(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210829955.2 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 厦门市政 城市开发建 设有限公司 地址 361006 福建省厦门市湖里区云顶中 路2777号市政大厦南楼 20楼 申请人 中铁第四勘察设计院集团有限公司 厦门分院 (72)发明人 王亚根　谢云理　许国栋　张绳锋　 徐威　 (74)专利代理 机构 成都精点专利代理事务所 (普通合伙) 51338 专利代理师 周建 (51)Int.Cl. G01C 5/00(2006.01) G01N 33/24(2006.01)G01D 21/02(2006.01) E21D 9/08(2006.01) (54)发明名称 一种模拟盾构超挖的实验系统及方法 (57)摘要 本发明涉及盾构超挖模拟实验 领域， 公开了 一种模拟盾构 超挖的实验系统及方法， 包括盾构 机模型、 两个齿条、 置放单元、 推动单元以及改向 单元， 盾构机模型的端部置于试验箱体内， 推动 单元用于推动齿条带动盾构机模型在试验箱体 内进行移动， 置放单元用于置放任一齿条， 改向 单元用于齿条在移动时解除置放单元对任一齿 条的置放后产生改向， 克服现有技术无法准确便 捷模拟盾构超挖， 通过与理论出土量的对比、 地 表沉降的监测得到超挖量及沉降量， 从而能够得 到直线段、 曲线段超挖对沉降的影响规律， 同时 还可模拟不同埋深条件下盾构超挖对地表沉降 的影响规律， 有效优化刀片选型及掘进参数， 保 障隧道施工及地表建 筑物安全。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115164834 A 2022.10.11 CN 115164834 A 1.一种模拟盾构超挖的实验系统， 特征在于， 包括盾构机模型 （1） 、 试验箱体 （23） 、 两个 齿条 （2） 、 置放单元、 推动单元以及改向单元， 试验箱体 （23） 上开设有通孔 （2 4） ， 盾构机模 型 （1） 的端部穿过通孔 （24） 置于试验箱体 （23） 内， 推动单元用于推动齿条 （2） 带动盾构机模 型 （1） 在试验箱体 （23） 内进 行移动， 置放单元用于置放任一齿 条 （2） ， 改向单元用于齿条 （2） 在 移动时解除置放单 元对任一齿条 （2） 的置放后产生改向。 2.根据权利要求1所述的一种 模拟盾构超挖的实验系统， 其特征在于， 推动单元包括反 力钢板 （3） 和转动杆 （4） ， 盾构机模型 （1） 的一端开放， 盾构机模型 （1） 的开放端转动设置有 刀盘 （5） ， 刀盘 （5） 与第一转动 杆 （4） 连接， 第一转动杆 （4） 的自由端设有第一锥形齿轮 （7） ， 盾构机模 型 （1） 内设有电机 （6） ， 电机 （6） 的输出端设有第二锥形齿轮 （8） ， 第一锥形齿轮 （7） 与第二锥形齿轮 （8） 啮合， 第二锥形齿轮 （8） 上啮合有第三锥形齿轮 （9） ， 第三锥形齿轮 （9） 设有伸缩支架 （10） ， 伸缩支架 （10） 的自由端依次活动贯穿盾构机模 型 （1） 后与反力钢板 （3） 连接， 第二转动杆 （4） 上还设有第一齿轮 （11） ， 第一齿轮 （11） 位于 反力钢板 （3） 上， 反力钢板 （3） 上还转动设置有两个蜗杆， 蜗杆的自由端设有第四锥形齿轮 （12） ， 每个第四锥形齿轮 （12） 与齿条 （2） 啮合， 齿条 （2） 的端部与盾构机模型 （1） 连接， 齿条 （2） 的自由端活动贯穿反 力钢板 （3） 后向外延伸。 