进隧道的范围。例如，下透明前壁从底壁向上延伸至0.5m，上透明前壁从高度0.7m延伸至2m，高度0.5-0.7m为开口12的区域。通过盾构刀盘组件2在开口12对应的高度范围内掘进，而开口12上下均有透明前壁11挡住样土，从而在盾构刀盘组件2的运动模拟盾构施工过程中，直观观测不同地层条件下的地层移动和塌落情况，简单有效的模拟盾构施工对施工环境下的地层的影响。

如图1所示，盾构刀盘组件2至少部分设置在试验土仓1内部的容纳腔中，能够沿开口12的延伸方向(图1所示水平向右的方向)移动以挖掘试验土仓1内的样土。可选的，盾构刀盘组件2部分位于容纳腔外，从开口12突出到容纳腔的前方；盾构刀盘组件2也可以全部都位于容纳腔内，但应当紧挨开口12，从而能够从透明前壁11观察到在盾构刀盘组件2移动过程中，试验土仓1内的样土的移动和塌落情况。

如图1所示，测量管片组件3相邻盾构刀盘组件2设置在容纳腔中，具体的，测量管片组件3设置在盾构刀盘组件2的移动方向的反方向(图1所示的水平向左的方向)，相邻是指测量管片组件3与盾构刀盘组件2紧挨或接触，也可以中间有一定的空间间隔，只要不存在其他实体部件即可。测量管片用来模拟盾构施工时的形成隧道的管片，在实际的盾构施工过程中，盾构刀盘向前掘进一定距离，则拼装出管片安装在掘进挖出的孔洞壁面以形成隧道管，为了隧道管稳固，管片开设有注浆孔以便注浆稳固与隧道管相邻的土层。在本实施例中，模拟实际管片，测量管片组件3包括开设有注浆孔的管片和固定在所述管片上的土压力测量件，从而能够精确测量管片所受到的土压力和注浆压力；并且在盾构施工的模拟过程结束时，还能够拆除测量管片组件，直观观测注浆效果。本发明的盾构施工的模拟装置能够简单直观并且精确的模拟盾构施工的实际场景和测量受力情况。

如图3A和图3B所示，在一些实施例中，盾构刀盘组件2包括刀盘21，刀具22，盾壳23和驱动主轴24。其中，刀盘21为空心的轴对称的类似半球形结构，包括开设有通孔的凸出部211和设置在所述凸出部211周围的连接部212。固定于凸出部211的外表面固定刀具22，刀具22相对于所述凸出部211向盾构刀盘组件2的移动方向凸出。如图3B所示，凸出部211上开设通孔的面积占到整个凸出部211面积的25％-35％。刀盘21的连接部212与盾壳23的一端可转动的连接，在盾构刀盘组件2移动过程中，刀盘21还进行转动，而盾壳23不进行转动；具体的可转动连接方式可以是通过滚轴支承连接，从而使得盾壳23与连接部212之间的过渡区域不发生高度差的变化。

盾壳23为轴对称装置，靠近连接部212的部分为厚度相同的筒形结构，远离连接部212的部分为厚度逐渐减小的筒形结构，在盾壳23的另一端(即尾端，图3A所示的左端)可与测量管片组件3相邻。随着盾构刀盘组件2移动前进，盾壳23也在移动前进，在试验土仓1中形成孔洞，于此同时在孔洞壁面安装管片以形成隧道管，盾壳23每前进一段，安装一片管片，从而始终保持盾壳23与管片相邻。进一步的，盾壳23的尾端设置有盾尾刷25，盾尾刷25可与测量管片组件3的管片接触以完成管片的安装。具体的，盾尾刷25为若干小钢片，例如厚度为2mm的钢片，沿周向方向分布在盾壳23的尾端，相邻刷片之间具有缝隙可吸收刷片的变形，刷片之间具有一定的重合，可以在盾构掘进过程中防水和止土。盾尾刷25呈弯折型，一端与盾壳23固定连接，另一端为自由端，向内部收缩，在安装管片时，可以先在盾壳23内部形成的圆筒形空腔内拼装好管片，在经过盾尾刷25向试验土仓1推出，由于盾尾刷25自由端内缩，推出管片时能够与管片接触并施加一定压力，从而需要人工用力将管片推出才能完成管片安装，避免了管片在非安装情况下不受控制地滑出盾壳23。

