CN103117020B - 盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置 - Google Patents

Abstract

一种盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，包括模型箱，所述模型箱上设有隧道模拟机构和升降调节机构；所述模型箱由四块侧板和一块底板拼接构成，其中两块相对的侧板上对应开设有通槽；所述隧道模拟机构具有盾管和隧管，盾管套装在隧管上，盾管与隧管之间沿管轴方向设有至少两组弹性支撑件；所述升降调节机构对应每个通槽配备一套，每套升降调节机构包括升降板，该升降板在通槽位置上与模型箱侧板紧贴，有一顶升机构或提升机构与升降板连接，升降板上对应盾管开设有通孔，所述隧道模拟机构穿设于通孔和通槽中。本发明解决了现有室内物理模型试验法难以考虑隧道开挖深度、开挖直径等影响因素对地层变位的影响效应及影响规律。

Description

盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种可模拟城市盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷的室内模型试验装置。

背景技术

地铁隧道工程作为城市地下工程的一个重要分支，其对于解决城市交通拥堵、出行困难，实现可持续发展战略起着至关重要的作用。地铁隧道施工方法主要有：盾构暗挖法、矿山法、盖挖逆作法、明挖顺作法，而在城市地下空间开发中用得较多的是对周边环境影响较小的盾构暗挖法。但是，盾构机在开挖掘进过程中受到的各种阻力都将不可避免的对土体产生扰动，引起隧道周边土体应力释放及地层变形，特别是软土隧道中尤甚，极易带来一系列诸如道路路面塌陷、地下管线与既有地铁隧道等构筑物变形、开裂等环境问题。因此有必要针对盾构隧道开挖导致的地层变形与位移机理及其随盾构推进时的演变规律展开可靠研究，从而保证地铁隧道安全施工、运营及周边建筑物的正常使用。

目前关于地铁隧道开挖诱发地层变位的研究采用的方法主要有：经验公式法、数值计算法、现场实测法及室内物理模型试验法。其中，室内物理模型试验法因其可以人为地控制和改变试验条件，可进行重复地破坏性试验，效果直观清楚，周期短、见效快，且可对理论分析及数值计算结果进行补充、验证的优点而被研究人员广泛运用，尽管该试验方法很难达到与原型相同的应力条件，但若基于相似理论，保持模型与原型在几何、材料等方面相似，就能把模型试验结果应用于原型。目前针对隧道开挖引发的地层反应研究中，常用的室内物理模型试验方法有活板门（trap door）试验法、刚性管结合可移动开挖面试验法、压缩空气法、聚苯乙烯结合有机溶剂溶解法以及微型隧道掘进机技术，但是，上述试验仪器及方法都很难考虑隧道开挖深度、开挖直径等影响因素对地层变位的影响效应及影响规律，且往往只有一种模型边界尺寸，易受边界效应影响，使试验结果偏离实际。

发明内容

本发明提供一种盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其目的是要解决现有室内物理模型试验装置难以适应隧道开挖深度、开挖直径等影响因素变化的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，包括模型箱，其创新在于：所述模型箱上设有隧道模拟机构和升降调节机构；

所述模型箱为顶面敞口的长方形箱体，该长方形箱体由四块侧板和一块底板拼接构成，其中两块相对的侧板上对应开设有通槽，通槽的长度沿长方形箱体侧板的竖直方向布置；

所述隧道模拟机构具有模拟盾构的盾管和模拟隧道的隧管，盾管为中空管状体，隧管具有模拟隧道的外壁，盾管套装在隧管上，盾管与隧管之间沿管轴方向设有至少两组弹性支撑件，每组弹性支撑件由沿盾管内壁周向设置的至少三个弹性支撑脚构成，使隧管在盾管内悬空定位，盾管的内壁与隧管的外壁之间留有空隙；所述弹性支撑脚具有弹性臂或弹簧，弹性臂或弹簧的一端与盾管的内壁连接，另一端与隧管的外壁接触；

所述升降调节机构对应每个通槽配备一套，每套升降调节机构包括一升降板，该升降板在所述通槽位置上与模型箱侧板紧贴，升降板两侧设有滑道，滑道相对模型箱固定，滑道沿模型箱的竖直方向设置，升降板的左右两侧位于滑道上，有一顶升机构或提升机构与升降板连接，并作用在竖直方向；所述升降板上对应盾管开设有通孔，在装配状态下，所述隧道模拟机构穿设于通孔和通槽中。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述弹性臂包括摆臂、滑轮以及弹性件，所述摆臂的一端与盾管连接，另一端与滑轮支承连接，所述滑轮抵在隧管外壁上，所述弹性件一端连接盾管，另一端连接摆臂，所述弹性件为拉簧或扭簧。

