CN114487357B - 一种模块化隧道开挖模拟试验装置及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化隧道开挖模拟试验装置及其组装方法，包括驱动部件，所述驱动部件的输出端连接有隧道模型，所述驱动部件用于驱动隧道模型自身的使用直径，所述隧道模型至少由一组开挖模块组成，且所述隧道模型远离驱动部件的一端设置有封闭组件，所述驱动部件上连接有固定杆件，所述固定杆件用于将隧道模型的端部固定于驱动部件上，本发明可根据模拟需求组装出不同长度的隧道开挖模拟试验装置；采用固定杆件，能够保证连接强度，避免隧道模型在离心力的作用下发生分离或变形，使其始终保持较好的直线性；且隧道模型在驱动部件的作用下能改变自身的直径，模拟出隧道在重力的作用下的地层损失，与现实施工更加贴合，以保证试验数据的准确可靠。

Description

一种模块化隧道开挖模拟试验装置及其组装方法

技术领域

本发明涉及隧道施工试验设备技术领域，尤其涉及一种模块化隧道开挖模拟试验装置及其组装方法。

背景技术

在现代化城市建设中，地下轨道交通建设日趋火热，但由于城市建设空间上的局限性，隧道建设不可避免的要从既有的设施旁边或下方穿过，如隧道从建筑物的桩基旁通过，从各类地下管道和线缆的下方通过等。在修建隧道过程中，实际开挖土体的体积要大于竣工隧道的体积，两者之差即称为地层损失，这种地层损失会导致地面和隧道出现不同程度的沉降或隆起，即使采用当前先进的盾构技术，也难完全防止这些变形，进而这些变形就会影响既有建筑物或管线等地下结构物的稳定和安全运行。因此，如何减小隧道施工对周围建筑物或管线的影响已成为亟待解决的问题之一。

针对此类岩土工程问题，通常的研究手段是采用模型试验进行研究，其中模型试验是一种较为直观且准确的方法，在交叉工程的模型试验领域，需要运用隧道开挖模拟试验装置进行土工离心试验，利用该试验能准确的模拟隧道施工带来的地层损失，进而研究隧道施工对周围建筑物或管线的影响，但是，现有的隧道开挖模拟试验装置仍存在如下弊端：

1、地下隧道开挖是一个动态的施工过程，因此需要采用不同长度的隧道开挖模拟试验装置来模拟不同节点下的挖掘进度，现有的隧道开挖模拟试验装置通常选取一段管材作为来模拟隧道，但是，采用这种试验模型只能模拟某一开挖状态下隧道的受力状况，若想模拟隧道不同节点的挖掘进度，需要另取一段新的管材进行模拟，故模型的重复利用率较低，材料的消耗较大，且灵活性较差；

2、隧道在开挖过程中会受到周围土体重力和挤压力等作用力的影响，使隧道表面产生一定的地层损失和变形，现有隧道开挖模拟试验装置在进行土工离心试验时无法调节自身的半径，不易模拟出隧道开挖后所产生的地层损失，影响土工离心试验所测结果的准确性。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有技术中所存在的问题，提供一种模块化隧道开挖模拟试验装置及其组装方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模块化隧道开挖模拟试验装置，包括驱动部件，所述驱动部件的输出端连接有隧道模型，所述驱动部件用于驱动隧道模型改变自身的使用直径，所述隧道模型至少由一组开挖模块组成，且所述隧道模型远离驱动部件的一端设置有封闭组件，所述驱动部件上连接有固定杆件，所述固定杆件用于将隧道模型的端部固定于驱动部件上；

所述开挖模块包括齿轮组件、齿轮套、模块主体和变径组件，所述齿轮组件的输入端与驱动部件的输出端或相邻开挖模块的输出端传动相连，且所述齿轮组件设置于齿轮套上，所述模块主体和变径组件相邻套设于齿轮套上，且所述变径组件设置于模块主体内，并由所述齿轮组件带动变径组件于模块主体上改变隧道模型的使用直径。

进一步地，所述驱动部件包括外壳、电机、传动组件和传动轴，所述外壳连接于固定杆件的端部，且该外壳抵靠于隧道模型的端部，所述电机设置于外壳的内壁上，所述传动组件的输入端连接于电机的输出端，其输出端连接于传动轴的输入端，所述传动轴转动设置于外壳上，且该传动轴的输出端与隧道模型的输入端相连接。

