本发明涉及越江海隧道工程技术领域，尤其涉及一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置和方法。
背景技术：
目前，在工程领域，隧道建设如火如荼，城市市政轨道交通、越江跨海交通干线建设方兴未艾。对地铁隧道、公路隧道需求量越来越大，而建设者所面临的施工环境也日趋复杂，盾构法施工成为复杂地质条件下最理想的施工方式。
以琼州海峡隧道为技术背景，盾构隧道建设面临诸多挑战。目前国内许多学者针对盾构机的掘进环境进行过一些模拟试验，有现场试验也有模型试验和数值模拟，但对于实现盾构掘进过程机——土相互作用的可视化目前还未有先例，可视化功能对于越江海盾构隧道中诸多重难点问题(如高水压条件下开挖面稳定、盾构掘进姿态、刀具磨损、泥水劈裂等)的研究具有很重要的作用，可对掘进过程进行直观的认识和理解，并且可获得较为精确的数据，有利于科学研究。
现有技术中的试验装置都不能实现记录盾构机掘进过程的掌子面土体甚至盾构前方土体的动态变化；因其操作复杂，成本投入巨大，试验装置密封性、安全性要求极高。针对盾构掘进可视化环境的模拟难题，有必要设计一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置和方法，以解决上述背景技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明的一方面，提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置。
本发明的实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置，其特征在于，该装置包括：可视化地质环境模拟装置、水压加载系统、盾构模型机和总控台，所述总控台与所述盾构模型机连接，所述盾构模型机伸入所述可视化地质环境模拟装置内，所述水压加载系统与所述可视化地质环境模拟装置连接；
所述水压加载系统向所述可视化地质环境模拟装置内供水，形成高水压环境，在所述总控台的控制作用下，所述盾构模型机在所述可视化地质环境模拟装置内进行掘进运动。
优选地，该装置还包括：泥水循环处理系统和数据监测系统，所述泥水循环处理系统与所述盾构模型机连接，所述数据监测系统与所述总控台连接，并置于所述可视化地质环境模拟装置和所述盾构模型机内。
优选地，所述泥水循环处理系统与所述盾构模型机的输泥管路系统连接，置于所述可视化地质环境模拟装置的外部，用于模拟盾构机的泥水循环过程。
优选地，所述数据监测系统，包括：水压监测系统、泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统，所述水压监测系统与所述可视化地质环境模拟装置连接，所述泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统置于所述盾构模型机的泥水舱内；
所述水压监测系统包括：3个压力表，分别均匀设置于所述可视化地质环境模拟装置的上部，用于对所述可视化地质环境模拟装置的内部水压力进行监测；
所述泥水舱压力监测系统包括：8个无线传感器，分别均匀设置于所述盾构模型机的泥水舱板上，用于采集所述泥水舱中的压力数据，对所述泥水舱的压力进行监测；
所述管片压力监测系统包括：48个压力传感器，分别均匀设置于所述盾构模型机的盾壳和管片上，用于采集所述管片上的压力数据，对管片的压力进行监测；
所述刀盘无线监测系统包括：8个无线传感器，分别均匀设置于所述盾构模型机的刀盘上，用于采集所述刀盘上的压力数据，对刀盘的运行进行监测。
优选地，所述数据监测系统，还包括：监测数据集成处理系统，所述监测数据集成处理系统分别与所述泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统连接；
