CN104713987A - 一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，属于地下工程试验领域。本发明采用原型砂土作为地层条件，衬砌结构采用满足应力相似的镀锌铁薄壁圆筒，采用非接触式应变位移测量分析系统全程实时观测开挖过程地层变形，采用气囊加载系统模拟隧道不同埋深。模型开洞方式则是采用“先加载后开洞”方式；试验装置可分别对毛洞隧道和加衬砌结构隧道进行不同埋深下开挖过程的模拟。本发明将采用满足应力相似的镀锌铁薄壁圆筒来模拟衬砌结构，以内置水囊系统来模拟开挖过程并对其进行力和变形的量测，分析衬砌结构上的土压力及其在不同埋深下的发展规律。本发明为隧道开挖过程中围岩压力变化及地层变形机理提供科学的认识，为隧道设计与施工提供理论依据。

Description

一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，可以模拟地铁隧道开挖过程中围岩压力及地层变形规律，为隧道开挖过程中围岩压力变化及地层变形机理提供科学的认识，为隧道设计与施工方案的优化提供理论依据。

背景技术

随着经济社会的发展和进步，城市轨道交通也得到迅速发展，尤以城市地铁最为显著。而城市地铁大都跨越建筑物密集、人口集中的城区，施工过程中的地层变形对既有建筑物或构筑物的安全以及人们正常的生产生活有着不可避免的影响。且随着科学技术和经济的发展，地铁隧道工程的建设将呈现井喷式发展，对施工安全与隧道结构设计亦会提出更高的标准与要求，使设计与施工更先进化和经济化；而针对隧道开挖过程中围岩压力变化的规律性研究无疑能从机理上更科学的认识和解释隧道力学原理，从而为实际地铁工程建设提供更科学合理的指导，适应时代的要求。

现有的关于隧道开挖过程模拟的模型试验研究大都为以岩石介质为主山岭隧道。部分关于城市地铁隧道的模型试验研究也往往是针对实际地铁工程进行的，一方面所进行的模型试验对工程中规律性的问题提炼不够；另一方面没有采用同一试验研究平台对不同地质不同埋深条件下的地铁隧道开挖过程进行系统研究，且大都关注于隧道围岩的破坏模式和破坏机理研究，对试验过程中的地层变形关注度亦不够。本发明研制一整套模拟隧道开挖过程的模型试验平台，包括模型箱、隧道开挖模拟系统、隧道结构模拟系统以及气囊加载系统。能够实现对均匀地层中不同埋深条件下隧道开挖过程中围岩压力的变化规律与地层变形机理进行模拟研究。

发明内容

本发明方法利用自主研发的能够模拟均匀地层地铁隧道开挖过程中围岩压力与地层变形规律研究的试验装置，可以获得地铁隧道开挖过程中围岩压力的变化规律与地层变形规律，主要解决了以下技术问题：(1)开挖过程的精确实现。本装置利用半径大小与试验设计隧道半径大小相同的圆柱形水囊来模拟隧道开挖，与通常模型试验中利用机械手等工具模拟开挖相比，洞室形状更规整，对周围土体扰动程度更小；且能够利用压力水泵或压力水头赋予等效地层压力。(2)不同埋深条件的实现。考虑模型夯筑以及模型箱安装的方便性，模型箱高度设计为1.5m，在高度限制下我们发明了能够提供气囊压力气囊加载系统，在精密减压阀的控制下能提供0-0.4MPa的气囊压力，实现了从超浅埋到深埋的不同埋深条件下的隧道开挖过程的模拟研究。(3)模拟装置的简便安装于操作。岩土工程领域的模拟试验通常都需要体积比较庞大的模拟装置来实现，因此，模型装置的制作、安装与操作往往比较复杂。本装置采用模型箱框架与亚克力板作为拼装材料，实现了模拟装置的简单拼装与拆卸，不仅操作简易，而且能够回收利用，节省试验成本。(4)地层变形的全场实时观测。本发明方法采用非接触式应变位移测量分析系统对开挖过程中的地层变形进行量测和分析，能够实时全程记录模型观测面范围内任意点的位移，操作便利、精度高。