进一步地，所述传动组件设置为蜗杆和蜗轮，所述蜗杆的输入端连接于电机的输出端，所述蜗轮与蜗杆之间相互啮合，且该蜗轮的输出端与传动轴的输入端相连接。

进一步地，所述传动轴的一端设置有定位销，所述定位销的截面设置为矩形，且该定位销的结构与隧道模型输入端的结构相配合。

进一步地，所述外壳上设置有盖板，所述盖板通过螺钉固定于外壳上，所述传动轴的另一端转动设置于盖板上。

进一步地，所述齿轮套上开设有通孔，所述固定杆件相配合穿设于通孔内。

进一步地，所述齿轮组件包括中心齿轮和传动齿轮，所述中心齿轮设置于齿轮套的内部，且该中心齿轮的输入端与驱动部件的输出端或相邻开挖模块的输出端传动相连，所述齿轮套的侧壁开设有槽口，所述传动齿轮转动设置于槽口内，所述传动齿轮与中心齿轮之间相啮合，且所述传动齿轮用于带动变径组件进行运动。

进一步地，所述中心齿轮的一端开设有定位孔，所述定位孔的结构与定位销的结构相配合，所述中心齿轮的另一端设置有传动销，所述传动销的结构与定位销的结构相同。

进一步地，所述变径组件包括定位套、旋转环和收缩片，所述定位套固定套设于齿轮套上，且该定位套的一端抵靠于模块主体上，所述定位套上开设有开槽，所述开槽的位置与槽口的位置相对应，所述旋转环转动套设于定位套上，且该旋转环与传动齿轮之间传动相连，所述收缩片设置为多组，多组所述收缩片的一端均匀布设于旋转环的弧形边缘处，所述模块主体上开设有斜槽，所述收缩片相配合穿设于斜槽内，且每组所述收缩片穿过斜槽的部分抵靠于模块主体的外壁上。

进一步地，所述旋转环的内部开设有环形槽，所述环形槽的内壁上设置有齿圈，所述齿圈与传动齿轮相互啮合。

进一步地，所述齿轮套的外侧壁上设置有凸起，所述模块主体内和定位套内均开设有凹槽，所述凹槽的结构和凸起的结构相配合。

进一步地，所述模块主体设置为安装部、辐条和支撑部，所述安装部相配合套设于齿轮套上，所述安装部的内壁上开设有凹槽，且该凹槽的结构与凸起的结构相配合，所述辐条设置为多组，且多组所述辐条的两端分别与安装部的外壁和支撑部的内壁相连接，所述支撑部上开设有斜槽，所述收缩片相配合插设于斜槽内。

进一步地，所述旋转环的圆弧曲面上均匀开设有多组弧形卡槽，所述收缩片的一端呈C字形卡设于弧形卡槽内，所述收缩片上穿设有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于将收缩片锁紧于旋转环上。

进一步地，所述固定杆件设置为丝杆和螺母，所述丝杆的一端旋配于外壳的外壁上，所述螺母旋配于丝杆的另一端，所述螺母和丝杆用于将隧道模型和驱动部件进行固定连接。

进一步地，所述封闭组件设置为封板，所述封板相配合嵌设于隧道模型远离驱动部件的一端。

一种模块化隧道开挖模拟试验装置的组装方法，包括如下步骤：

S1：将所述固定杆件的一端固定连接于驱动部件上；

S2：将所述隧道模型相对应套设于固定杆件上，并使得所述隧道模型的输入端相配合连接于驱动部件的输出端，再通过所述固定杆件将隧道模型锁紧于驱动部件上；

S3：于所述隧道模型远离驱动部件的一端安装封闭组件。

进一步地，在所述S2中，若所述隧道模型由多组开挖模块组成，将其中一组开挖模块相对应套设于固定杆件上，以使该开挖模块的输入端与驱动部件的输出端相配合连接，将另一组开挖模块按照相同的方式套设于固定杆件上，并使该开挖模块的输入端与上一组开挖模块的输出端相配合连接，直至将多组开挖模块组装成所需的隧道模型。

本发明具有的优点和积极效果是：

（1）本发明灵活可靠，整体性较好，本装置可根据模拟试验的实际需求进行任意组合，利用一组或多组模块化的开挖模块来构成所需的隧道模型，相比与原有的隧道开挖模块试验装置，本装置可重复使用，降低成本的投入，具有较好的灵活性和实用性；且固定杆件于隧道模型内部将其与驱动部件之间进行固定连接，减少了外界干扰的因素对隧道开挖模块试验装置外表面的影响，保证测量效果，同时保证两者之间具备较佳的固定效果，避免相邻的开挖模块之间在离心力的作用下而发生错开或形变，从而保证本装置始终具有较好的直线性；