2、上述方案中，所述隧管内壁沿隧管的轴向上开设凹槽，所述滑轮位于凹槽内，相对凹槽滑动设置。

3、上述方案中，所述模型箱的四块侧板中，至少有一块侧板为有机玻璃板，模型箱的其余各面均采用钢板或/和有机玻璃板。

4、上述方案中，所述通槽为长方形，通槽设于其所在侧板的中间位置，所述通槽的几何中心与其所在侧板的几何中心在同一竖直线上。

5、上述方案中，所述模型箱的四块侧板分别为前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述模型箱的底部沿左右方向设有两副滑轨，每副滑轨上均设有第一滑道，所述左侧板和右侧板对应第一滑道处开设第一凹槽，该第一凹槽与第一滑道滑动连接；所述左侧板与前侧板和后侧板之间通过螺钉固定连接，所述右侧板与前侧板和后侧板之间通过螺钉固定连接。

6、上述方案中，所述顶升机构为千斤顶。

本发明设计原理及有益效果是：本发明在盾管内壁上设弹性支撑脚，该弹性支撑脚可变形，因此，可在盾管的内部设置不同外径的隧管，使得盾管和隧管之间的间隙可调，以模拟盾构施工诱发的不同地层损失；同时，本发明将通槽与升降调节机构相结合，可模拟隧管在不同埋深情况下的地层损失。

附图说明

附图1为本发明实施例模型箱的结构示意图；

附图2为本发明实施例升降调节机构的结构示意图；

附图3为本发明实施例的结构示意图；

附图4为本发明实施例弹性支撑脚的排列结构示意图；

附图5为附图4的A处放大示意图。

以上附图中：1、模型箱；2、通槽；3、支架；4、升降板；5、千斤顶；6、通孔；7、盾管；8、隧管；9、弹性支撑脚；10、摆臂；11、滑轮；12、弹性件；13、滑轨；14、第一滑道；15、第一凹槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置

参见附图1~5所示，包括模型箱1，所述模型箱1上设有隧道模拟机构和升降调节机构；

所述模型箱1为顶面敞口的长方形箱体，该长方形箱体的净尺寸为2米×1.5米×1.7米（长×宽×高），所述长方形箱体由四块侧板和一块底板拼接构成，四块侧板分别为前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板以及底板均为有机玻璃板，前侧板和后侧板的长度为2米，高度为1.7米，厚度为10毫米，且前侧板和后侧板上对应开设有通槽2，该通槽2的长度沿长方形箱体侧板的高度方向布置；所述通槽2为长方形导通的槽状孔，且其位于其所在侧板的中间位置，所述通槽2的几何中心与其所在侧板的几何中心在同一竖直线上；通槽2的上边沿距其所在侧板的上边沿为0.36米，通槽2的下边沿距其所在侧板的上边沿0.70米，所述通槽2的宽度为219毫米。

所述隧道模拟机构包括模拟盾构的盾管7和模拟隧道的隧管8，所述盾管7与隧管8均为中空不锈钢管状体，隧管8具有模拟隧道的外壁，盾管7套装在隧管8上，即隧管8的外径小于盾管7的内径且隧管8位于盾管7的内部，盾管7与隧管8之间沿管轴方向设有至少两组弹性支撑件，每组弹性支撑件包括沿盾管7内壁周向设置的至少三个弹性支撑脚9，使隧管8在盾管7内悬空定位，盾管7的内壁与隧管8的外壁之间留有空隙；所述弹性支撑脚9具有弹性臂或弹簧，弹性臂或弹簧的一端与盾管7的内壁连接，另一端与隧管8的外壁接触，所述弹性臂具体可包括摆臂10、滑轮11以及弹性件12，所述摆臂10的一端与盾管7铰接，另一端与滑轮11支承连接，所述滑轮11抵在隧管8外壁上，支撑隧管8，使隧管8与盾管7不接触，便于盾管7与隧管8的分离，所述弹性件12一端连接盾管7，另一端连接摆臂10，所述弹性件12具体可为拉簧或扭簧；所述隧管8外壁沿其管轴方向开设凹槽，所述滑轮11位于凹槽内并相对凹槽滑动设置。