本发明方法的主要技术关键是将模型箱框架(1)与亚克力板(2)拼装成模型箱后，将模拟均匀地层的砂土(15)分10层填入模型箱并夯实，期间将隧道开挖模拟系统与土压力监测系统在试验设计位置处植入。对于浅埋隧道开挖工况，在模型表面处安装地表沉降量测系统；对于深埋隧道开挖工况，在模型表面处安装气囊加载系统。在地层变形测量系统就位运行后启动隧道开挖模拟系统，通过连接水囊排水口的针阀控制流量来模拟整个开挖过程。在开挖过程中利用非接触式应变位移测量分析系统全场实时记录模型观测面范围内的地层变形信息。

一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于；包括模型箱与地层系统、隧道结构模拟系统、隧道开挖模拟系统、地层变形测量系统、地表沉降测量系统、土压力监测系统、气囊加载系统；

模型箱与地层系统，包括模型箱框架(1)、亚克力板(2)、隧道孔洞(14)、砂土(15)；亚克力板(2)设置在模型箱框架(1)正面板的中心为长方形，且亚克力板(2)中心开洞；模型箱框架(1)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱；

隧道开挖模拟系统，包括水囊(4)、针阀、通水胶管、密封带、量筒、压力水泵；水囊排水口(3)通过法兰连接对丝、对丝与针阀连接以控制出水体积；通水胶管两端分别与压力水泵、针阀连接；

地层变形测量系统，也即非接触式应变位移测量分析系统：包括CCD摄相机、图像采集卡、控制计算机；通过拍摄变形前后模型观测面的散斑场，然后进行相关运算得到变形信息；模型观测面即为亚克力板所在面；

地表沉降测量系统，包括百分表，磁性表座；

土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测洞室拱顶与拱腰位置的竖向土压力与侧压力；

气囊加载系统，包括橡胶气囊(11)，通气胶管，精密减压阀，空气压缩机。

进一步，模型箱框架与亚克力板通过螺栓连接形成试验模型箱；模型箱框架在立面四周均采用槽钢与角钢进行加固，经过加固后模型箱框架在最大设计竖向荷载(0.2MPa)下的侧向变形通过百分表量测不超过0.02mm，完全满足试验要求的平面应变条件。

进一步，隧道结构模拟系统采用镀锌铁薄壁圆筒，在满足应力相似条件下通过薄壳理论设计为厚度1mm的镀锌铁薄壁圆筒。

进一步，地层变形测量系统采用非接触式应变位移测量分析系统，其精度达10μm。最高采集频率117HZ。能够实现对开挖过程中模型观测面围岩变形的全程实时量测，得到整个观测面的位移信息。

进一步，隧道开挖模拟系统采用外径与隧道洞径相同的圆柱形水囊，水囊采用PVC材料制作，其强度和耐久性均满足试验要求。与通常模型试验中利用机械手等工具模拟开挖相比，利用水囊系统模拟开挖过程使模型隧道洞室形状更规整，对周围土体扰动程度更小；并且在针阀与水泵的控制下，可以通过分布排水能够精确的模拟开挖过程中的地层损失，从而实现开挖过程中围岩变形随地层损失的发展规律。而且通过水泵的作用能够等效赋予地层压力，与传统的试验方法相比，在开挖机理上更符合实际工程。

进一步，气囊加载系统中，加压气囊在考虑土颗粒、模型箱箱壁对其的摩擦效应以及最大设计压力作用下采用双层设计，内胆采用聚氨酯材料制作，外囊采用PVC材料制作，其强度和耐久性亦满足试验要求。空气压缩机采用常规的活塞式空压机、可提供0.8Mpa的最大压力；精密减压阀选用日本SMC公司生产的IR2000/IR2010系列减压阀，调压范围在0-0.4MPa,设定灵敏度在0.2％F.s.以内。气囊加载系统能够实现可伺服加压，在开挖过程中持续提供稳定的压力；而且在调压范围内能够实现不同埋深条件下隧道开挖过程。从而得到隧道开挖过程中围岩变形随埋深的发展规律。

模型箱与地层系统，模型箱框架(1)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱，亚克力板所在范围作为模型观测面，一方面便于地层变形信息的实时记录与现象观察；一方面其表面光滑有效降低了边界效应。砂土(15)分10层填入模型箱并夯实，每层表面撒一层石英砂作为标志层(13)以控制土体夯实密度以及便于地层变形量测。其中：