（2）本发明于开挖模块中设置变径组件，在进行土工离心试验前由电机控制变径组件中旋转环带动收缩片穿过斜槽的部分包裹并覆盖住隧道模型的表面，来模拟隧道开挖初期未受土体作用力时的状态；在试验时通过驱动部件反向运动，使其控制旋转环重新将收缩片收入到斜槽内，以使隧道开挖模拟试验装置的使用直径发生改变，从而模拟出隧道开挖一段时间后在土体重力的作用下而造成的地层，以使试验过程更加贴合实际施工，因此所测量的数据和得出的结论也更加准确可靠；

（3）在本发明中，驱动部件与开挖模块之间通过定位销和定位孔相配合进行连接，相邻的两组开挖模块之间通过传动销和定位孔相配合进行连接，避免驱动部件通过齿轮组件驱动变径组件进行变径时产生轴转现象，以使驱动部件能够稳定驱动开挖模块改变其使用直径；同时，采用这种连接结构还便于对驱动部件与开挖模块之间、相邻的开挖模块与开挖模块之间进行组装，降低了组装的难度；其中定位销和传动销设置为相同的结构，能够提高开挖模块的通用性，以使每组开挖模块均能与驱动部件进行组装；配合使用封闭组件，能够防止土工离心试验过程中土体进入到隧道模型内部，避免隧道开挖模拟试验装置端部的土体塌方而影响试验结果，同时也防止土体进行到隧道模型内部而影响齿轮组件和变径组件的运转。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是驱动部件的结构示意图；

图3是外壳、电机和传动组件之间的连接结构示意图；

图4是开挖模块的结构示意图；

图5是齿轮组件、齿轮套与定位套之间的连接结构示意图；

图6是齿轮套的结构示意图；

图7是定位套的结构示意图；

图8是模块主体的结构示意图；

图9是旋转环的结构示意图；

图10是变径组件结构示意图；

图11是收缩片的结构示意图。

图中：1、驱动部件；101、外壳；102、电机；103、传动组件；1031、蜗杆；1032、蜗轮；104、传动轴；105、定位销；106、盖板；2、开挖模块；201、齿轮组件；2011、中心齿轮；2012、传动齿轮；202、齿轮套；203、模块主体；2031、安装部；2032、辐条；2033、支撑部；204、变径组件；2041、定位套；2042、旋转环；2043、收缩片；205、通孔；206、齿圈；207、凹槽；208、凸起；209、锁紧螺栓；3、封闭组件。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

如图1-图11所示，一种模块化隧道开挖模拟试验装置，包括驱动部件1，驱动部件1的输出端连接有隧道模型，驱动部件1用于驱动隧道模型改变自身的使用直径，隧道模型至少由一组开挖模块2组成，且隧道模型远离驱动部件1的一端设置有封闭组件3，驱动部件1上连接有固定杆件，固定杆件用于将隧道模型的端部固定于驱动部件1上。

具体地，在本发明当中，根据模拟需求将一组或多组开挖模块2拼接成隧道模型，利用固定杆件将隧道模型与驱动部件1之间进行固定连接，以实现隧道开挖模块的组装；组装时，将固定杆件的一端固定连接于驱动部件1，将拼接好后的隧道模型相对应套设于固定杆件上，同时使隧道模型的输入端相配合连接于驱动部件1的输出端，以使驱动部件1能够驱动隧道模型改变自身直径，模拟地层损失状态，利用固定杆件将隧道模型锁紧于驱动部件1上，保证整个装置具有较好的直线性，再在隧道模型远离驱动部件1的一端安装封闭组件3，以保证隧道开挖模拟试验装置具有较好的封闭性，避免离心试验时土体的进入；若隧道模型由多组开挖模块2构成，将其中一组开挖模块2相对应套设于固定杆件上，以使该开挖模块2的输入端与驱动部件1的输出端相配合连接，将另一组开挖模块2按照相同的方式套设于固定杆件上，并使该开挖模块2的输入端与上一组开挖模块2的输出端相配合连接，直至将多组开挖模块2组装成所需的隧道模型；进行土工离心试验时，控制驱动部件1进行运转，使其带动隧道模型改变自身的使用直径，即通过缩小自身使用直径来模拟地层损失，以使隧道开挖模拟试验装置更加贴合实际施工，因此测量的数据和得出的结果也更加准确可靠。

