【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于矩形顶管施工模型试验，具体涉及一种土压平衡式矩形顶管模型机及其使用方法。
技术介绍
1、当前，随着各国城镇化程度的不断提高，人们对城市地下空间的需求日益增长，传统的明挖法已经不适合在建筑物密集的城市中应用。矩形顶管法属于机械化非开挖施工技术范畴，在国内外已得到广泛应用，是对城市地下空间开发的主要方法之一，在修建铁车站、地下综合管廊等市政工程方面发挥了重要作用。该种方法具有开挖量较小、对交通影响小、工期短、土质使用范围广、施工速度快、有较好的经济效益等优点，成为了未来矩形断面中短隧道修建技术的发展方向之一。
2、目前国内外对于矩形顶管隧道的理论研究仍落后于工程实践，已有的研究主要集中在圆形顶管领域，对矩形顶管开展的相关室内或模型试验研究较少。而足尺模型试验不仅需要较大的试验平台，所需设备也较多，导致综合成本较高。为了更好地研究矩形顶管施工对地层的影响以及注浆压力和施工顶力等参数，采用小型模型装置开展室内试验显得尤为重要。
3、然而，现有的矩形顶管模型装置存在掘进过程姿态难以调整、顶管机外壳之间连接困难、模拟矩形顶管施工过程不够全面等问题，导致模拟过程与实际工程存在较大差别，模拟效果不佳。
技术实现思路
1、为了克服上述技术缺陷，本专利技术提供了一种土压平衡式矩形顶管模型机及其使用方法，能够解决现有矩形顶管模型掘进过程姿态难以调整，导致无法对实际工程有效模拟的技术问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用如下
技术实现思路
：
3
4、所述顶推管节与顶推系统相连；
5、所述矩形顶管机头的掘进端设置有切削刀盘；
6、所述调姿管节与所述矩形顶管机头之间设置有调资系统，用于对矩形顶管机头的掘进方向进行调节。
7、进一步地，所述调资系统包括调姿油缸、调姿油缸底座、调姿双耳、调姿双耳底座和调姿单耳；
8、所述调姿油缸的两端分别通过一个调姿油缸底座固定于调姿管节和矩形顶管机头的底壁上；
9、所述调姿双耳通过调姿双耳底座固定于调姿管节的顶壁上；
10、所述调姿单耳固定于矩形顶管机头的的顶壁上；
11、所述调姿单耳插入连接于所述调姿双耳中。
12、进一步地，所述切削刀盘包括主刀盘和四个辅刀盘；所述主刀盘位于矩形顶管机头的中心，四个辅刀盘设置于矩形顶管机头的四个顶角处；所述主刀盘和四个辅刀盘连接有设置于调姿管节中的马达。
13、进一步地，所述马达通过传动组件与所述切削刀盘的刀盘轴相连；其中，主刀盘和四个辅刀盘对应的刀盘轴分别为主刀盘轴、一号辅刀盘轴、二号辅刀盘轴、三号辅刀盘轴和四号辅刀盘轴；所述传动组件包括与马达相连的传动轴；传动轴与主刀盘轴之间通过第一皮带、第一齿轮与第二齿轮连接；传动轴与三号辅刀盘轴之间通过第三齿轮与第四齿轮啮合连接；传动轴与四号辅刀盘轴之间通过第二皮带、第五齿轮与第六齿轮连接；一号辅刀盘轴与四号辅刀盘轴之间通过第三皮带、第七齿轮与第八齿轮连接；二号辅刀盘轴与三号辅刀盘轴之间通过第四皮带、第九齿轮与第十齿轮连接。
14、进一步地，所述切削刀盘的端面上开设有出土管道，所述出土管道包括出土管外壳和绞龙；所述绞龙插设于出土管外壳内，输入端连接有绞龙动力装置。
15、进一步地，所述调姿管节一端通过连接环与所述矩形顶管机头相连，另一端通过承插式连接环与所述顶推管节相连。
16、进一步地，所述顶推管节包括顶推管外壳，所述顶推管外壳上开设有注浆预留孔，所述注浆预留孔内插设有注浆系统的注浆预留管。
17、进一步地，所述顶推管节通过顶推板与顶推系统相连，所述顶推板与顶推系统的千斤顶相接触。
18、进一步地，还包括导轨机构，所述顶推管节、所述调姿管节和所述矩形顶管机头均设置于所述导轨机构上。
19、一种基于上述土压平衡式矩形顶管模型机的使用方法，包括：
