CN104897520A - 双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，包括模型土箱、缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置、均布荷载加载装置和PIV数字图像处理系统；所述模型土箱内装有透明土，上盖拆除后连接均布荷载加载装置，模型土箱附有分隔板的一端连接缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置，在模型土箱上方及侧面分别布置激光器，采用CCD照相机采集图像并通过连接计算机以控制图像采集并对图像数据进行分析。本发明还公开了使用所述系统进行观测试验的方法。通过本发明能有效观测土仓室渣土流场和开挖面前方土体位移场，为土体改良效果和土仓压力设定控制提供良好的试验平台，且安全和拆卸便捷、测试精度极高、可重复使用。

Description

双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统及方法

技术领域

本发明属于隧道及地下工程领域，涉及双圆盾构掘进过程中，土仓渣土流动特性的观测试验系统。

背景技术

随着我国城市的快速发展，地面交通拥堵问题突出，为改善地面交通状况和城市合理布局，城市地下空间正被开发利用，全国各大城市正规划或正实施自身地下公共交通设施建设。而盾构施工具有效率高、机械化程度高、对地层适应能力强及有效控制地面变形且占地面积较小等优点被广泛应用于地下隧道建设领域。

随着盾构法施工在地下隧道建设领域越来越广泛的应用，其施工对周围环境的影响特别是地表沉降的影响，正受到越来越多的关注。地表沉降控制成为衡量盾构法施工优劣的重要指标。施工盾构机在掘进过程中，地层岩土力学性质和盾构机施工参数的不断变化，导致土仓压力不断波动变化，为防止土仓压力失衡，需要对螺旋输送机转速、盾构机推进速度进行及时调整。目前，国内外对土仓渣土的物理和力学本质仍缺乏认识，未提出完整的机理模型，相关掘进参数间的关系仍不甚明确。双圆盾构机具有节约地下空间、施工效率高、线间距小便于隧道线路设计、综合造价低等优点，拥有广泛的运用前景，相比单圆盾构机，其土仓内渣土由于两刀盘间的相互影响而流动特性更为复杂，土仓渣土的参数控制对沉降、偏转、施工的控制更为重要，因此，建立可视化环境下盾构土仓渣土流动特性观测实验系统，对充分认识土仓渣土的物理和力学本质，提出完整的机理模型，明确相关掘进参数间的关系，反馈并指导现场施工，具有重要的现实意义。

人工合成透明土是用透明颗粒材料和与其折射率相同的孔隙流体混合而成的，具有与自然土体类似的物理性质，应用透明土作为模型土可以进行与自然土体同样的变形、强度、稳定性等问题的研究。

粒子图像测速(PIV)技术是一种流体测量技术，通过事先在流场中放入大量示踪粒子跟随流场运动，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到的前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行计算得到流场一个切面内定量的速度分布，进一步处理可得流场特性参数分布。

我国岩土工程界对上述技术研究较少，但其为解决渣土流动的观测提供了一个可行的途径。

有必要针对无法观测盾构土仓内渣土流动这一问题建立观测试验系统，结合土体压力量测系统，对土仓内渣土流动及压力进行分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在可视化环境下研究双圆盾构土仓渣土流动特性的观测试验系统及方法。为克服土仓密闭不可观测难题，研究双圆盾构土仓渣土流动特性，准确测量土仓压力建立模拟试验平台。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，包括模型土箱、缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置、均布荷载加载装置和PIV数字图像处理系统；所述模型土箱内装有透明土，上盖拆除后连接均布荷载加载装置，模型土箱附有分隔板一端连接缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置，在土箱上方及侧面分别布置激光器，采用CCD照相机采集图像并通过连接计算机以控制图像采集并对图像数据进行分析。

进一步，所述缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置包括刀盘、盾构机模型外壳、螺旋输送机模型，所述盾构机模型外壳呈双圆柱体，安装在土箱装有分隔板的一端，外部连接驱动电机；盾构机模型外壳内一侧固定集土器，另一侧装有隔板，刀盘固定在盾构机模型外壳装有隔板一端，刀盘上固定有搅拌棒，隔板与刀盘构成模拟盾构的土仓，刀盘驱动电机设置在隔板另一侧，通过刀盘传动轴与刀盘连接；隔板上固定有螺旋输送机模型，螺旋输送机与集土器对接。

所述模型土箱和盾构机模型由透明的具备一定刚度的有机玻璃制成，与透明土共同构成可视化环境。

所述透明土与真实土体性质相似，并在其中加入碳颗粒作为示踪粒子。

所述均布加载装置采用堆载形式加载。

在本发明的一个优选实施例中：所述模型土箱内装有透明土，所述模型土箱的上盖拆除后连接均布加载装置；所述模型土箱一端带有分隔板，该端连接盾构机模型外壳，所述盾构机模型外壳与所述分隔板接缝处采用橡胶密封垫密封，所述盾构机模型外壳外侧套有外层套管，所述盾构机模型外壳端部连接盾构模型掘进驱动电机；所述盾构机模型外壳内一侧固定集土器，另一侧装有隔板，辐条式刀盘固定在盾构机模型外壳装有隔板一端，所述辐条式刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板与辐条式刀盘构成模拟盾构的土仓；所述刀盘驱动电机设置在所述隔板另一侧，通过刀盘传动轴与所述辐条式刀盘连接；所述隔板上固定有螺旋输送机模型，所述螺旋输送机模型端部装有螺旋输送机驱动电机，螺旋输送机模型与集土器对接；在模型土箱上方及侧面分别布置激光器，同时配备高像素相机，高像素相机与PC机连接。