驱动部件1包括外壳101、电机102、传动组件103和传动轴104，外壳101连接于固定杆件的端部，且该外壳101抵靠于隧道模型的端部，电机102设置于外壳101的内壁上，传动组件103的输入端连接于电机102的输出端，其输出端连接于传动轴104的输入端，传动轴104转动设置于外壳101上，且该传动轴104的输出端与隧道模型的输入端相连接；传动组件103设置为蜗杆1031和蜗轮1032，蜗杆1031的输入端连接于电机102的输出端，蜗轮1032与蜗杆1031之间相互啮合，且该蜗轮1032的输出端与传动轴104的输入端相连接；传动轴104的一端设置有定位销105，定位销105的截面设置为矩形，且该定位销105的结构与隧道模型输入端的结构相配合，避免转动的传动轴104带动开挖模块2进行运转时两者出现轴转现象，保证两者的传动效果，同时也便于将开挖模块2与驱动部件1之间进行组装。

具体地，驱动部件1作为动力单元，能够为隧道模型改变其使用直径时提供能量，驱动部件1中的电机102转动时会带动与其输出端相连接传动组件103进行运转，即带动电机102输出端连接的蜗杆1031进行转动，并由蜗杆1031带动与其相啮合的蜗轮1032进行转动，以使蜗轮1032带动与其连接的传动轴104于外壳101上进行转动，传动轴104的端部设置有定位销105，定位销105的结构与隧道模型输入端的结构相配合，以使转动的传动轴104通过定位销105带动隧道模型进行运转，驱动隧道模型进行运转。

电机102可设置为一组，也可设置为两组或多组，当电机102设置为多组时，多组电机102的输出端均与一组蜗杆1031的输入端相连接，每组蜗杆1031均与蜗轮1032相啮合，通过多组电机102提供驱动力的方式，能够为蜗轮1032提供更强劲的动力，同时也能减小蜗轮1032旋转时所产生的偏移，保证蜗轮1032稳定的转动。

外壳101上设置有盖板106，盖板106通过螺钉固定于外壳101上，传动轴104的另一端转动设置于盖板106上，利用盖板106可对外壳101内部的电机102和传动组件103进行防护，避免土体进入其中而影响使用。

开挖模块2包括齿轮组件201、齿轮套202、模块主体203和变径组件204，齿轮组件201的输入端与驱动部件1的输出端或相邻开挖模块2的输出端传动相连，且齿轮组件201设置于齿轮套202上，模块主体203和变径组件204相邻套设于齿轮套202上，且变径组件204设置于模块主体203内，并由齿轮组件201带动变径组件204于模块主体203上改变隧道模型的使用直径；齿轮套202上开设有通孔205，固定杆件相配合穿设于通孔205内。

具体地，在本发明当中，隧道模型可由一组或多组开挖模块2组成，以满足模拟试验需求，并可根据实际需求来组装不同长度的隧道模型，在对驱动部件1与其相接触的开挖模块2进行组装时，将固定杆件的一端连接于驱动部件1的外壳101上，将开挖模块2通过设置开设于齿轮套202上的通孔205套设于固定杆件上，采用内部固定连接优点在于不会在隧道开挖模拟试验装置的外表面引入干扰因素，保证其表面更接近实际的隧道结构；当隧道模型由多组开挖模块2组成时，按照上述方式依次将开挖模块2套设于固定杆件上，并使相邻的两组开挖模块2首尾相接，即一组开挖模块2的输入端连接于另一组开挖模块2的输出端，以便驱动部件1能够同时带动组成隧道模型的开挖模块2同步运动；

在土工离心试验前，控制驱动部件1带动定位销105转动，由定位销105带动与其相配合连接的隧道模型中的齿轮组件201进行运转，运转的齿轮组件201带动与其传动相连的变径组件204于齿轮套202和模块主体203上进行运转，以使隧道模型的使用直径增大，此时隧道开挖模拟试验装置用于模拟开挖初期未出现地层损失的状态；同理，在进行土工离心试验时，驱动部件1通过定位销105和齿轮组件201反向运动，以使变径组件204于模型主体上反向运转，并使整个隧道模型的使用直径减小，以模拟在土体重力的作用下隧道产生地层损失的状态。

