CN104914008A - 类矩形盾构土舱渣土流动特性可视化观测试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，包括透明土、模型土箱、缩尺类矩形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类矩形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。本发明还提供了使用该系统进行观测试验的方法。利用本发明能首次有效观测土舱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舱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

类矩形盾构土舱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，涉及类矩形盾构掘进过程中，土舱渣土流动特性的观测试验系统。

背景技术

建造类矩形隧道对环境保护要求较高的城市核心区域有较高的社会经济效益，城市轨道交通线路往往穿越城市居住建筑物密集的居住区，如何在建设过程对周边环境的影响降至最低是轨道交通建设过程中需要解决的重要课题。土压平衡式盾构以其技术、经济上的优越性，在城市地铁盾构法施工中得到了极为广泛的应用。盾构掘进过程中，设置合理的土舱压力，对于控制地表沉降、提高掘进速度、降低掘进成本都非常重要。土舱内渣土流动是影响土舱压力的重要因素。明确土舱内渣土流动特性，是分析土舱压力、合理设置施工参数、保证盾构顺利掘进的关键。类矩形盾构隧道与传统圆形盾构隧道相比在空间利用率、环境影响控制等方面都有较大的优势。由于类矩形盾构的刀盘构造与单圆盾构不同，其土舱内渣土流动及开挖面前方土体变形特性也不同于单圆盾构；另一方面，由于土体的隐蔽性、仪器的精度较差以及模型尺寸等因素致使观测数据较难准确收集；目前已公开的发明专利仍未解决土舱、土体的不透明问题，无法观测土舱内渣土流动，针对渣土流动特性进行分析。

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，通过调节组成材料的配比，能得到与天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天然土体同样的变形、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射流场，使用数字相机拍摄流场照片，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。对类矩形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，有必要针对无法观测盾构土舱内渣土流动及开挖面前方地层变形特性等问题建立室内观测试验系统。

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类矩形盾构土舱渣土流动特性的观测试验系统。为克服土舱密闭不可观测、土体不透明的难题，研究类矩形盾构土舱渣土流动特性及开挖面前方土体变形规律建立模拟试验平台。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，包括透明土、模型土箱、缩尺类矩形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类矩形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，所述缩尺类矩形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类矩形柱体，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舱，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材料例如有机玻璃制成，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舱；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。

上述的类矩形盾构土舱渣土流动特性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舱并经过螺旋输送机排出的全过程；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类矩形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舱内渣土流动状态。

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、记录并显现类矩形盾构掘削时土舱室内渣土流动和开挖面前方土体变形特性。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：首次在室内试验中整体性地观测类矩形盾构机型掘削过程中不同性质地层、不同类矩形刀盘开口特性和不同盾构施工参数控制下对应的土舱室内渣土流动规律及开挖面前方土体变形规律。通过本发明所进行的可视化环境下类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验，能够高精度地观测到盾构机掘进过程中渣土流动这一复杂动态非线性物理过程，试验研究手段中利用本发明能首次有效观测土舱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舱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。基于此试验系统，可进一步提出完整的机理模型，并明确相关掘进参数间的关系，反馈和应用到现场施工，更好地保证施工安全。

附图说明

图1为本发明实施例可视化环境下类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统示意图。

图2为本发明实施例可视化环境下类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统中缩尺类矩形盾构机模拟装置结构示意图。

图3为本发明实施例可视化环境下类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统中缩尺类矩形盾构机模拟装置横截面示意图。

附图标注：1模型土箱；2均布荷载；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盾构模型掘进驱动电机。

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。

图1所示为可视化环境下类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统的一个实施例。

如图所示，缩尺类矩形盾构机模拟装置整体为土压平衡式盾构机的缩小和简化，模型土箱1采用透明有机玻璃制成，呈长方体，模型土箱一侧分隔板14开口连接盾构机模型外壳10，二者通过橡胶密封垫7保证密封，外层套管9用来保持盾构机模型位置稳定。类矩形盾构机刀盘采用辐条式刀盘4，辐条式刀盘在盾构机模型的最前方，且可以更换为不同开口特性的其他辐条式刀盘，模型土舱室内安装有搅拌棒8，掘进时搅拌棒保持渣土流动，防止固结。刀盘驱动电机6位于辐条式刀盘4后面，通过刀盘传动轴5驱动辐条式刀盘4，刀盘驱动电机6转速可调节，以等效模拟盾构机掘进速度。模型土采用预先配置好的具有优良透光性的、放入示踪碳粒子的透明土3。均布荷载2直接加载在透明土3顶面上，荷载大小可调节，以模拟盾构处于不同空间关系下附加应力的加卸载。螺旋输送机模型11下端插入模型土舱室，由螺旋输送机驱动电机12驱动，其转速可调节以控制特定的出土量。集土器13收集螺旋输送机模型11排出的渣土，商用PIV数字图像处理系统的线光源可以从模型箱1的顶面垂直向下照射，也可以从模型箱1的侧面沿水平方向照射，通过调整CCD相机的监测位置，可以观测相应的激光照射面的土颗粒位移。

试验开始前，首先将缩尺类矩形盾构机模拟装置安装进模型箱1侧面开口处的指定位置，然后将配制好的特定参数的透明土3置入模型土箱1，盖上模型土箱上盖保持土体密封。正式试验开始时，揭开模型箱1的上盖，按具体试验方案在透明土3上方施加均布荷载2，模拟特定空间关系下的附加应力。用刀盘驱动电机6驱动辐条式刀盘4旋转，切削透明土3，同时调节螺旋输送机驱动电机12的转速，控制特定的出土量，调节盾构模型掘进驱动电机15，模拟盾构机掘进过程。

用激光器将片光分别从模型箱顶部、侧面分别射入放有示踪粒子的透明土中，通过粒子图像测速(PIV)技术、CCD成像系统和激光数字散斑技术将示踪粒子在类矩形盾构机模型运转时的分布信息进行记录，进一步处理得到流场特性参数分布规律。

综上所述，本发明所述的可视化环境下类矩形盾构土舱渣土流动特性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、可重复使用；

2)、盾构机的掘进速度和土舱出土量精确可控；

3)、适用于模拟不同工况下类矩形盾构机掘进过程土舱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。

试验研究手段中利用本发明能有效地观测土舱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舱压力设定控制提供良好的试验平台。

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)

1.一种类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，其特征在于：包括透明土、模型土箱、缩尺类矩形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类矩形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。

2.根据权利要求1所述的类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，其特征在于：

所述缩尺类矩形盾构机掘削系统模拟试验装置包括刀盘模型、盾构机模型外壳、螺旋输送机模型，所述盾构机模型外壳呈类矩形柱体，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舱，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。

3.根据权利要求1所述的类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，其特征在于：所述模型土箱和盾构机模型由透明材料例如有机玻璃制成，与透明土共同构成可视化环境。

4.根据权利要求1所述的类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，其特征在于：所述均布加载装置采用堆载形式加载。

6.根据权利要求1所述的类矩形盾构土舱渣土流动特性观测试验系统，其特征在于：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舱；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。

7.使用权利要求1至6中任一所述的类矩形盾构土舱渣土流动特性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舱并经过螺旋输送机排出的全过程；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类矩形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分布规律特性参数。

8.根据权利要求7所述的观测试验方法，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舱内渣土流动状态。

9.根据权利要求7所述的观测试验方法，其特征在于：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。

10.根据权利要求7所述的观测试验方法，其特征在于：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、记录并显现类矩形盾构掘削时土舱室内渣土流动和开挖面前方土体变形特性。