所述监测数据集成处理系统，用于对传感器的监测数据进行处理，通过传输线与所述泥水舱压力监测系统和所述管片压力监测系统中的传感器连接，与所述刀盘无线监测系统的传感器进行无线连接，对所述泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统中的传感器采集的压力数据进行处理。
优选地，所述盾构模型机包括：反力架、推进油缸、管片、盾壳、驱动系统、扭矩传感器、主驱动轴、泥水舱、刀盘和刀具；
所述反力架与所述管片通过螺栓连接固定，用于协助所述盾构模型机的掘进运动；
所述反力架通过所述推进油缸与所述可视化地质环境模拟装置连接，所述推进油缸的伸缩控制所述管片的前进和后退；
所述驱动系统通过所述主驱动轴与所述扭矩传感器、泥水舱和刀盘连接，将推进动力传递给所述刀盘；
所述刀盘置于所述盾构模型机的首端，所述刀具置于所述刀盘上，所述刀盘与所述主驱动轴连接。
优选地，所述可视化施工环境模拟装置包括：底板、顶板、短侧板、长侧板、螺栓和焊接件，所述底板、顶板、短侧板和长侧板焊接构成一个立方体结构，所述长侧板焊接长侧板焊接件，所述短侧板焊接短侧板焊接件，所述螺栓和所述焊接件对所述立方体结构进行密封；
所述长侧板包括：前长侧板和后长侧板，在所述前长侧板上设置可视窗；
所述短侧板包括：左短侧板和右短侧板，在所述右短侧板上设置操作孔。
优选地，所述可视窗，设置于所述前长侧板中轴线偏左位置，在所述前长侧板中轴线偏左位置切割出可视窗孔后焊接空槽，再安装一块可视化玻璃得到所述可视窗，并设置密封材料垫层，利用密封橡胶缠绕固定，保证防水密封性能；
所述操作孔，用于连通所述可视化施工环境模拟装置和所述盾构模型机，所述盾构模型机的所述刀盘从所述操作孔伸入所述可视化施工环境模拟装置。
优选地，所述水压加载系统包括：高压水泵、排水阀、进水管和水箱，所述可视化地质环境模拟装置通过所述进水管与所述高压水泵连接，所述高压水泵通过进水管与所述水箱连接；
所述水压加载系统用于在所述总控台的控制下，向所述可视化地质环境模拟装置内供水，形成高水压环境。
本发明的另一方面，提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验方法。
本发明的实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
组装并调试可视化的高水压盾构模型掘进试验装置；
根据实际模拟地层的物理力学参数，利用所述水压加载系统模拟高水压环境，配置透明土体材料模拟地质环境，以及配置泥浆材料；
通过所述总控台和所述水压监测系统对所述水压加载系统进行控制，提供预设值的水压；
在所述总控台调节不同的掘进参数和变量，观察盾构掘进情况；
对高水压条件下盾构掘进过程进行实时监测，监测整个掘进过程的土体位移变化、掘进参数变化、泥水舱压力变化、刀盘受力分布和管片受力分布情况。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设计一种具有可视窗和操作孔的可视化施工环境模拟装置，将可视化施工环境模拟装置连接水压加载系统模拟高水压力的环境，将盾构模型机从操作孔处进行模拟掘进，并在盾构模型机上设置数据监测系统对掘进过程进行监测，以及设置监测数据集成处理系统对监测数据进行处理。本发明在总控台的控制下，模拟高水压环境下盾构系统的掌子面稳定性以及盾构管片和刀盘受力分布情况；在耗费比较少的人力、物力、财力的情况下，通过进行简单的操作，还原高水压下盾构掘进问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置的剖面图；
图2为本发明实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置的可视窗侧示意图；
图3为本发明实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置的三维示意图；
图4为本发明实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验方法的处理流程图；