齿轮组件201包括中心齿轮2011和传动齿轮2012，中心齿轮2011设置于齿轮套202的内部，且该中心齿轮2011的输入端与驱动部件1的输出端或相邻开挖模块2的输出端传动相连，齿轮套202的侧壁开设有槽口，传动齿轮2012转动设置于槽口内，传动齿轮2012与中心齿轮2011之间相啮合，且传动齿轮2012用于带动变径组件204进行运动；中心齿轮2011的一端开设有定位孔，定位孔的结构与定位销105的结构相配合，以使转动的驱动轴通过定位孔和定位销105带动中心齿轮2011进行运动，同时也便于驱动轴与中心齿轮2011进行连接，中心齿轮2011的另一端设置有传动销，传动销的结构与定位销105的结构相同，以使每组开挖模块2均能与驱动部件1的输出端相连接，提高开挖模块2的通用性。

具体地，由驱动部件1通过齿轮组件201带动变径组件204于齿轮套202上进行运转，驱动部件1通过其输出端连接定位销105进行转动，由于定位销105的结构与定位孔的结构相配合，定位销105相配合插设于相邻的中心齿轮2011端部开设的定位孔内，转动的定位销105会通过定位销105和定位孔带动中心齿轮2011进行转动，以使中心齿轮2011带动与其相啮合的传动齿轮2012于齿轮套202上进行转动，转动的传动齿轮2012会带动与其传动相连的变径组件204于模块主体203上进行运转，驱动开挖模块2内的变径组件204进行运转。

变径组件204包括定位套2041、旋转环2042和收缩片2043，定位套2041固定套设于齿轮套202上，且该定位套2041的一端抵靠于模块主体203上，定位套2041上开设有开槽，开槽的位置与槽口的位置相对应，以容纳传动齿轮2012，避免干扰其运转，旋转环2042转动套设于定位套2041上，且该旋转环2042与传动齿轮2012之间传动相连，收缩片2043设置为多组，多组收缩片2043的一端均匀布设于旋转环2042的弧形边缘处，模块主体203上开设有斜槽，收缩片2043相配合穿设于斜槽内，且每组收缩片2043穿过斜槽的部分抵靠于模块主体203的外壁上；旋转环2042的内部开设有环形槽，环形槽的内壁上设置有齿圈206，齿圈206与传动齿轮2012相互啮合。

具体地，驱动部件1通过定位销105和齿轮组件201带动变径组件204于模块主体203上进行运转，以使隧道模型达到变径的效果；土工离心试验前，需要增加隧道开挖模拟试验装置，由于传动齿轮2012和设置于旋转环2042上的齿圈206相啮合，转动的传动齿轮2012通过齿圈206带动旋转环2042于定位套2041上进行转动，且收缩片2043的一端连接于旋转环2042上，其另一端插设于开设在模块主体203上的斜槽内，随着旋转环2042的转动，收缩片2043穿过斜槽并抵靠于模块主体203的表面，直至使收缩片2043将模块主体203的外部包裹起来。直至将其表面覆盖，从而实现隧道模型的直径，此时用以模拟隧道开挖初期时的状态；同理，在试验过程中，需要模拟隧道地层损失下的状态，即此时隧道开挖模拟试验装置的使用直径需要减小，此时控制驱动部件1带动定位销105反向转动，定位销105通过齿轮组件201和齿圈206带动旋转环2042于定位套2041上反向转动，此时旋转环2042带动收缩片2043于斜槽内进行滑动，并使得收缩片2043逐渐收入到斜槽内，以使隧道开挖模拟试验装置的使用直径缩小。

齿轮套202的外侧壁上设置有凸起208，模块主体203内和定位套2041内均开设有凹槽207，凹槽207的结构和凸起208的结构相配合，通过在模块主体203的内部和定位套2041的内部开设凹槽207，并使其分别与齿轮套202外壁上的凸起208相配合使用，能够避免模块主体203和定位套2041自身于齿轮套202上发生轴转，以保证两者于齿轮套202上固定的稳定性。

模块主体203设置为安装部2031、辐条2032和支撑部2033，安装部2031相配合套设于齿轮套202上，安装部2031的内壁上开设有凹槽207，且该凹槽207的结构与凸起208的结构相配合，辐条2032设置为多组，且多组辐条2032的两端分别与安装部2031的外壁和支撑部2033的内壁相连接，支撑部2033上开设有斜槽，收缩片2043相配合插设于斜槽内。