3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种模拟盾构超挖的实验系统， 其特征在于， 置 放单元包括盾构机模型 （1） 的封闭端上开设有第一矩形槽 （13） 和第二矩形槽 （14） ， 第一矩 形槽 （13） 和第二矩形槽 （14） 连通， 第一矩形槽 （13） 的内壁上连接有隔板 （15） ， 隔板 （15） 的 自由端垂直设有第一连接板 （16） ， 第一连接板 （16） 上通过第一伸缩杆与第二矩形槽 （14） 内 壁连接， 第一连接 板 （16） 上还设有第二连接 板 （17） ， 第二连接 板 （17） 上开设有凹槽 。 4.根据权利要求3所述的一种 模拟盾构超挖的实验系统， 其特征在于， 改向单元包括设 置于试验箱体 （23） 上的多个第二伸缩 杆 （18） ， 每个第二伸缩 杆 （18） 连接于 反力钢板 （3） 上， 任两个第二伸缩 杆 （18） 之间设有定位板 （19） ， 定位板 （19） 上转动设置有与第一齿轮 （11） 相 啮合的第二齿轮 （25） ， 第二齿轮 （25） 上设有与凹槽相配合的导向杆 （20） ， 导向杆 （20） 的端 部活动贯 穿定位板 （19） 。 5.根据权利要求4所述的一种 模拟盾构超挖的实验系统， 其特征在于， 每个第 二伸缩杆 （18） 通过承载柱与盾构机模型 （1） 连接 。 6.根据权利要求4或5任意一项所述的一种模拟盾构超挖的实验系统， 其特征在于， 试 验箱体 （23） 为一端开放， 试验箱体 （23） 的开放端设有多个承载支架 （21） ， 每个承载支架 （21） 上设有 多个激光 位移计 （2 2） ， 多个承载支 架 （21） 沿管道轴线两侧等距间隔排列。 7.根据权利要求6任意一项所述的一种 模拟盾构超挖的实验系统， 其特征在于， 多个激 光位移计 （2 2） 等距间隔设置 于承载支 架 （21） 上。 8.一种模拟盾构超挖的实验方法， 其特征在于， 基于权利要求1 ‑8任意一项所述的一种 模拟盾构超挖的实验系统， 包括以下步骤： 步骤一： 向试验箱体 （23） 内填入围岩模拟材料， 每填10cm平整一次， 填至接近通孔 （24） 下部位置时将盾构机模 型 （1） 中的刀盘 （5） 、 土仓及盾壳安装于通孔 （24） 处试验箱体 （23） 内 部， 并关闭排土开关， 继续装填至实验要求； 步骤二： 沿模拟开挖方向从距通孔 （24） 10cm处开始， 间隔13cm垂直于开挖方向布置一 承载支架 （21） ， 宽度方 向共7个承载支架 （21） ， 并沿开挖中心线布置激光位移计 （22） ， 中心权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115164834 A 2线正上方布置一个， 中心线两侧20cm范围间隔10c m布置一个， 20cm范围外仅布置一个， 共布 置49个； 步骤三： 伸长可第一伸缩杆， 安装管片环后调整可第一伸缩杆长度， 使反力钢板 （3） 正 对盾构机模型 （1） 端部； 步骤四： 对盾构机模型 （1） 施加一定推力与 作用于盾构机模型 （1） 前 方的压力平衡； 步骤五： 打开盾构机模型 （1） 中的排土开关及螺旋输送机， 齿条 （2） 施加推力每伸长5cm 后停止加载， 关闭排土开关及螺旋输送机， 检查土盒装土量并及时更换， 平整土面， 激光位 移计 （22） 记录沉降数据； 步骤六： 同时收缩5cm长度的齿条 （2） 及第二伸缩杆， 重复步骤五直至距试验箱体 （23） 另一端5cm； 步骤七、 关闭排土开关、 螺旋输送机， 平整土面， 激光位移计 （22） 记录沉降值， 关闭激光 位移计 （2 2） ； 步骤八： 对排出的围岩模拟材 料进行称重， 得 出出土量。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115164834 A 3