所述升降调节机构对应每个通槽2配备一套，每套升降调节机构均包括升降板4和支架3，所述升降板4在所述通槽2位置上与模型箱1侧板紧贴，防止模型箱1填充模拟土体后发生模拟土体泄漏，影响测量数据的准确性，所述支架3上设有滑道，滑道相对模型箱1固定，滑道沿模型箱1的竖直方向设置，升降板4的左右两侧位于滑道上；所述升降板4为有机玻璃板且该升降板4的高度为1.7米，宽度为0.3米，厚度为10毫米，有一顶升机构或提升机构与升降板4连接，并作用在竖直方向，所述顶升机构可具体为千斤顶5，该千斤顶5作用于升降板4的底部，使升降板4沿竖直方向上升或降低；所述升降板4上对应盾管7开设有通孔6，且所述通孔6的直径大于或等于盾管7的外径，所述通孔6的直径具体可为219毫米，所述通孔6的最低点距升降板4的下边沿1米；在装配状态下，所述隧道模拟机构穿设于通孔6和通槽2中，且盾管7和隧管8的长度均长于相对的两通孔6之间的距离，并在盾管7长出的部分上设置插孔，制作拉手，以待实验时安装相应牵引装置。

所述模型箱1的底部沿前后方向并列设有两副滑轨13，两副滑轨13均朝左右方向设置，滑轨13上设有第一滑道14，所述左侧板和右侧板对应第一滑道14处开设第一凹槽15，该第一凹槽15与对应的第一滑道14滑动连接，即所述左侧板和右侧板可沿第一滑道14左右滑动，所述前侧板和后侧板上在左右方向对应开设多列定位孔，定位孔用于左侧板或右侧板滑动到该位置处的定位，所述左侧板与前侧板和后侧板的连接面上对应定位孔设有螺纹孔，所述左侧板与前侧板和后侧板之间通过螺钉穿过定位孔与螺纹孔配合固定连接，所述右侧板与前侧板和后侧板的连接面上对应定位孔设有螺纹孔，所述右侧板与前侧板和后侧板之间通过螺钉穿过定位孔与螺纹孔配合固定连接，所述定位孔内设有堵头，所述堵头从模型箱1的内侧嵌入定位孔中。

本发明盾管7仅有一种，外径为219毫米，厚度5毫米，隧管8的外径可分为几种，分别为120毫米、140毫米、159毫米、180毫米，厚度均为5毫米，在进行盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验时，先将外径为180毫米的隧管8插入盾管7内，并将盾管7和隧管8插入相对的两通孔6中，然后在模型箱1内填充模拟土体，仅抽出盾管7后，模拟土体会发生沉降，观察沉降过程，并通过检测装置得到沉降曲线，抽出隧管8，并将模型箱1中的模拟土体挖出，然后放置盾管7和外径为159毫米的隧管8重新进行测量，依此类推，直到不同外径的隧管8均测量完，本实施例还可以测量不同边界条件下的沉降曲线，即移动左侧板和右侧板，并将预测量位置处的定位孔内的堵头拿出，将左侧板和右侧板分别在各自的预定位置处通过螺钉固定定位，然后再置入不同外径的隧管8，进行测量，改变左侧板和右侧板的位置，重复上述测量过程，直至所有预测量位置均测完，得出多组数据，并进行比较分析。

本实施例在盾管7内壁上设弹性支撑脚9，该弹性支撑脚9可变形，因此，可在盾管7的内部可设置不同外径的隧管8，使得盾管7和隧管8之间的间隙可调，同时，本发明将通槽2与升降调节机构相结合，可模拟隧管8在不同埋深情况下的不同地层损失，而且本实施例左侧板和右侧板与滑轨13滑动连接，左侧板和右侧板位置可以变化，这种设计使得实验装置边界可调，从而考虑了边界效应的影响。

本发明实施例用于测定将盾管7直接从模型箱1中抽离后的地表沉降及变形，以此反映盾构开挖而未及时注浆导致极限地面沉降机理，为隧道设计与施工人员提供理论与技术支持，并据以在盾构隧道开挖过程采取相应的加固或保护措施。例如，可根据试验结果直观预判盾构施工影响范围，进而有针对性的进行盾构设计与施工及保证盾构周边建（构）筑物的正常使用。