其中，1-可视化地质环境模拟装置，2-盾构模型机，3-高压水泵，4-排水阀，5-进水管，6-水箱，7-泥水循环处理系统，8-总控台，9-输泥管路系统，10-压力表，11-反力架，12-推进油缸，13-管片，14-盾壳，15-驱动系统，16-扭矩传感器，17-主驱动轴，18-泥水舱，19-刀盘，20-刀具，21-可视窗，22-操作孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
本发明实施例提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置和方法，能够比较真实的模拟各种高水压盾构掘进环境，并能有效的提供模型盾构机掘进试验场所。
本发明实施例的一方面，提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置。
本发明实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置的剖面图如图1所示，该装置包括：视化地质环境模拟装置、水压加载系统、盾构模型机、总控台、泥水循环处理系统和数据监测系统；所述总控台与所述盾构模型机连接，所述盾构模型机伸入所述可视化地质环境模拟装置内，所述水压加载系统与所述可视化地质环境模拟装置连接，所述泥水循环处理系统与所述盾构模型机连接，所述数据监测系统与所述总控台连接，并置于所述可视化地质环境模拟装置和所述盾构模型机内。水压加载系统向可视化地质环境模拟装置内供水，形成高水压环境，在总控台的控制作用下，盾构模型机在可视化地质环境模拟装置内进行掘进运动。
该装置各部件的具体内容如下：
(1)可视化地质环境模拟装置
可视化施工环境模拟装置包括：底板、顶板、短侧板、长侧板、螺栓和焊接件，所述底板、顶板、短侧板和长侧板焊接构成一个立方体结构，所述长侧板焊接长侧板焊接件，所述短侧板焊接短侧板焊接件，所述螺栓和所述焊接件对所述立方体结构进行密封。
长侧板包括：前长侧板和后长侧板，在所述前长侧板上设置可视窗。
短侧板包括：左短侧板和右短侧板，在所述右短侧板上设置操作孔。
可视窗，设置于所述前长侧板中轴线偏左位置，在所述前长侧板中轴线偏左位置切割出可视窗孔后焊接空槽，再安装一块可视化玻璃得到所述可视窗，并设置密封材料垫层，利用密封橡胶缠绕固定，保证防水密封性能。
操作孔，用于连通所述可视化施工环境模拟装置和所述盾构模型机，所述盾构模型机的所述刀盘从所述操作孔伸入所述可视化施工环境模拟装置。
(2)盾构模型机
盾构模型机包括：反力架、推进油缸、管片、盾壳、驱动系统、扭矩传感器、主驱动轴、泥水舱、刀盘和刀具。
反力架与所述管片通过螺栓连接固定，用于协助所述盾构模型机的掘进运动。
反力架通过所述推进油缸与所述可视化地质环境模拟装置连接，所述推进油缸的伸缩控制所述管片的前进和后退。
驱动系统通过所述主驱动轴与所述扭矩传感器、泥水舱和刀盘连接，将推进动力传递给所述刀盘。
刀盘置于所述盾构模型机的首端，所述刀具置于所述刀盘上，所述刀盘与所述主驱动轴连接。
(3)水压加载系统
水压加载系统包括：高压水泵、排水阀、进水管和水箱，所述可视化地质环境模拟装置通过所述进水管与所述高压水泵连接，所述高压水泵通过进水管与所述水箱连接。
水压加载系统用于向所述可视化地质环境模拟装置内供水，形成高水压环境。
(4)泥水循环处理系统
泥水循环处理系统与所述盾构模型机的输泥管路系统连接，置于所述可视化地质环境模拟装置的外部，用于模拟盾构机的泥水循环过程。
(5)数据监测系统
数据监测系统，包括：水压监测系统、泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统，所述水压监测系统与所述可视化地质环境模拟装置连接，所述泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统置于所述盾构模型机的泥水舱内。
水压监测系统包括：3个压力表，分别均匀设置于所述可视化地质环境模拟装置的上部，用于对所述可视化地质环境模拟装置的内部水压力进行监测。