模型箱框架(1)均采用U型槽钢(8)加固，加固方案见附图1；

为方便模型夯筑与土压力监测系统的植入，模型框架(1)后视挡板采用可拆卸式拼装钢板，利用角钢支撑(9)与螺栓连接其拆卸分界线(10)见附图2；

模型箱盖板(5)亦采用采用U型槽钢(8)加固，加固方案见附图4；

砂土(15)分10层填入模型箱并夯实，其中模型箱孔洞(14)洞底以下每层20cm，孔洞洞底以上每层10cm，夯筑时通过控制每层土体的质量来控制夯实密度，夯筑方案见附图5。

隧道结构模拟系统，采用壁厚为1.0mm的镀锌铁薄壁圆筒，在圆筒内外壁对称布置应变片以量测隧道开挖过程中衬砌结构的变形与受力规律。其中：

镀锌铁薄壁圆筒设计半径大小与试验设计隧道半径大小相同；

其隧道开挖过程仍采用内置于圆筒的水囊来进行模拟。

隧道开挖模拟系统，采用半径大小与试验设计隧道半径大小相同的圆柱形水囊(4)来模拟隧道开挖，与通常模型试验中利用机械手等工具模拟开挖相比，洞室形状更规整，对周围土体扰动程度更小。其中：

水囊在排水口(3)处设计一个固定法兰通过对丝连接针阀达到控制水流量的目的；

利用压力水泵或者压力水头近似的赋予等效地层压力。

地层变形测量系统，采用非接触式应变位移测量分析系统，该系统能够实时全程记录模型观测面范围内任意点的位移，操作便利、精度高。

地表沉降测量系统，包括百分表，磁性表座；磁性表座固定于模型箱内壁，百分表则固定在磁性表座上。

土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测洞室拱顶与拱腰关键位置的竖向土压力与侧压力。

气囊加载系统，该系统可方便地施加竖向荷载，具有加载压力稳定、加载均匀、可伺服控制等优点。能够实现对不同埋深条件下隧道开挖过程的模拟。其中：

为了保证气囊使用的有效性和耐久性，采用内胆加外囊双层设计方案；

气囊(11)在进气口(12)处设计一固定法兰连接不锈钢接口，不锈钢接口通过通气胶管与精密减压阀、空气压缩机连接，利用喉箍将不锈钢接口与通气胶管箍紧避免漏气；

精密减压阀采用日本SMC公司生产的IR2000/IR2010系列减压阀，调压范围在0-0.4MPa,设定灵敏度在0.2％F.s.以内。

附图说明

图1：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置正立面图；

图2：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置背立面图；

图3：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置侧立面图；

图4：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置俯视图；

图5：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置三维立体图(正面)

图6：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置三维立体图(背面)

图7：一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置1-1剖面图；

图8：试验结果：浅埋隧道开挖过程中在不同地层损失下地表沉降槽曲线

图9：试验结果：浅埋隧道开挖过程中地表中心沉降随地层损失的变化规律

图10：试验结果：深埋隧道开挖过程中在不同地层损失下地表沉降槽曲线

图11：试验结果：深埋隧道开挖过程中地表中心沉降随地层损失的变化规律

图中：1.模型箱框架，2.亚克力板(模型观测面)，3.水囊排水口，4.水囊，5.模型箱盖板，6.吊装孔，7.三角形刚性支撑，8.槽钢支撑，9.角钢支撑，10.拆卸分界线，11.橡胶气囊，12.气囊进气口，13.地层填筑标志线，14.隧道孔洞，15.砂土

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步说明：

如图1-5所示即为本发明所采用的核心，即一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，包括模型箱与地层系统、隧道结构模拟系统、隧道开挖模拟系统、地层变形测量系统、地表沉降测量系统、土压力监测系统、气囊加载系统。具体操作过程如下：

一、模型箱装配。

先安装亚克力板(2)，即将模型箱框架(1)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱，再拆除后视挡板上半部分钢板(高1.0m)，使其便于模型材料填充。

