(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 202210873202.1 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 山东大学 地址 250100 山东省济南市历城区山大南 路27号 (72)发明人 丁万涛　秦旺　郭文静　王涵　 王中荣　黄兴行　戴尊勇　王承震　 陈永志　 (74)专利代理 机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 372 21 专利代理师 任金存 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01N 21/88(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实 验装置及方法 (57)摘要 本发明涉及地下工程模型试验设备技术领 域， 尤其涉及一种研究刀盘切削对开挖面破裂影 响的实验装置及方法。 实验装置包括： 透明模型 箱， 用于盛放透明土， 所述透明模型箱的一个侧 面内接隧道模型； 模拟掘进系统， 包括刀盘、 刀盘 驱动及传动杆， 所述刀盘前端设有刀盘凸起， 刀 盘驱动连接刀盘后端并驱动刀盘旋转， 传动杆连 接刀盘驱动， 并能带动刀盘驱动和 刀盘在所述隧 道模型内前进或后退； 图像采集系统， 包括激光 发射器和相机， 用于采集刀盘按照设定速度旋转 并后退时透明土的变化。 通过模拟刀盘旋转产生 的扰动对开挖面破裂机制的影 响， 解决了现有试 验装置不完全符合实际工况的问题。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 115420874 A 2022.12.02 CN 115420874 A 1.一种研究刀盘切削对开挖面破裂 影响的实验 装置， 其特 征在于， 包括： 透明模型箱， 用于盛放透明土， 所述透明模型箱的一个侧面内接隧道模型； 模拟掘进系统， 包括刀盘、 刀盘驱动及传动杆， 所述刀盘前端设有刀盘凸起， 刀盘驱动 连接刀盘后端并驱动刀盘旋转， 传动杆连接刀盘驱动， 并能带动刀盘驱动和刀盘在所述隧 道模型内前进或后退； 图像采集系统， 包括激光发射器和相机， 用于采集刀盘按照设定速度旋转并后退时透 明土的变化。 2.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 刀盘凸起 为圆柱状凸起、 半球 状凸起和棱台状凸起中的至少一种。 3.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 模拟掘进系统还 包括隔板， 所述隔板连接在 传动杆端部， 用于安装刀盘驱动。 4.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 刀盘边缘贴有橡胶 密封条。 5.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 图像采集系统包括设置在透明模型箱周围的三个激光 发射器和三个相机， 所述透明土中设 置示踪粒子， 所述激光发射器用于照射透明模型箱内透明土中的示踪粒子， 相 机用于采集 透明土中示踪粒子的时间序列图像。 6.如权利要求5所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 激光发射器和相机均固定在支 架上， 所述支 架为三脚架。 7.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 透明模型箱为顶部开口 的正方体结构。 8.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 还包 括工作台， 所述透明模型箱和模拟掘进系统均设置在所述工作台上。 9.如权利要求1所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 其特征在于， 所述 模拟掘进系统还包括驱动传动杆前进或后退的电动机， 所述电动机和图像采集系统均连接 到计算机上。 10.如权利要求1 ‑9任一项所述的研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置的试验 方法， 其特征在于， 传动杆带动刀盘按照设定速度前进或后退， 刀盘前进或后退过程中， 相 机采集透明土中示踪粒子的时间序列图像， 并将采集的图像传输给计算机， 计算机对图像 进行分析。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115420874 A 2一种研究刀盘切削对开挖 面破裂影响的实验装 置及方法 技术领域 [0001]本发明涉及 地下工程模型试验设备技术领域， 尤其涉及 一种研究刀盘切削对开挖 面破裂影响的实验 装置及方法。 背景技术 [0002]公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解， 而不必然 被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技 术。 [0003]随着经济 的快速发展， 越来越多的隧道建设采用了施工效率更高， 安全稳定性更 好的盾构法施工。 而在盾构施工中保证开挖面的稳定对隧道的顺利开挖至关重要。 研究开 挖面土体的破裂机制可以及时预测并防止开挖面失稳， 保证盾构的顺利掘进。 但在实际开 挖过程中前方土体的位移难以监测， 因此常用室内模型试验的方法来模拟盾构开挖并研究 开挖面的失稳机制。 [0004]现有的实验装置通过模拟支护力减小的过程模拟开挖面失稳的发生过程， 但未考 虑刀盘切削对开挖面破裂机制的影响， 虽然对开挖面破裂过程具有一定的参考意义， 但并 不完全符合实际工况， 也无法得到支护 力与土体内部变形的精确关系。 发明内容 [0005]针对现有技术存在的不足， 本发明实施例的目的是提供一种研究刀盘切削对开挖 面破裂影响的实验装置， 通过模拟刀盘旋转产生的扰动对开挖面破裂机制的影响， 解决现 有试验装置不完全符合实际工况的问题。 [0006]为了实现上述目的， 本发明实施例提供了如下技 术方案： [0007]一种研究刀盘切削对开挖面破裂影响的实验装置， 包括： 透明模型箱， 用于盛放透 明土， 所述透明模型箱的一个侧面内接隧道模型； 模拟掘进系统， 包括刀盘、 刀盘驱动及传 动杆， 所述刀盘前端设有刀盘凸起， 刀盘驱动连接刀盘后端并驱动刀盘旋转， 传动杆连接刀 盘驱动， 并能带动刀盘驱动和刀盘在所述隧道模型内前进或后退； 图像采集系统， 包括激光 发射器和相机， 用于采集刀盘按照设定 速度旋转并后退时透明土的变化。 [0008]本发明的另一优选 的实施方式中， 所述刀盘凸起为圆柱状凸起、 半球状凸起和棱 台状凸起中的至少一种。 [0009]本发明的另一优选 的实施方式中， 所述模拟掘进系统还包括隔板， 所述隔板连接 在传动杆端部， 用于安装刀盘驱动。 [0010]本发明的另一优选的实施方式 中， 所述刀盘边 缘贴有橡胶 密封条。 [0011]本发明的另一优选的实施方式中， 所述图像采集系统包括设置在透明模型箱周围 的三个激光发射器和 三个相机， 所述透明土中设置示踪粒子， 所述激光发射器用于照射透 明模型箱内透明土中的示踪粒子， 相机用于采集透明土中示踪粒子的时间序列图像。 [0012]本发明的另一优选 的实施方式中， 所述激光发射器和相机均固定在支架上， 所述说　明　书 1/5 页 3 CN 115420874 A 3