泥水舱压力监测系统包括：8个无线传感器，分别均匀设置于所述盾构模型机的泥水舱板上，用于采集所述泥水舱中的压力数据，对所述泥水舱的压力进行监测。
管片压力监测系统包括：48个压力传感器，分别均匀设置于所述盾构模型机的盾壳和管片上，用于采集所述管片上的压力数据，对管片的压力进行监测。
刀盘无线监测系统包括：8个无线传感器，分别均匀设置于所述盾构模型机的刀盘上，用于采集所述刀盘上的压力数据，对刀盘的运行进行监测。
数据监测系统还包括：监测数据集成处理系统，所述监测数据集成处理系统分别与所述泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统连接。
监测数据集成处理系统，用于对传感器的监测数据进行处理，通过传输线与所述泥水舱压力监测系统和所述管片压力监测系统中的传感器连接，与所述刀盘无线监测系统的传感器进行无线连接，对所述泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统中的传感器采集的压力数据进行处理。
(6)总控台
总控台与所述盾构模型机和数据监测系统连接，实现对盾构模型机的掘进控制和数据监测记录。在总控台的控制作用下，所述盾构模型机在所述可视化地质环境模拟装置内进行掘进运动。
在实际应用中，上述可视窗和操作孔的位置也可以设置在可视化施工环境模拟装置侧板的其它位置。本发明实施例并不局限上述可视窗和操作孔的具体设置位置，上述可视窗和操作孔在可视化施工环境模拟装置的外表面上的任何设置方式都在本发明实施例的保护范围中。
本发明实施例的另一方面，提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验方法。
本发明实施例提供的一种可视化的高水压盾构模型掘进试验方法的处理流程图如图4所示，包括如下的步骤：
s410：组装并调试可视化的高水压盾构模型掘进试验装置。
对可视化的高水压盾构模型掘进试验装置进行组装和调试，对盾构模型机、水压加载系统、泥水循环处理系统、数据监测系统和总控台进行组装和连接；以及对可视化施工环境模拟装置进行组装底板和侧板。
s420：根据实际模拟地层的物理力学参数，利用水压加载系统模拟高水压环境，配置透明土体材料模拟地质环境，以及配置泥浆材料。
根据实际模拟地层条件的物理力学参数，配置透明土体材料模拟地质环境，对可视化施工环境模拟装置进行填充，并在上部预留空间后进行封顶；在水压加载系统中准备足够水源；配置相对应的泥浆材料，并在泥水循环处理系统中放置足够泥浆材料。
s430：通过总控台和水压监测系统对水压加载系统进行控制提供预设值的水压。
预先施加水压，通过水压监测系统数据和总控台对水压进行控制，将水压施加至一定压力直至稳定，比如：2.0mpa。
s440：在总控台调节不同的掘进参数和变量，观察盾构掘进情况。
在总控台开始控制掘进运行，调节不同的掘进参数、控制不同的变量，观察盾构掘进情况，比如：研究开挖面稳定问题，可逐渐减小泥水舱压力直至前方土体坍塌，并记录压力数据和土体塌落过程。
s450：对高水压条件下盾构掘进过程进行实时监测，监测整个掘进过程的土体位移变化、掘进参数变化、泥水舱压力变化、刀盘受力分布和管片受力分布情况。
实施例二
该实施例提供了一种可视化的高水压盾构模型掘进试验装置，其具体实现结构如图1-3所示，具体可以包括如下的内容：可视化地质环境模拟装置1、水压加载系统和盾构模型机2；水压加载系统包括：高压水泵3、排水阀4、进水管5和水箱6；可视化地质环境模拟装置1通过进水管5与高压水泵3连接，高压水泵3通过进水管5与水箱6连接，盾构模型机2伸入可视化地质环境模拟装置1内；水压加载系统向可视化地质环境模拟装置1供水形成高水压，盾构模型机2在可视化地质环境模拟装置1内进行掘进运动。
该装置还包括：泥水循环处理系统7、数据监测系统和总控台8，数据监测系统包括：水压监测系统、泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统，水压监测系统与可视化地质环境模拟装置1连接，泥水舱压力监测系统、管片压力监测系统和刀盘无线监测系统置于盾构模型机内，泥水循环处理系统置于可视化地质环境模拟装置外。