本实施例为本发明的优选方案，本发明还可以有如下变化：

上述实施例中，前侧板和后侧板上分别沿竖直方向对应开设有通槽2，在实际应用中，左侧板和右侧板上也可以同时开设通槽2，该装置可以模拟交叉隧道的地表沉降情况。

上述实施例中，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和底板均采用有机玻璃板，在实际应用中，开设通槽的侧板中只要有一个侧板为有机玻璃板即可，便于观察和摄像，实际上，可以均不采用有机玻璃板，因为通过检测装置即可得到实验所需的沉降曲线，只是不够直观，不利于观察。同时，由于模型箱1需承受一定的土压，据计算，模型箱1的底部最大竖向压力约为33千帕，模型箱1的四周侧向承受的最大压力约为17千帕，上述压力较大，若有机玻璃板无法承受该压力，可将左侧板、右侧板以及底板采用钢板，或将所有侧板和底板采用钢板代替。

上述实施例中，所述弹性臂具体可包括摆臂10、滑轮11以及弹性件12，在实际应用中，弹性臂也可为一弹片。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，包括模型箱（1），其特征在于：所述模型箱（1）上设有隧道模拟机构和升降调节机构；

所述模型箱（1）为顶面敞口的长方形箱体，该长方形箱体由四块侧板和一块底板拼接构成，其中两块相对的侧板上对应开设有通槽（2），通槽（2）的长度沿长方形箱体侧板的竖直方向布置；

所述隧道模拟机构具有模拟盾构的盾管（7）和模拟隧道的隧管（8），盾管（7）为中空管状体，隧管（8）具有模拟隧道的外壁，盾管（7）套装在隧管（8）上，盾管（7）与隧管（8）之间沿管轴方向设有至少两组弹性支撑件，每组弹性支撑件由沿盾管（7）内壁周向设置的至少三个弹性支撑脚（9）构成，使隧管（8）在盾管（7）内悬空定位，盾管（7）的内壁与隧管（8）的外壁之间留有空隙；所述弹性支撑脚（9）具有弹性臂或弹簧，弹性臂或弹簧的一端与盾管（7）的内壁连接，另一端与隧管（8）的外壁接触；

所述升降调节机构对应每个通槽（2）配备一套，每套升降调节机构包括一升降板（4），该升降板（4）在所述通槽（2）位置上与模型箱（1）侧板紧贴，升降板（4）两侧设有滑道，滑道相对模型箱（1）固定，滑道沿模型箱（1）的竖直方向设置，升降板（4）的左右两侧位于滑道上，有一顶升机构或提升机构与升降板（4）连接，并作用在竖直方向；所述升降板（4）上对应盾管（7）开设有通孔（6），在装配状态下，所述隧道模拟机构穿设于通孔（6）和通槽（2）中。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述弹性臂包括摆臂（10）、滑轮（11）以及弹性件（12），所述摆臂（10）的一端与盾管（7）连接，另一端与滑轮（11）支承连接，所述滑轮（11）抵在隧管（8）外壁上，所述弹性件（12）一端连接盾管（7），另一端连接摆臂（10）。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述弹性件（12）为拉簧或扭簧。

4.根据权利要求2所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述隧管（8）外壁沿隧管（8）的轴向上开设凹槽，所述滑轮（11）位于凹槽内，与凹槽滑动连接。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述模型箱（1）上开设通槽（2）的侧板中，至少有一块侧板为有机玻璃板，模型箱（1）的其余各面均采用钢板或/和有机玻璃板。

6. 根据权利要求1所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述通槽（2）为长方形，通槽（2）设于其所在侧板的中间位置，所述通槽（2）的几何中心与其所在侧板的几何中心在同一竖直线上。

7.根据权利要求1所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述模型箱（1）的四块侧板分别为前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述模型箱（1）的底部沿左右方向设有两副滑轨（13），每副滑轨（13）上均设有第一滑道（14），所述左侧板和右侧板对应第一滑道（14）处开设第一凹槽（15），该第一凹槽（15）与第一滑道（14）滑动连接；所述左侧板与前侧板和后侧板之间通过螺钉固定连接，所述右侧板与前侧板和后侧板之间通过螺钉固定连接。

8.根据权利要求1所述的盾构隧道动态掘进诱发地层损失及地表沉陷试验装置，其特征在于：所述顶升机构为千斤顶（5）。