CN105223336B - 一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置及方法，包括：视觉识别系统、模型箱系统、聚氯胺液囊(11)、连通聚氯胺液囊(11)的第一导管(12)和第二导管(21)、对应第二导管(21)的容器(17)、设置在聚氯胺液囊(11)内部的电阻丝(13)、连接电阻丝的加热控制装置(20)；视觉识别系统包括：实时监测摄像头(1)、固定支架(2)以及采集计算模块(3)，实时监测摄像头(1)用于拍摄监测界面的视频图像，将视频图像传输给采集计算模块(3)进行分析计算，获得兴趣点的位移数据，还包括遮盖整个试验装置的帷幕(4)和位置固定的光源(5)，本发明的装置能对其发展过程中每个颗粒沉降进行实时监测。

Description

一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置及 方法

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，尤其涉及的是一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置及方法。可以模拟由于盾构施工中由于超挖等引起的地层空洞带来的地表沉降以及随后的地层损失过程，为施工以及设计优化提供依据。

背景技术

如今地铁由于其经济、舒适、方便、快捷等优点已经得到了快速的发展，而盾构法作为地铁建设的最为有效的方法也随之得到了快速的发展，其施工技术在经过一百年的发展以后也已经基本健全，形成了一整套健全的技术理论。然而施工过程中引起的周围地层扰动，从而引起地层压力释放与地层变形问题仍然存在。这些问题所带来的便是具有不确定性、滞后性和突然性等特点的地面塌陷、周围既有建筑物的变形，由于地铁线路一般处在人口密集、经济繁华的主要城区，所以造成的损失危害极大。加之我国针对地下洞穴坍塌及盾构引起底层空洞的研究起步晚，目前大多研究都停留在地表塌陷的研究上，因此深入研究地层空洞所引发的地层损失显得尤为重要。

模型试验在满足一定相似原理的前提下，模型试验相对于现场测试及数学模型可以更为便捷、全面、直观、准确地反映出盾构施工中由于超挖等引起的地层空洞带来的地表沉降以及地层损失过程。目前，针对模拟研究地层空洞所引发的地层损失的模型试验方法主要有离心模型试验法、地层损失模拟法、动态掘进诱发地层损失法等。目前这些试验方法不足之处在于：

1、目前大多研究都停留在地表塌陷的研究上，没有一种能简单准确直观的监测由于地层空洞所引起的地层中的颗粒位移的方法，因此得不到地层损失与上部土体变形之间的关系，对于研究地层损失产生的机理也没有有效的试验数据。

2、由于试验原理，存在离心场径向和切向误差、粒径效应、边界效应等问题，以至于实验结果与原型产生偏差，不能准确的反映地层损失的变化过程。

3、虽然已经有了一些对于地层损失的模拟，但是存在相当多的模拟问题，系统也比较分散和零乱，并未形成一套健全有效的系统。且试验的效率也不高。

因此，急需一种更加健全有效的模拟装置系统来更加直观准确地监测盾构掘进引起的地层空洞而带来的地层损失发展及破坏过程，研究地层空洞发展及破坏机制，对地铁盾构的设计和施工给出科学合理的依据。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于监测盾构引起地层空洞发展及破坏过程模拟系统。本发明的装置能对其发展过程中每个颗粒沉降进行实时监测。

本发明为实现以上目的，所采用方案是：

一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置，包括：视觉识别系统、模型箱系统、聚氯胺液囊(11)、连通聚氯胺液囊(11)的第一导管(12)和第二导管(21)、对应第二导管(21)的容器(17)、设置在聚氯胺液囊(11)内部的电阻丝(13)、连接电阻丝的加热控制装置(20)；

视觉识别系统包括：实时监测摄像头(1)、固定支架(2)以及采集计算模块(3)，实时监测摄像头(1)用于拍摄监测界面的视频图像，将视频图像传输给采集计算模块(3)进行分析计算，获得兴趣点的位移数据，还包括遮盖整个试验装置的帷幕(4)和位置固定的光源(5)；固定支架(2)将监测摄像头(1)固定，然后与采集计算模块(3)通过数据线相连；

采集计算模块(3)包括顺次连接的视频帧提取单元、视频帧存储单元、兴趣点提取单元、图像坐标数据存储单元；视频帧提取单元用于根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储在视频帧存储单元中，兴趣点提取单元读入用户选择的视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取，并将提取的兴趣点坐标数据存储在图像坐标数据存储单元中；再通过读入跟踪的兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线。

所述的试验装置中，所述采集计算模块(3)还包括一直线拟合单元，该直线拟合单元通过对提取到的不同帧中的同一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点，如果不能进行直线拟合则采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置。

所述的试验装置中，所述模型箱系统包括：带有排砂门(18)的模型箱(6)、带有小孔的盾构隧道钢模型(7)、钢化玻璃(8)、试验土体(14)、地表位移量测装置LVDT位移计(15)；模型箱(6)的一面为透明的钢化玻璃(8)，通过钢化玻璃(8)监测试验土体的界面，在试验土体顶部安装LVDT位移计(15)测量表面土体变形。