具体地，模块主体203可通过安装部2031固定稳定套设于齿轮套202上，安装部2031和支撑部2033之间由多组辐条2032呈米字状进行支撑，能够保证模块主体203本身受力均匀，避免支撑部2033发生变形，为了保证收缩片2043能够尽可能的覆盖于支撑部2033的外表面，在保证辐条2032对支撑部2033稳定支撑的情况下，可采用板状的辐条2032进行支撑，减小与支撑部2033之间的接触面积，从而增大收缩片2043于支撑部2033外表面的覆盖面积，提高模拟效果。

旋转环2042的圆弧曲面上均匀开设有多组弧形卡槽，收缩片2043的一端呈C字形卡设于弧形卡槽内，收缩片2043上穿设有锁紧螺栓209，锁紧螺栓209用于将收缩片2043锁紧于旋转环2042上，通过将收缩片2043的一端设置呈C字形，便于将其卡入到旋转环2042圆弧上开设的弧形卡槽内，并由弧形卡槽对其进行卡紧限位，防止收缩片2043运动时出现错位；同时，可根据模拟试验需求选取不同厚度的收缩片2043，并通过弧形卡槽和锁紧螺栓209进行固定，提高本装置的实用性。

固定杆件设置为丝杆和螺母（均未画出），丝杆的一端旋配于外壳101的外壁上，螺母旋配于丝杆的另一端，螺母和丝杆用于将隧道模型和驱动部件1进行固定连接。

具体地，利用固定杆件中的丝杆和螺母于隧道模型内部将其与驱动部件1进行固定，将丝杆的一端旋配于驱动部件1的外壳101上，并通过齿轮套202上开设的通孔205将开挖模块2所组成的隧道模型其套设于丝杆上，并使驱动部件1的定位销105与其相邻的开挖模块2的定位孔之间、相邻开挖模块2的传动销和定位孔之间相配合连接，组装完成后，将螺母旋配于丝杆的另一端，并使螺母抵靠于齿轮套202上，以对隧道模型和驱动部件1之间进行连接固定，由于丝杆于隧道模型内部将其与驱动部件1相连接，因此不会对隧道开挖模拟试验装置的表面产生影响，保证试验结果的准确性；且可使用多组固定杆件，以增加本装置的牢固性；同时，采用这种固定方式，还能够使隧道开挖模拟试验装置具有较好的受力能力，避免开挖模块2之间不会在离心的力的作用下错位变形，以使本装置具有较好的直线性。

封闭组件3设置为封板，封板相配合嵌设于隧道模型远离驱动部件1的一端，通过采用封板，能够对隧道模型远离驱动部件1的一端进行封闭，避免实验过程中土体进入到隧道模型中，影响模型内部的部件的运转和试验的准确性。

另外，本发明所涉及的模块化隧道开挖模拟试验装置用于土工离心试验当中，试验前将本装置放置于模型箱内，再利用试验用土对本装置进行填埋，其中土工离心试验的具体操作方法和注意事项属于本技术领域现有技术，本发明未对其进行改进；上述所涉及的电机102与外壳101之间可采用栓接的方式进行连接，安装部2031与辐条2032之间、辐条2032与支撑部2033之间均可采用焊接的方式进行连接，为保证收缩片2043能够穿过斜槽的部位能够贴合于模块主体203的外表面上，收缩片2043可采用具有弹性且质地较软的金属片，如铝合金片或弹性钢带均可用作制作材料，以便于将其安装于旋转环2042上的弧形卡槽内，同时也能保证其充分贴合于模块主体203的外表面上，传动组件103除了可以采用蜗轮1032和蜗杆1031的组合外，还可以采用锥齿轮组件201合等具有同等传动效果的传动组件103进行传动；其中电机102、蜗轮1032和蜗杆1031等部件的具体结构和工作原理均属于本技术领域现有技术，本发明未对其进行改进，故不再赘述。