如图3A所示，驱动主轴24设置在盾构刀盘组件2移动方向上的前方，延伸到试验土仓1的外部，驱动主轴24与凸出部211固定连接；具体的，驱动主轴24与凸出部211之间可以通过设置法兰来相连。通过驱动主轴24的转动驱动刀盘21以及刀盘上固定的刀具22转动，通过驱动主轴24的移动带动刀盘21，刀具22和盾壳23沿开口延伸的方向移动。

如图4A和图4B所示，本发明的一些实施例的模拟装置还包括刀盘旋转驱动机构4，其包括固定在驱动主轴24上的主齿轮41，与主齿轮41啮合传动的驱动齿轮42以及与驱动齿轮42连接的驱动装置43。可选的，主齿轮41可通过键连接的方式嵌套固定在驱动主轴24的外部。可以设置两个相同驱动齿轮42，分别位于主齿轮的上方和下方；每个驱动齿轮可连接一个驱动装置43，例如电机，来驱动；在驱动装置43与对应的驱动齿轮42之间还可以连接减速器44，以调节驱动齿轮42的转速，进而调节主齿轮41的转速，驱动主轴24的转速，以最终调节刀盘21的转速。

如图5A和图5B所示，本发明的一些实施例的模拟装置还包括刀盘牵引机构5。刀盘牵引机构5包括固定板51，牵引千斤顶52和牵引板53。其中，固定板51用于保持位置固定，可将其下端与地面固定。牵引千斤顶52具有与固定板51固定连接的第一端和相对第一端的第二端。牵引板53与牵引千斤顶52的第二端固定连接，即牵引千斤顶52固定连接固定板51和牵引板53。驱动主轴24贯穿固定板51和牵引板53并与牵引板53卡合，卡合是指驱动主轴24与牵引板53形成配合关系，驱动主轴24被牵引板53卡住从而相对牵引板53不能产生水平和竖直方向的位移。

具体形成卡合的方式有多种，可选的，如图5A所示，在牵引板53沿盾构刀盘组件2移动方向的前表面侧开设凹槽，驱动主轴24的一端与刀盘21的凸出部211固定连接，另一端设置有球体，该球体卡入凹槽中，对应的凹槽可为与球体形状匹配的半球形。通过在驱动主轴24的端部设置球体，卡合在牵引板53所开设的凹槽中，从而在牵引千斤顶52的作用下，牵引板53移动，进而带来驱动主轴24移动；并且球体卡合在凹槽中从而牵引运动不影响驱动主轴24在刀盘旋转驱动机构4驱动下的转动。可选的，如图5B所示，牵引千斤顶52可设置4个，沿正方形排布。刀盘牵引机构5还可包括固定在固定板51上的控制器54，通过控制器54控制牵引千斤顶52的速率，从而控制刀盘21移动掘进的速率。

如图6A和图6B所示，测量管片组件3除了具有管片31以及固定在在管片31上的土压力测量件32之外，还包括防水垫33和连接件34。其中，管片31具有多块，每一块管片31呈半圆筒状，相对于长度和宽度，管片31的厚度较小，管片31的半圆柱形外壁面向试验土仓1的内部凸出，将掘进出的孔洞安装管片31以形成隧道管。如图6B所示，管片31的侧视图为两个同心半圆所形成的半圆环，在每个管片31的外壁面固定了多个沿周向间隔设置的土压力测量件32，例如固定了三个土压传感器32；从而能够在管片31外壁面的各个位置准确全面的测量在模拟盾构掘进过程中管片31所受到的土压。土压传感器32可以类似看成片状的二维结构，呈弧形弯曲与管片31的外壁面贴合以测量压力。多块管片31结构、形状和大小完成相同，沿盾构刀盘组件2的移动方向相邻排布，每掘进一定的距离，则可多安装一块管片31。防水垫33设置在相邻的管片17之间，以保证多个管片31形成隧道管时不会出现缝隙漏水。连接件34可以设置多个，固定连接相邻的管片和相邻管片之间对应的防水垫，例如，可以沿高度方向分布3个连接螺栓作为连接件。