20、将顶推管节、调姿管节和矩形顶管机头依次相连，启动矩形顶管机头掘进端的切削刀盘，利用顶推系统对顶推管节施加顶推力，通过调姿管节带动矩形顶管机头进行掘进，在矩形顶管机头掘进过程中，采用调资系统对矩形顶管机头掘进方向进行调节。
21、相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
22、本专利技术提供了一种土压平衡式矩形顶管模型机，本矩形顶管模型机采用依次相连的顶推管节、调姿管节和矩形顶管机头，并且在调姿管节与矩形顶管机头之间设置了调资系统，能够调整矩形顶管掘进过程中矩形顶管机头的掘进方向；通过分段式管节设计，使得矩形顶管模型机结构简单合理、稳定性好，能够解决模拟矩形顶管施工过程不够全面的问题，使得该装置能够更贴近于实际工程；本矩形顶管模型机能够用于矩形顶管掘进施工过程大比尺物理模型试验，为矩形顶管隧道施工过程中地层变化情况、管节受力特征、顶力及注浆压力调整等相关模型试验研究奠定基础，同时能够用于对矩形顶管机操作人员的培训教学，具有良好的推广应用价值。
23、优选地，本专利技术中，调资系统采用姿油缸、调姿油缸底座、调姿双耳、调姿双耳底座和调姿单耳，通过调整调资油缸的变化量来实现矩形顶管机头顶进角度的调整；通过控制调资油缸与调资油缸底座发生转动、调资单耳与调资双耳发生转动来实现垂直方向的角度调整；并且通过控制调资油缸，将推力通过调资油缸底座与调资单耳传递至矩形顶管机头来，从而实现水平方向的角度调整；采用上述设计，有效解决了现有矩形顶管模型装置掘进过程姿态难以调整的问题，采用本调资系统使得矩形顶管模型机能够在掘进过程中对姿态进行有效调节，从而能够更贴近于实际工程。
24、优选地，本专利技术中，切削刀盘采用主刀盘和四个辅刀盘，并且将主刀盘设置于矩形顶管机头的中心，用于切削掘进断面中心位置的土体；四个辅刀盘设置于矩形顶管机头的四个顶角处，用于切削主刀盘周围盲区的土体，提升了掘进效果。
25、进一步优选地，本专利技术中，传动组件采用了与马达相连的传动轴，以及传动轴直接连接或间接连接的各刀盘对应的刀盘轴，采用这样的设计，实现各刀盘之间的切削联动，保证了切削掘进的可靠性。
26、优选地，本专利技术中，在切削刀盘的端面上开设了出土管道，出土管道采用出土管外壳和绞龙的设置，这样，通过绞龙和出土管外壳的配合，绞龙螺旋转动将切削刀盘切削产生的土传送出矩形顶管机头，对掘进过程中产生的杂物第一时间进行清理，确保了顺利的掘进动作。
27、优选地，本专利技术中，顶推管节上设置了注浆系统，用于模拟矩形顶管掘进过程中的注浆工序，进一步贴合了实际工程。
28、本专利技术还提供了一种土压平衡式矩形顶管模型机的使用方法，基于上述土压平衡式矩形顶管模型机，本方法通过将顶推管节、调姿管节和矩形顶管机头依次相连并启动切削刀盘，在顶推系统作用下，顶推管节推动调姿管节，进而带动矩形顶管机头完成掘进工作，真实模拟了矩形顶管的实际工程，本方法实施简单，能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，包括依次相连的顶推管节(3)、调姿管节(12)和矩形顶管机头(14)；
2.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述调资系统包括调姿油缸、调姿油缸底座、调姿双耳、调姿双耳底座和调姿单耳；
3.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述切削刀盘(26)包括主刀盘(25)和四个辅刀盘；所述主刀盘(25)位于矩形顶管机头(14)的中心，四个辅刀盘设置于矩形顶管机头(14)的四个顶角处；所述主刀盘(25)和四个辅刀盘连接有设置于调姿管节(12)中的马达(16)。