上述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统进行观测试验的方法，试验时先以土体的基本物理力学性质指标为控制指标，在模型土箱中配制与真实土体性质相似的透明土，并在透明土中加入碳颗粒作为示踪粒子；通过加载装置给土体加压，控制盾构模型掘进驱动电机驱动盾构机模型外壳在外层套管中前进，同时刀盘和螺旋输送机开始转动，模拟盾构机掘进过程，使渣土实现从刀盘开口进入模拟盾构的土仓并经过螺旋输送机排除的全过程；试验过程中用激光器将片光从模型箱顶部、侧面分别射入放有碳颗粒的透明土中，通过高像素相机拍照捕捉透明土中碳颗粒在双圆盾构机模型运转时的分布及运动图像，在计算机上使用数据处理软件控制图像采集并对图像数据进一步处理得到流场特性参数分布规律。

进一步，通过改变加载量、盾构机模型推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速模拟不同工况下盾构机掘进过程从而获得不同工况下刀盘前方及土仓内渣土流动状态。

通过改变加载装置的加载量，模拟盾构处于不同埋深时附加应力的加卸载。

通过在透明土中放置碳颗粒作为示踪粒子，结合粒子图像测速技术，直接观测、记录并显现双圆盾构掘削时土仓室内渣土流动和开挖面前方土体变形特性。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

该系统的优势在于首次在室内试验中整体性地观测双圆盾构机型掘削过程中不同性质地层、不同双圆形刀盘开口特性和不同盾构施工参数控制下对应的土仓室内渣土流动规律及开挖面前方土体变形规律。对双圆盾构掘进渣土流动这一复杂动态非线性物理过程理论极难推导，试验研究手段中利用本发明能首次有效观测土仓室渣土流场和开挖面前方土体位移场，为土体改良效果和土仓压力设定控制提供良好的试验平台，且安全和拆卸便捷、测试精度极高、可重复使用。由此，在不同性质地层、不同埋深、不同掘进速度及螺旋输送机转速下，借助PIV系统在可视化环境中，通过观测双圆盾构掘削过程中土仓室内渣土流动状态及开挖前方土体变形规律，分析渣土流动特性，为土仓压力设定控制提供良好的技术支撑，明确渣土流动与土仓压力之间的关系，指导土压平衡盾构施工。

附图说明

图1为本发明实施例双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统及方法结构示意图。

图2为图1中所示缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置1-1剖面图。

图3为图1中所示缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置2-2剖面图。

图中标号：1—模型土箱；2—均布荷载装置；3—透明土；4—辐条式刀盘；5—刀盘传动轴；6—刀盘驱动电机；7—橡胶密封垫；8—搅拌棒；9—外层套管；10—盾构机模型外壳；11—螺旋输送机模型；12—螺旋输送机驱动电机；13—集土器；14—分隔板；15—隔板；16—盾构机掘进驱动电机

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明。

本发明双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统包括模型土箱装置、缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置、均布荷载加载装置和商用PIV数字图像处理系统四部分。均布加载装置采用重物堆载加载方式；商用PIV数字图像处理系统为市场采购，配有激光器、高像素相机和安装有数字图像处理软件的PC机。

如图1所示，在模型土箱装置上方安装均布荷载加载装置，在模型土箱装置一端安装缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置，在模型土箱装置上方及侧面分别布置激光器，同时布置高像素相机，高像素相机与PC机连接。

如图2、3所示，其中，模型土箱装置的组成：土箱1内装有透明土3，上盖拆除后连接均布加载装置2，土箱1一端带有分隔板14，该端连接盾构机模型外壳10，盾构机模型外壳10与分隔板14接缝处采用橡胶密封垫7密封，盾构机模型外壳10外侧套有外层套管9，盾构机模型外壳10端部连接盾构模型掘进驱动电机16。盾构机模型外壳10内一侧固定集土器13，另一侧装有隔板15，辐条式刀盘4固定在盾构机模型外壳10装有隔板15一端，辐条式刀盘4上固定有搅拌棒8，隔板15与辐条式刀盘4构成模拟盾构的土仓，刀盘驱动电机6设置在隔板15另一侧，通过刀盘传动轴5与辐条式刀盘4连接。隔板15上固定有螺旋输送机模型11，螺旋输送机模型11端部装有螺旋输送机驱动电机12，螺旋输送机模型11与集土器13对接。