如图7A和7B所示，本发明一些实施例的盾构施工的模拟装置还可以包括挡土板61和挡土板限位器62。其中，挡土板61设置在两块玻璃前壁11之间，设置在盾构刀盘组件2沿掘进方向的前方，挡土板61的高度与开口12的高度相同，从而能够封闭盾构刀盘组件2沿掘进方向的前方的开口部分，从而防止试验土仓1中的样土从开口掉出试验土仓1。具体的，挡土板61为长条形的板材，其厚度与玻璃前壁11的厚度相同，靠近盾构刀盘组件2的一端加工为弧形，与刀盘21的半球形外形相配合；在刀盘21掘进的同时，挡土板可在人工作用下等速度的移出，从而既不挡住刀盘21运动又能挡住样土不掉出试验土仓1。挡土板限位器62可设置多个，用于限定挡土板61位于开口12中并与两块透明前壁11抵触。具体的，挡土板限位器62包括一块铁片和贯穿该铁片的螺栓，螺栓穿过上透明前壁11的下边缘或下透明前壁11的上边缘，与对应的透明前壁11固定，由于铁片在高度方向从透明前壁11的边缘伸出，那么卡在开口12中的挡土板62与上下两块透明前壁11分别接触并受到上下方向的抵靠，而挡土板62侧面又受到外侧的铁片的支撑，从而不会从开口12中向外掉出。挡土板限位器62可以从固定的透明前壁11拆卸，当挡土板61已经从对应的挡土板限位器62的位置移出时，拆卸挡土板限位器62。可选的，挡土板61的外侧壁的中心附近向外突出，形成容纳驱动主轴24的凹槽，以便于支撑驱动主轴24使其不发生偏移。

如图8所示，本发明一些实施例的盾构施工的模拟装置还可以包括管片限位器71。管片限位器71设置在盾构刀盘组件2的沿掘进方向的后方，用于限定管片31不由开口12向容纳腔外移动。具体的，管片限位器71可以设置多个，每个管片限位器71与一个透明前壁11固定连接。管片限位器71与挡土板限位器62类似，包括一个铁片和贯穿该铁片的螺栓，螺栓穿过上透明前壁11的下边缘或下透明前壁11的上边缘，与对应的透明前壁11固定，由于铁片在高度方向从透明前壁11的边缘伸出，管片31边缘受到铁片抵挡，不能从开口12向容纳腔外移动，从而保证管片31形成隧道管的结构和位置稳定。此外，在铁片和该铁片对应阻挡的管片31的边缘之前可设置橡胶垫72，橡胶垫72的厚度与透明前壁11的厚度相同，以使得管片31的轴线与盾壳23及驱动主轴24的轴线相同，并同时具有防水作用。

如图9A所示，本发明一些实施例的盾构施工的模拟装置还可以包括管片反力施加装置8。管片反力施加装置8与试验土仓1(参照图1)固定，例如，固定在试验土仓1的相对于刀盘掘进方向的后方的侧壁上。管片反力施加装置8用于模拟实际盾构掘进过程中管片受到的牵引千斤顶的反作用力，因此，管片反力施加装置8作用的具体的管片31是根据模拟的掘进过程而变化，在某一块管片31模拟受到反作用力时，将管片反力施加装置8与其连接，而随着掘进继续，该管片不再受到反作用力，那么拆卸管片反力施加装置8与它的连接。管片反力施加装置8能够可拆卸的与管片31连接并作用与盾构刀盘组件2移动相反方向的作用力