泥水循环处理系统7与盾构模型机2连接，置于可视化地质环境模拟装置1外，与盾构模型机2内的输泥管路系统9连接，用于模拟盾构机的泥水循环过程。
水压监测系统包括：3个压力表10，分别均匀设置于所述可视化地质环境模拟装置1的上部，用于对可视化地质环境模拟装置1内部水压力进行监测。
泥水舱压力监测系统包括：8个无线传感器，分别均匀设置于盾构模型机的泥水舱板上，用于对泥水舱压力进行监测。
管片压力监测系统包括：48个压力传感器，分别均匀设置于盾构模型机的盾壳和管片上，用于对管片的压力进行监测。
刀盘无线监测系统包括：8个无线传感器，分别均匀设置于盾构模型机的刀盘上，用于对刀盘进行监测。
总控台与盾构模型机和数据监测系统连接，实现对盾构模型机的掘进控制和数据监测记录。
数据监测系统还包括：监测数据集成处理系统。泥水舱压力监测系统的8个压力传感器采集所述泥水舱中的压力数据，将数据通过传输线传送到监测数据集成处理系统进行处理；管片压力监测系统的48个压力传感器采集所述管片上的压力数据，将数据通过传输线传送到监测数据集成处理系统进行处理。刀盘无线监测系统的8个无线传感器采集管片上的压力数据，将数据发送到监测数据集成处理系统进行处理。
盾构模型机包括：反力架11、推进油缸12、管片13、盾壳14、驱动系统15、扭矩传感器16、主驱动轴17、泥水舱18、刀盘19和刀具20。反力架11与盾构模型机的管片13通过螺栓连接固定，协助盾构模型机的掘进运动。反力架11通过推进油缸12与可视化地质环境模拟装置1连接，推进油缸12的伸缩控制管片13的前进和后退。管片13与盾壳14通过推进油缸12连接，并将推进油缸12反力传递给盾壳14，实现盾构模型机2的掘进运动。驱动系统15通过主驱动轴17与扭矩传感器16、泥水舱18和刀盘19连接，将推进动力传递给刀盘19；刀盘19置于盾构模型机的首端，刀具20置于刀盘19上，刀盘19与主驱动轴17连接。
可视化施工环境模拟装置包括：底板、顶板、短侧板和长侧板，底板、顶板、短侧板和长侧板焊接构成一个立方体结构。长侧板包括：前长侧板和后长侧板，在前长侧板上设置可视窗。短侧板包括：左短侧板和右短侧板，在右短侧板上设置操作孔。可视化施工环境模拟装置整体由钢构件焊接和螺栓而成，长侧板焊接长侧板焊接件，短侧板焊接短侧板焊接件；可视化施工环境模拟装置通过螺栓连接和焊接实现密封。
用本发明实施例的装置进行可视化的高水压盾构模型掘进试验的具体过程与前述实施例类似，此处不再赘述。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)能够实现高水压盾构掘进模拟过程的完全可视，能够详细记录泥水盾构掘进过程，泥膜形成过程，泥水劈裂过程等关键问题，可对高水压条件下的开挖面稳定、泥水劈裂、刀具磨损、盾构掘进姿态等问题进行研究。
(2)能够实现模拟高水压施工环境，整体的框架为钢材焊机的箱体量，其受力情况好，体积小，结构布局比较合理，并经过多次的模拟校核能够承受2mpa的水压。
(3)装置操作简单、成本较低、安全性高。
综上所述，本发明实施例通过设计一种具有可视窗和操作孔的可视化施工环境模拟装置，将可视化施工环境模拟装置连接水压加载系统模拟高水压力的环境，将盾构模型机从操作孔处进行模拟掘进，并在盾构模型机上设置数据监测系统对掘进过程进行监测，以及设置监测数据集成处理系统对监测数据进行处理。本发明在总控台的控制下，通过控制推力、转速、掘进速度等参数使盾构模型机向前掘进，模拟高水压环境下盾构系统的掌子面稳定性以及盾构管片和刀盘受力分布情况；实现了高水压条件泥水盾构掘进过程的可视化；结构简单，易于操作，在耗费比较少的人力、物力、财力的情况下，还原高水压下盾构掘进问题。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。