一种基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统的制作方法

本技术涉及盾构隧道建设，尤其涉及一种基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统。

背景技术：

1、随着盾构隧道建设向机械化和智能化方向发展，盾构掘进过程中对地层的扰动问题日益凸显。刀盘旋转切削土体时，由于刀盘动力学特性(如偏心载荷、非对称刀具布局)及地层非均质性，会导致掘进轴线两侧地层应力分布不均，进而引发地表非对称沉降(如顺时针旋转时右侧沉降量较左侧增加5％～20％)。若沉降差异超过阈值(通常>5mm)，这种非对称沉降可能会引发管片接缝渗漏、邻近建筑倾斜等工程风险，严重时甚至导致地表塌陷。尤其在穿越敏感区域时，如何精准控制刀盘转动引发的双侧差异沉降，成为保障工程安全的关键技术难题。

2、基于此，现有技术的研究存在三方面不足：数值模拟多采用连续介质理论，未能通过离散元法准确刻画刀盘-土体动态相互作用；试验监测普遍采用单边沉降检测方案，忽略了刀盘旋转导致的沉降差异现象；控制策略仍依赖人工经验调整，缺乏基于实时数据的刀盘参数动态优化能力。例如cn116776553a专利虽实现沉降预测，但未考虑刀盘转动的影响；cn118780077a试验装置仅监测整体沉降，没有考虑盾构掘进中刀盘转动导致的两侧地层应力分布不均所引发非对称沉降。这种技术局限迫使工程实践中不得不采用保守的施工参数，不仅降低了施工效率，还直接增加了能源消耗和施工成本。

技术实现思路

1、本实用新型的主要目的在于提供一种基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，旨在解决传统方法无法量化刀盘转动对非对称沉降影响的难题，实现掘进参数的智能优化控制，具有沉降预测精度高、响应速度快、可视化效果好等优势，为盾构隧道工程的安全高效施工提供重要技术支撑。

2、为了达到上述目的，本实用新型提出一种基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，包括：模型箱和盾构掘进试验装置；所述盾构掘进试验装置包括盾构机、安装架和操作台，所述模型箱和所述操作台分别设置于所述安装架的两端，所述盾构机设置于所述安装架上；

3、所述模型箱内设置有用于监测所述模型箱内两侧底层应力分布的数据采集系统，所述数据采集系统、盾构机与所述操作台信号连接。

4、本实用新型的进一步技术方案是，所述模型箱内设有盾构掘进空间，所述数据采集系统包括设置于所述模型箱的盾构掘进空间内设置的支架、于所述支架上平行设置于所述模型箱内顶部的若干滑轨，每个滑轨上通过夹具固定设置有若干位移传感器。

5、本实用新型的进一步技术方案是，所述盾构机包括刀盘切削部分、出土部分、盾构机外壳、刀盘转动电机、推进电机和出土转动电机；

6、所述刀盘切削部分包括设置于盾构机前方土仓挡板内的转动刀盘，所述转动刀盘与后方的转动主轴的一端连接，所述转动主轴的另一端与所述刀盘转动电机连接；

7、所述出土部分包括出土钢管和螺旋出土器，所述螺旋出土器设置于所述出土钢管内，与后方的出土转动电机连接；

8、所述推进电机用于推进整个盾构机掘进。

9、本实用新型的进一步技术方案是，还包括减速器和法兰，所述减速器通过所述法兰与所述推进电机连接。

10、本实用新型的进一步技术方案是，所述安装架的底部设置有支撑螺栓，用于对所述盾构掘进试验装置进行校准和对齐。

11、本实用新型的进一步技术方案是，所述转动刀盘包括十字形条幅和刀片，所述转动主轴的一端与所述十字形条幅的中心连接，所述刀片设置于所述十字形条幅的端部。

12、本实用新型的进一步技术方案是，所述模型箱包括方钢框架、设置于所述方钢框架四周的钢支撑横梁，所述方钢框架的顶部与所述钢支撑梁的顶部连接处设置有角钢，所述模型箱上开设有直径略大于所述出土钢管的圆形孔洞。

13、本实用新型的进一步技术方案是，所述操作台设置有操作台显示屏、u盘拷贝掘进参数口、电源指示灯a、电源指示灯b、装备电源启动按钮、磨损机启动按钮和、掘进机启动按钮。

14、本实用新型基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统的有益效果是：

15、本实用新型创新性地将数字孪生技术应用于盾构掘进试验，解决了传统方法无法量化刀盘转动对非对称沉降影响的难题，实现了掘进参数的智能优化控制，具有沉降预测精度高、响应速度快、可视化效果好等优势，为盾构隧道工程的安全高效施工提供了重要技术支撑。

1.一种基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，包括：模型箱和盾构掘进试验装置；所述盾构掘进试验装置包括盾构机、安装架和操作台，所述模型箱和所述操作台分别设置于所述安装架的两端，所述盾构机设置于所述安装架上；

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，所述模型箱内设有盾构掘进空间，所述数据采集系统包括设置于所述模型箱的盾构掘进空间内设置的支架、于所述支架上平行设置于所述模型箱内顶部的若干滑轨，每个滑轨上通过夹具固定设置有若干位移传感器。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，所述盾构机包括刀盘切削部分、出土部分、盾构机外壳、刀盘转动电机、推进电机和出土转动电机；

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，还包括减速器和法兰，所述减速器通过所述法兰与所述推进电机连接。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，所述安装架的底部设置有支撑螺栓，用于对所述盾构掘进试验装置进行校准和对齐。

6.根据权利要求3所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，所述转动刀盘包括十字形条幅和刀片，所述转动主轴的一端与所述十字形条幅的中心连接，所述刀片设置于所述十字形条幅的端部。

7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，所述模型箱包括方钢框架、设置于所述方钢框架四周的钢支撑横梁，所述方钢框架的顶部与所述钢支撑梁的顶部连接处设置有角钢，所述模型箱上开设有直径略大于所述出土钢管的圆形孔洞。

8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的刀盘转动地层不均匀沉降试验系统，其特征在于，所述操作台设置有操作台显示屏、u盘拷贝掘进参数口、电源指示灯a、电源指示灯b、装备电源启动按钮、磨损机启动按钮和、掘进机启动按钮。