具体的，如图9A所示，管片反力施加装置8包括反力千斤顶81，拉杆82和反力杆83。其中，反力千斤顶8一端固定于试验图仓1，例如固定在图1所示的试验土仓1的左端侧壁，另一端固定于第一板84。拉杆82一端固定于第一板84，另一端固定于第二板85；其中，拉杆82可设置多个平行的拉杆，第一板84，第二板85和试验土仓1的左端侧壁的延伸方向相同，均为竖直延伸。反力杆83一端固定于第二板85，另一端与管片31可拆卸的连接。那么，在反力千斤顶81工作时，带动拉杆82作用向盾构掘进的相反方向的作用力在第二板85和反力杆83上，反力杆83从而作用反力在其连接的管片31上。具体的，反力杆83与管片31的可拆卸的连接可以这样实现，如图9B和图9C所示，反力杆83包括螺纹杆831和扇形片832。螺纹杆831一端与第二板85固定连接，另一端固定连接扇形片832，在模拟盾构施工过程中，螺纹杆831穿过管片31内部的空腔，由扇形片832伸入到管片31的沿盾构前进方向的前端面，从而勾住管片31，在反力千斤顶作用时即可模拟施加在管片31上的反作用力。在进行下一个管片31的拼装时，通过旋转扇形片832，从而撤回作用的反力，下一个管片31安装好使，再通过扇形片832勾住该下一个管片31，对其施加反力。

本发明在其他的实施例中，还提供了一种盾构施工的模拟方法，可以采用上述各个实施例中的盾构施工的模拟装置。该模拟方法包括：

S1、设置试验土仓，其内部形成用于容纳样土的容纳腔，试验土仓包括两块间隔设置的透明前壁，两块透明前壁之间形成连通容纳腔的开口。可选的，试验土仓为上端开放的结构，以用于填入样土，可将试验土仓设置在实际施工的洞内，在试验土仓外围仍有空间放置试验模拟设备。

S2、在试验土仓中填入样土至开口的下边缘。从而模拟盾构施工的地下施工土层环境，填土过程可实施取样测量密度，以尽可能接近实际土层的土壤结构。

S3、在开口安装盾构刀盘组件，使盾构刀盘组件至少部分设置在所述容纳腔中。具体的，在已经填土样土的顶部安装盾构刀盘组件，盾构刀盘组件可以突出到开口的外面，也可以全部位于容纳腔但紧挨开口。盾构刀盘组件包括：刀盘，包括开设有通孔的凸出部和设置在所述凸出部周围的连接部；刀具，凸出固定于所述凸出部的外表面；盾壳，一端与所述连接部可转动的连接；驱动主轴，与所述凸出部固定连接，以驱动所述刀盘转动并沿所述开口延伸的方向移动。

S4、相邻所述刀盘在所述开口中安装挡土板，以封闭所述开口的部分。在刀盘的沿刀盘盾构前进方向的前方，安装挡土板在开口中，以防止在容纳腔中的样土从开口掉出。

可选的，为限定挡土板能稳定卡入在开口中，在S4步骤之前，S3步骤之后，可以在透明前壁上安装挡土板限位器。

S5、在试验土仓中继续填入样土至预设高度，其中，预设高度高于所述开口上边缘。从而模拟盾构施工过程中，地层的泥土压在盾构装置上以及地层的泥土覆盖的高度区域。填土过程可实施取样测量密度，以尽可能接近实际土层的土壤结构。

S6、相邻盾壳在试验土仓内安装第一管片。第一管片是指在盾构刀盘组件尚未移动时，沿所述移动方向，安装在盾壳后方的管片；由于管片上设置有土压力测量件，从而在模拟盾构之前测量管片受到的土压。

S7、驱动所述驱动主轴转动并移动，以带动刀盘和盾壳移动。从而模拟盾构装置的盾构掘进过程。掘进一定距离，并再次测量第一管片承受的土压，从而获得盾构掘进过程中管片受到的上覆载荷。