试验时先以土体的基本物理力学性质指标为控制指标，在模型土箱1中配制与真实土体性质相似的透明土3，并在透明土3中加入碳颗粒作为示踪粒子。通过加载装置2给土体加压，盾构模型掘进驱动电机15驱动盾构机模型外壳10在外层套管9中前进，同时刀盘4和螺旋输送机11开始转动，模拟盾构机掘进过程，使渣土实现从刀盘开口进入模拟盾构的土仓并经过螺旋输送机排除的全过程；试验过程中用激光器将片光从模型箱顶部、侧面分别射入放有碳颗粒的透明土3中，通过高像素相机拍照捕捉透明土3中碳颗粒在双圆盾构机模型运转时的分布及运动图像，PC机上使用数据处理软件控制图像采集并对图像数据进一步处理得到流场特性参数分布规律。

同时也可以改变加载量、盾构机模型推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速从而获得不同工况下刀盘前方及土仓内渣土流动状态。

综上所述，本发明所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统经试制试用被证明效果良好，实践证明具有如下长足之处：

1)、结构简单、安装及拆卸方便；

2)、盾构机的掘进速度和土仓出土量精确可控；

3)、适用于模拟不同工况下双圆盾构机掘进过程土仓渣土流动状态的观测；

4)、采用透明土和PIV等新技术方法，试验可视化、数字化。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：包括模型土箱、缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置、均布荷载加载装置和PIV数字图像处理系统；

所述模型土箱内装有透明土，上盖拆除后连接均布荷载加载装置，模型土箱附有分隔板的一端连接缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置，在模型土箱上方及侧面分别布置激光器，采用CCD照相机采集图像并通过连接计算机以控制图像采集并对图像数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置和模型土箱采用透明材料例如有机玻璃制成以使系统处于可视化观测环境中。

3.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述缩尺双圆盾构机掘削系统模拟试验装置包括刀盘、盾构机模型外壳、螺旋输送机模型；所述盾构机模型外壳呈双圆柱体，安装在土箱装有分隔板的一端，外部连接驱动电机；盾构机模型外壳内一侧固定集土器，另一侧装有隔板，刀盘固定在盾构机模型外壳装有隔板一端，刀盘上固定有搅拌棒，隔板与刀盘构成并模拟盾构的土仓，刀盘驱动电机设置在隔板另一侧，通过刀盘传动轴与刀盘连接；隔板上固定有螺旋输送机模型，螺旋输送机与集土器对接。

4.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：采用具备真实土体性质的透明土等效模拟盾构机掘进过程中周围的真实地层，通过在透明土中放置碳粒子作为示踪粒子，结合粒子图像测速技术，观测记录掘进过程中示踪粒子的流动，分析土仓内渣土流动特性。

5.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述均布荷载加载装置采用堆载形式加载以模拟不同埋深下掘进状况。

6.根据权利要求1所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统，其特征在于：所述模型土箱一端带有分隔板，该端连接盾构机模型外壳，所述盾构机模型外壳与所述分隔板接缝处采用橡胶密封垫密封，所述盾构机模型外壳外侧套有外层套管，所述盾构机模型外壳端部连接盾构模型掘进驱动电机；辐条式刀盘固定在盾构机模型外壳装有隔板一端，所述辐条式刀盘上固定有搅拌棒，所述隔板与辐条式刀盘构成并模拟盾构的土仓；所述刀盘驱动电机设置在所述隔板另一侧，通过刀盘传动轴与所述辐条式刀盘连接；所述隔板上固定有螺旋输送机模型，所述螺旋输送机模型端部装有螺旋输送机驱动电机，螺旋输送机模型与集土器对接。

7.使用权利要求1至6中任一所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验系统进行观测试验的方法，其特征在于：试验时先以土体的基本物理力学性质指标为控制指标，在模型土箱中配制与真实土体性质相似的透明土，并在透明土中加入碳颗粒作为示踪粒子；通过加载装置给土体加压，控制盾构模型掘进驱动电机驱动盾构机模型外壳在外层套管中前进，同时刀盘和螺旋输送机开始转动，模拟盾构机掘进过程，使渣土实现从刀盘开口进入模拟盾构的土仓并经过螺旋输送机排除的全过程；试验过程中用激光器将片光从模型箱顶部、侧面分别射入放有碳颗粒的透明土中，通过高像素相机拍照捕捉透明土中碳颗粒在双圆盾构机模型运转时的分布及运动图像，在计算机上使用数据处理软件控制图像采集并对图像数据进一步处理得到流场特性参数分布规律。

8.根据权利要求7所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验方法，其特征在于：通过改变加载量、盾构机模型推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速模拟不同工况下盾构机掘进过程从而获得不同工况下刀盘前方及土仓内渣土流动状态。

9.根据权利要求7所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验方法，其特征在于：通过改变加载量、模拟盾构处于不同埋深时附加应力的加卸载。

10.根据权利要求7所述的双圆盾构土仓渣土流动特性可视化观测试验方法，其特征在于：利用粒子图像测速技术，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，计算得到流场一个切面内定量的速度分布；从两个互相垂直的方向射入片光，通过计算机处理得到透明土仓内部示踪碳粒子的流动状态。