二、均匀地层材料(砂土)填筑与土压力监测系统植入。

为减小模型箱内壁与地层材料之间的摩擦，在模型箱内壁贴一层光面自粘墙纸，并涂上一层润滑油脂。然后添加地层材料，材料添加时要分层夯实。先分层夯实至后视挡板下半部分钢板上缘，然后安装后挡板上半部分钢板，再分层夯实地层材料至洞室拱底，其中每层夯实高度控制为20cm；接下来安装隧道开挖模拟装置，分层夯实地层材料至设计埋深,每层夯实高度控制为10cm，夯实过程中按照测点设计位置布置土压力监测系统，至此材料填充完毕。

三、安装地表沉降测量系统或气囊加载系统。

对于浅埋隧道开挖工况，在砂土(15)填筑完毕后在模型表面设计位置安装地表沉降测量系统；对于深埋隧道开挖工况，在在砂土填筑完毕后在模型表面安装气囊加载系统安装，按设计加载方案提供气囊压力。

四、安装非接触式应变位移测量分析系统。

在上述过程完成布置后，非接触式应变位移测量分析系统立即就位准备且尽量避免外界干扰。在模型箱正前方一定距离处布设非接触式应变位移测量分析系统的CCD摄像机，摄像机需要通过调整位置来保证镜头面与模型箱正立平面平行，摄像机通过导线接口连接电脑，通过专业图像分析软件用像素的形式来记录模型表面任意点的位移。

五、隧道开挖与数据采集。

同时运行非接触式应变位移测量分析系统和土压力监测系统，然后缓慢拧动水囊排水口(3)处的针阀控制水流量分步排水，利用量筒观测水囊出水体积，直至水囊(4)与洞室内壁将要脱离分开为止。在整个洞隧道开挖模拟过程中，利用土压力监测系统实时采集开挖过程中设计位置处土压力变化数据。利用非接触式应变位移测量分析系统实时全程记录模型观测面范围内任意点的位移。

六、数据处理。

将采集到的数据转换成更直观的应力、位移，并结合实验现象分析实验结果。

Claims (7)

1.一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于；包括模型箱与地层系统、隧道结构模拟系统、隧道开挖模拟系统、地层变形测量系统、地表沉降测量系统、土压力监测系统、气囊加载系统；

模型箱与地层系统，包括模型箱框架(1)、亚克力板(2)、隧道孔洞(14)、砂土(15)；亚克力板(2)设置在模型箱框架(1)正面板的中心为长方形，且亚克力板(2)中心开洞；模型箱框架(1)与亚克力板(2)通过螺栓连接形成试验模型箱；

隧道开挖模拟系统，包括水囊(4)、针阀、通水胶管、密封带、量筒、压力水泵；水囊排水口(3)通过法兰连接对丝、对丝与针阀连接以控制出水体积；通水胶管两端分别与压力水泵、针阀连接；

地层变形测量系统，也即非接触式应变位移测量分析系统：包括CCD摄相机、图像采集卡、控制计算机；通过拍摄变形前后模型观测面的散斑场，然后进行相关运算得到变形信息；模型观测面即为亚克力板所在面；

地表沉降测量系统，包括百分表，磁性表座；

土压力监测系统，包括微型土压力计，导线，静态数据采集仪；微型土压力计按试验设计位置分别监测洞室拱顶与拱腰位置的竖向土压力与侧压力；

气囊加载系统，包括橡胶气囊(11)，通气胶管，精密减压阀，空气压缩机。

2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：模型箱框架在立面四周均采用槽钢与角钢进行加固，经过加固后模型箱框架在最大设计竖向荷载0.2MPa下的侧向变形通过百分表量测不超过0.02mm。

3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：隧道结构模拟系统采用厚度1mm的镀锌铁薄壁圆筒。

4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：地层变形测量系统采用非接触式应变位移测量分析系统，其精度达10μm以上，最高采集频率117HZ。

5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：隧道开挖模拟系统采用外径与隧道洞径相同的圆柱形水囊，水囊采用PVC材料制作。

6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：气囊加载系统中，加压气囊采用双层设计，内胆采用聚氨酯材料制作，外囊采用PVC材料制作。

7.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖过程的模型试验装置，其特征在于：空气压缩机采用活塞式空压机、提供0.8Mpa的最大压力；精密减压阀选用日本SMC公司生产的IR2000/IR2010系列减压阀，调压范围在0-0.4MPa,设定灵敏度在0.2％F.s.以内。