S8、在盾壳移动一定距离后，在第一管片与盾壳之间的距离能够安装其他管片时，安装第二管片在第一管片和移动后的盾壳之间。需要说明的是，第二管片可以是一块管片，也可以是多块管片；第二管片可以是一次性安装形成，也可以是多次安装形成。第二管片是指在盾构刀盘组件已经开始移动后，沿所述移动方向，安装在盾壳后方的管片；例如，可以是盾构刀盘组件移动一段距离，第二管片增加一块，而这些在盾构刀盘组件开始移动后安装的管片统称第二管片。在每一块管片上均设置有土压力测量件，那么可以实时准确获得在盾构掘进过程中，各管片受到的上压覆荷。

本发明实施例的试验土仓前壁透明，从而能够在盾构刀盘组件移动模拟盾构施工过程中，直观观测不同地层条件下的地层移动和塌落情况；通过安装测量管片组件，能够精确测量管片所受到的土压力。因此，本发明实施例的盾构施工的模拟方法能够简单直观并且精确的模拟盾构施工的实际场景和测量受力情况。

可选的，在步骤S3之后，步骤S4之前，在所述开口安装盾构刀盘组件之后还包括：

S31、安装刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构，刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构与驱动主轴连接，分别驱动所述驱动主轴旋转和移动。刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构沿盾构刀盘组件移动方向，设置在盾构刀盘组件的前方，且均设在在试验土仓的外部。

可选的，在步骤S7中还包括在所述刀盘和盾壳移动的同时，牵引所述挡土板以相同的速度移动。从而能够在刀盘和盾壳移动掘进过程中，不会受到挡土板的阻碍并且也不会在掘进方向位于刀盘的前方的样土从开口中掉出容纳腔。

可选的，在步骤S6中还包括：相邻所述盾壳在所述试验土仓内安装第一管片的同时对所述第一管片施加反作用力。在步骤S8中还包括：安装第二管片在所述第一管片和移动后的所述盾壳之间的同时撤销施加在所述第一管片上的反作用力并对所述第二管片施加反作用力。从而在模拟盾构掘进过程中，模拟最靠近盾壳尾部的管片所受到的与掘进方向相反的反力。

可选的，在步骤S6安装第一管片和/或在步骤S8安装第二管片后进行注浆，在注浆前和注浆后分别测量第一管片和/或第二管片承受的土压。每个管片上均设置有注浆孔，从而能够在安装管片后进行注浆以模拟实际盾构施工过程中的注浆，测量注浆前后管片所承受的压力变化，以评价注浆效果。

可选的，所述模拟方法还包括：在注浆后拆除所述第一管片和/或所述第二管片。从而能够直观观察注浆加固效果，测量加固范围，为评价注浆加固效果提供依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种盾构施工的模拟装置，其特征在于，包括：

试验土仓，其内部形成用于容纳样土的容纳腔，所述试验土仓包括两块间隔设置的透明前壁，两块透明前壁之间形成连通所述容纳腔的开口；

盾构刀盘组件，至少部分设置在所述容纳腔中，能够沿所述开口的延伸方向移动以挖掘所述样土；

测量管片组件，可与所述盾构刀盘组件相邻的设置在所述容纳腔中，所述测量管片组件包括开设有注浆孔的管片和固定在所述管片上的土压力测量件。

2.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述盾构刀盘组件包括：

刀盘，包括开设有通孔的凸出部和设置在所述凸出部周围的连接部；

刀具，凸出固定于所述凸出部的外表面；

盾壳，一端与所述连接部可转动的连接，另一端可与所述测量管片组件相邻；

驱动主轴，与所述凸出部固定连接，以驱动所述刀盘转动并沿所述开口延伸的方向移动。

3.如权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，还包括：

刀盘旋转驱动机构，其包括固定在所述驱动主轴上的主齿轮，与所述主齿轮啮合传动的驱动齿轮以及与所述驱动齿轮连接的驱动装置。

4.如权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，还包括刀盘牵引机构，所述刀盘牵引机构包括：

固定板，保持位置固定；

牵引千斤顶，具有与所述固定板固定连接的第一端和相对所述第一端的第二端；

牵引板，与所述牵引千斤顶的第二端固定连接；

其中，所述驱动主轴贯穿所述固定板和所述牵引板并与所述牵引板卡合。

5.如权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述牵引板开设有凹槽，所述驱动主轴的一端与所述刀盘的凸出部固定连接，所述驱动主轴的另一端设置有球体，所述球体卡入所述凹槽中。