在本发明中，模块化隧道开挖模拟试验装置可根据模拟试验的实际需求进行任意组合，利用一组或多组模块化的开挖模块2来构成所需的隧道模型，相比与原有的隧道开挖模块试验装置，本装置可重复使用，降低成本的投入，具有较好的灵活性和实用性；且固定杆件于隧道模型内部将其与驱动部件1之间进行固定连接，减少了外界干扰的因素对隧道开挖模块试验装置外表面的影响，保证测量效果，同时保证两者之间具备较佳的固定效果，避免相邻的开挖模块2之间在离心力的作用下而发生错开或形变，从而保证本装置始终具有较好的直线性；在进行土工离心试验前由电机102控制变径组件204中旋转环2042带动收缩片2043穿过斜槽的部分包裹并覆盖住隧道模型的表面，来模拟隧道开挖初期未受土体作用力时的状态；在试验时通过驱动部件1反向运动，使其控制旋转环2042重新将收缩片2043收入到斜槽内，以使隧道开挖模拟试验装置的使用直径发生改变，从而模拟出隧道开挖一段时间后在土体重力的作用下而造成的地层，以使试验过程更加贴合实际施工，因此所测量的数据和得出的结论也更加准确可靠；驱动部件1与开挖模块2之间通过定位销105和定位孔相配合进行连接，相邻的两组开挖模块2之间通过传动销和定位孔相配合进行连接，避免驱动部件1通过齿轮组件201驱动变径组件204进行变径时产生轴转现象，以使驱动部件1能够稳定驱动开挖模块2改变其使用直径；同时，采用这种连接结构还便于对驱动部件1与开挖模块2之间、相邻的开挖模块2与开挖模块2之间进行组装，降低了组装的难度；其中定位销105和传动销设置为相同的结构，能够提高开挖模块2的通用性，以使每组开挖模块2均能与驱动部件1进行组装；配合使用封闭组件3，能够防止土工离心试验过程中土体进入到隧道模型内部，避免隧道开挖模拟试验装置端部的土体塌方而影响试验结果，同时也防止土体进行到隧道模型内部而影响齿轮组件201和变径组件204的运转，以多组开挖模块2组装成的隧道开挖模拟试验装置为例，本发明的具体工作流程如下：

对模块化隧道开挖模拟试验装置进行组装：将固定杆件中丝杆的一端旋配于驱动部件1的外壳101上，根据模拟试验需求选取开挖模块2的数量，将其中一组开挖模块2相对应套设于丝杆上，以使丝杆穿过相应的通孔205，并使得中心齿轮2011上开设的定位孔与驱动部件1的输出端设置的定位销105相配合连接，将另一组开挖模块2按照相同的方式套设于丝杆上，并使该开挖模块2中心齿轮2011上的定位孔与上一组开挖模块2中心齿轮2011上的传动销相配合连接，直至将多组开挖模块2按照所需长度组装并形成隧道模型，将螺母旋套于丝杆的另一端并使螺母抵靠于齿轮套202上，以通过固定杆件对隧道模型和驱动部件1进行组装，完成后，将封板相配合嵌设于隧道模型远离驱动部件1的一端，以实现对本装置的组装；

对模块化隧道开挖模拟试验装置进行应用：在土工离心试验前，控制驱动部件1增大隧道开挖模拟试验装置的使用直径，控制驱动部件1中电机102进行转动，通过蜗轮1032和蜗杆1031带动传动轴104于外壳101上进行转动，由于定位销105与定位孔之间相配合连接，相邻的开挖模块2上的传动销与定位孔之间相配合连接，因此转动的传动轴104会带动中心齿轮2011进行转动，转动的中心齿轮2011会带动传动齿轮2012于齿轮套202上进行转动，由于传动齿轮2012与设置于旋转环2042内部的齿圈206相啮合，以使齿圈206带动旋转环2042于定位套2041上旋转，并带动收缩片2043于模块主体203上的斜槽内运动，使得收缩片2043穿过斜槽并对模块主体203的表面进行包裹，直至使收缩片2043将模块主体203的表面覆盖，此时模拟隧道开挖初期的状态；将本装置放置于土工离心实验所用的土工离心机的模型箱内并添加实验用土，待准备工作完成启动土工离心机进行土工离心实验，在进行实验时，控制驱动单元中的电机102反向转动，使其通过传动组件103、定位销105和齿轮组件201反向运转，以通过齿圈206带动旋转环2042于定位套2041上反向旋转，使得旋转环2042带动多组收缩片2043沿斜槽运动，并使得收缩片2043逐渐收缩进斜槽内，从而使隧道开挖模拟试验装置的使用半径缩小，以模拟隧道开挖后地层损失的状态。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种模块化隧道开挖模拟试验装置，包括驱动部件（1），其特征在于：所述驱动部件（1）的输出端连接有隧道模型，所述驱动部件（1）用于驱动隧道模型改变自身的使用直径，所述隧道模型至少由一组开挖模块（2）组成，且所述隧道模型远离驱动部件（1）的一端设置有封闭组件（3），所述驱动部件（1）上连接有固定杆件，所述固定杆件用于将隧道模型的端部固定于驱动部件（1）上；