4.根据权利要求3所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述马达(16)通过传动组件与所述切削刀盘(26)的刀盘轴相连；其中，主刀盘(25)和四个辅刀盘对应的刀盘轴分别为主刀盘轴(30)、一号辅刀盘轴(37)、二号辅刀盘轴(43)、三号辅刀盘轴(28)和四号辅刀盘轴(32)；所述传动组件包括与马达(16)相连的传动轴(29)；传动轴(29)与主刀盘轴(30)之间通过第一皮带(38)、第一齿
5.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述切削刀盘(26)的端面上开设有出土管道(13)，所述出土管道(13)包括出土管外壳(19)和绞龙(27)；所述绞龙(27)插设于出土管外壳(19)内，输入端连接有绞龙动力装置(4)。
6.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述调姿管节(12)一端通过连接环(20)与所述矩形顶管机头(14)相连，另一端通过承插式连接环(15)与所述顶推管节(3)相连。
7.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述顶推管节(3)包括顶推管外壳(1)，所述顶推管外壳(1)上开设有注浆预留孔，所述注浆预留孔内插设有注浆系统(2)的注浆预留管(10)。
8.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述顶推管节(3)通过顶推板(9)与顶推系统相连，所述顶推板(9)与顶推系统的千斤顶相接触。
9.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，还包括导轨机构(11)，所述顶推管节(3)、所述调姿管节(12)和所述矩形顶管机头(14)均设置于所述导轨机构(11)上。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述土压平衡式矩形顶管模型机的使用方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，包括依次相连的顶推管节(3)、调姿管节(12)和矩形顶管机头(14)；
2.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述调资系统包括调姿油缸、调姿油缸底座、调姿双耳、调姿双耳底座和调姿单耳；
3.根据权利要求1所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述切削刀盘(26)包括主刀盘(25)和四个辅刀盘；所述主刀盘(25)位于矩形顶管机头(14)的中心，四个辅刀盘设置于矩形顶管机头(14)的四个顶角处；所述主刀盘(25)和四个辅刀盘连接有设置于调姿管节(12)中的马达(16)。
4.根据权利要求3所述的一种土压平衡式矩形顶管模型机，其特征在于，所述马达(16)通过传动组件与所述切削刀盘(26)的刀盘轴相连；其中，主刀盘(25)和四个辅刀盘对应的刀盘轴分别为主刀盘轴(30)、一号辅刀盘轴(37)、二号辅刀盘轴(43)、三号辅刀盘轴(28)和四号辅刀盘轴(32)；所述传动组件包括与马达(16)相连的传动轴(29)；传动轴(29)与主刀盘轴(30)之间通过第一皮带(38)、第一齿轮(39)与第二齿轮(46)连接；传动轴(29)与三号辅刀盘轴(28)之间通过第三齿轮(40)与第四齿轮(44)啮合连接；传动轴(29)与四号辅刀盘轴(32)之间通过第二皮带(31)、第五齿轮(33)与第六齿轮(45)连接；一号辅刀盘轴(37)与四号辅刀盘轴(32)之间通过第三皮带(36)、第七齿轮(34)与...
【专利技术属性】
技术研发人员：许有俊，赵峥嵘，张旭，张朝，张博华，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：
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