6.如权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述盾壳的所述另一端设置有盾尾刷，所述盾尾刷可与所述管片接触。

7.如权利要求1-6任一项所述的模拟装置，其特征在于，所述管片有多块，所述测量管片组件还包括：

防水垫，设置在相邻的管片之间；

连接件，固定连接相邻的管片和对应的防水垫。

8.如权利要求7所述的模拟装置，其特征在于，所述管片呈半圆筒状，每块所述管片的外壁面固定有多个沿周向间隔设置的土压力测量件。

9.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，还包括：

挡土板，可沿所述开口的延伸方向移动；

挡土板限位器，可拆卸的与所述透明前壁固定，限定所述挡土板位于所述开口中与两块所述透明前壁抵触。

10.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，还包括：

管片限位器，与所述透明前壁固定，阻挡所述管片向所述容纳腔外移动。

11.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，还包括：

管片反力施加装置，与所述试验土仓固定，能够可拆卸的与所述管片连接并作用与所述盾构刀盘组件移动相反方向的作用力。

12.如权利要求11所述的模拟装置，其特征在于，所述管片反力施加装置包括：

反力千斤顶，一端固定于所述试验仓，另一端固定于第一板；

拉杆，一端固定于第一板，另一端固定于第二板；

反力杆，一端固定于第二板，另一端与所述管片可拆卸的连接。

13.一种盾构施工的模拟方法，其特征在于，包括：

设置试验土仓，其内部形成用于容纳样土的容纳腔，所述试验土仓包括两块间隔设置的透明前壁，两块透明前壁之间形成连通所述容纳腔的开口；

在所述试验土仓中填入所述样土至所述开口的下边缘；

在所述开口安装盾构刀盘组件，使所述盾构刀盘组件至少部分设置在所述容纳腔中；所述盾构刀盘组件包括：刀盘，包括开设有通孔的凸出部和设置在所述凸出部周围的连接部；刀具，凸出固定于所述凸出部的外表面；盾壳，一端与所述连接部可转动的连接；驱动主轴，与所述凸出部固定连接，以驱动所述刀盘转动并沿所述开口延伸的方向移动；

相邻所述刀盘在所述开口中安装挡土板，以封闭所述开口的部分；

在所述试验土仓中填入所述样土至预设高度，其中，所述预设高度高于所述开口上边缘；

相邻所述盾壳在所述试验土仓内安装第一管片；

驱动所述驱动主轴转动并移动，以带动所述刀盘和所述盾壳移动；

安装第二管片在所述第一管片和移动后的所述盾壳之间。

14.如权利要求13所述的模拟方法，其特征在于，在所述开口安装盾构刀盘组件之后还包括：

安装刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构，所述刀盘旋转驱动机构和刀盘牵引机构与所述驱动主轴连接，分别驱动所述驱动主轴旋转和移动。

15.如权利要求13所述的模拟方法，其特征在于，所述刀盘和所述盾壳移动的同时牵引所述挡土板以相同的速度移动。

16.如权利要求13所述的模拟方法，其特征在于，相邻所述盾壳在所述试验土仓内安装第一管片的同时对所述第一管片施加反作用力，安装第二管片在所述第一管片和移动后的所述盾壳之间的同时撤销施加在所述第一管片上的反作用力并对所述第二管片施加反作用力。

17.如权利要求13所述的模拟方法，其特征在于，安装第一管片和/或安装第二管片后进行注浆，在注浆前和注浆后分别测量第一管片和/或第二管片承受的土压。

18.如权利要求17所述的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法还包括：

在注浆后拆除所述第一管片和/或所述第二管片。