所述开挖模块（2）包括齿轮组件（201）、齿轮套（202）、模块主体（203）和变径组件（204），所述齿轮组件（201）的输入端与驱动部件（1）的输出端或相邻开挖模块（2）的输出端传动相连，且所述齿轮组件（201）设置于齿轮套（202）上，所述模块主体（203）和变径组件（204）相邻套设于齿轮套（202）上，且所述变径组件（204）设置于模块主体（203）内，并由所述齿轮组件（201）带动变径组件（204）于模块主体（203）上改变隧道模型的使用直径;

所述驱动部件（1）包括外壳（101）、电机（102）、传动组件（103）和传动轴（104），所述外壳（101）连接于固定杆件的端部，且该外壳（101）抵靠于隧道模型的端部，所述电机（102）设置于外壳（101）的内壁上，所述传动组件（103）的输入端连接于电机（102）的输出端，所述传动组件（103）的输出端连接于传动轴（104）的输入端，所述传动轴（104）转动设置于外壳（101）上，且该传动轴（104）的输出端与隧道模型的输入端相连接;

所述传动轴（104）的一端设置有定位销（105），所述定位销（105）的截面设置为矩形，且该定位销（105）的结构与隧道模型输入端的结构相配合。

2.根据权利要求1所述的模块化隧道开挖模拟试验装置，其特征在于：所述齿轮套（202）上开设有通孔（205），所述固定杆件相配合穿设于通孔（205）内。

3.根据权利要求1所述的模块化隧道开挖模拟试验装置，其特征在于：所述齿轮组件（201）包括中心齿轮（2011）和传动齿轮（2012），所述中心齿轮（2011）设置于齿轮套（202）的内部，且该中心齿轮（2011）的输入端与驱动部件（1）的输出端或相邻开挖模块（2）的输出端传动相连，所述齿轮套（202）的侧壁开设有槽口，所述传动齿轮（2012）转动设置于槽口内，所述传动齿轮（2012）与中心齿轮（2011）之间相啮合，且所述传动齿轮（2012）用于带动变径组件（204）进行运动。

4.根据权利要求3所述的模块化隧道开挖模拟试验装置，其特征在于：所述中心齿轮（2011）的一端开设有定位孔，所述定位孔的结构与定位销（105）的结构相配合，所述中心齿轮（2011）的另一端设置有传动销，所述传动销的结构与定位销（105）的结构相同。

5.根据权利要求4所述的模块化隧道开挖模拟试验装置，其特征在于：所述变径组件（204）包括定位套（2041）、旋转环（2042）和收缩片（2043），所述定位套（2041）固定套设于齿轮套（202）上，且该定位套（2041）的一端抵靠于模块主体（203）上，所述定位套（2041）上开设有开槽，所述开槽的位置与槽口的位置相对应，所述旋转环（2042）转动套设于定位套（2041）上，且该旋转环（2042）与传动齿轮（2012）之间传动相连，所述收缩片（2043）设置为多组，多组所述收缩片（2043）的一端均匀布设于旋转环（2042）的弧形边缘处，所述模块主体（203）上开设有斜槽，所述收缩片（2043）相配合穿设于斜槽内，且每组所述收缩片（2043）穿过斜槽的部分抵靠于模块主体（203）的外壁上；

所述旋转环（2042）的内部开设有环形槽，所述环形槽的内壁上设置有齿圈（206），所述齿圈（206）与传动齿轮（2012）相互啮合。

6.根据权利要求5所述的模块化隧道开挖模拟试验装置，其特征在于：所述齿轮套（202）的外侧壁上设置有凸起（208），所述模块主体（203）内和定位套（2041）内均开设有凹槽（207），所述凹槽（207）的结构和凸起（208）的结构相配合。

7.根据权利要求5所述的模块化隧道开挖模拟试验装置，其特征在于：所述旋转环（2042）的圆弧曲面上均匀开设有多组弧形卡槽，所述收缩片（2043）的一端呈C字形卡设于弧形卡槽内，所述收缩片（2043）上穿设有锁紧螺栓（209），所述锁紧螺栓（209）用于将收缩片（2043）锁紧于旋转环（2042）上。

8.一种对权利要求1-7任意一项所述模块化隧道开挖模拟试验装置的组装方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将所述固定杆件的一端固定连接于驱动部件（1）上；

S2：将所述隧道模型相对应套设于固定杆件上，并使得所述隧道模型的输入端相配合连接于驱动部件（1）的输出端，再通过所述固定杆件将隧道模型锁紧于驱动部件（1）上；

S3：于所述隧道模型远离驱动部件（1）的一端安装封闭组件（3）。

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