所述的试验装置中，所述模型箱(6)的侧面设置有排砂门(18)，用于将试验土体(14)排出，准备进行下一组试验。

还提供一种根据所述的试验装置进行试验的方法，将制作好的地层空洞模型放入模型箱(6)中，将模型箱(6)有钢化玻璃(8)的一面正对着监测摄像头(1)，打开固定光源(5)，将整个系统盖上帷幕(4)，先用视觉识别系统进行初始位置记录，接着使用加热控制装置(20)对空洞模型中的电阻丝(13)进行通电加热，通过测量容器(17)中的水的体积进行加热控制，视觉识别系统一直对试验土(14)体进行监测，直至由采集计算模块(3)计算得出的地层位移速率最大值小于预设值时，表明沉降已经基本稳定，最后通过采样点跟踪以及定位计算较准确地对地层颗粒的位移进行实时的追踪，得出地层的损失变化。

所述的方法中，地层空洞模型的制作方法为：首先将电阻丝(13)放入聚氨酯液囊(11)中并通过第一导管(12)、第二导管(21)与外部连接；将干瘪状态下的聚氨酯液囊(11)外部包围钢丝网与聚乙烯塑料，将钢丝网与聚乙烯塑料组成的外部模型设定为所需特定形状，通过第一导管(12)向聚氨酯液囊(11)中注水，直到聚氨酯液囊(11)的囊壁与钢丝网紧贴为止；将装置放入冷冻箱中冷冻，聚氨酯液囊(11)中水全部固结成冰后取出，拆除钢丝网与聚乙烯塑料，即得所需形状地层空洞模型。

所述的方法中，采集计算模块(3)的数据处理步骤包括：

A1：根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储视频帧图片；

A2：读入视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取；

A3：存储提取的兴趣点的坐标数据；

A4：跟踪兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线。

A5：计算获得地层位移速率。

所述的方法中，在步骤A3之后，还包括步骤A31：通过对提取到的不同帧中的每一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点，如果不能进行直线拟合，则直接采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过摄像头采集数据，对试验过程中地层颗粒的位移进行实时的追踪。从而能直观准确的模拟由于地层空洞所引起的地层损失的发展过程，便于研究其破坏以及发展机理。

2、通过对含有固定熔点的晶体(松香、水)先用冰冻箱冷却再使其在固定容器中形成某一固态模型的办法，可以有效的模拟不规则空洞的问题，同时使用比较方便，重复性高。

3、通过使用帷幕以及固定光源的办法，使外部环境稳定，这样采集的数据不会因为外部环境干扰而不准确。

4、试验台架通过在侧面开一排砂门，可以达到快速将模型箱中的砂石排除的作用，大大地减少了工作量。同时对于排砂门的防水设计以及台架整体的防水设计，使得本发明可以用于处于含水地层的地层损失试验。

5、通过模型箱、地层损失模拟、视觉识别系统系统、外部灯光帷幕的组合使得本发明可以取得准确直观的地层损失变化数据。

附图说明

图1是本发明实施例装置的正视结构示意图。

图2是本发明实施例装置的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例装置的侧视结构示意图。

图4是本发明视觉识别系统的流程示意图。

图5是本发明视觉识别系统的直线拟合示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1-3所示，一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置，包括：视觉识别系统、模型箱系统、聚氯胺液囊11、连通聚氯胺液囊11的第一导管12和第二导管21、对应第二导管21的容器17、设置在聚氯胺液囊11内部的电阻丝13、连接电阻丝的加热控制装置20；

视觉识别系统包括：实时监测摄像头1、固定支架2以及采集计算模块3，实时监测摄像头1用于拍摄监测界面的视频图像，将视频图像传输给采集计算模块3进行分析计算，获得兴趣点的位移数据，还包括遮盖整个试验装置的帷幕4和位置固定的光源5。固定支架2将监测摄像头1固定，然后与采集计算模块3通过数据线相连。

采集计算模块3包括视频帧提取单元、视频帧存储单元、兴趣点提取单元、图像坐标数据存储单元；视频帧提取单元用于根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储在视频帧存储单元中，兴趣点提取单元读入用户选择的视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取，并将提取的兴趣点坐标数据存储在图像坐标数据存储单元中；还可以设置一直线拟合单元，该直线拟合单元通过对提取到的不同帧中的同一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点(单点情况)，如果不能进行直线拟合则采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置。再通过读入跟踪的兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线。

参考图4，采集计算模块3的数据处理步骤包括：

A1：根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储在视频帧存储单元中；

A2：读入用户选择的视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取；

A3：将提取的兴趣点坐标数据存储在图像坐标数据存储单元中；

A4：通过对提取到的不同帧中的每一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点(单点情况)，如果不能进行直线拟合，则直接采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置。

A5：读入跟踪的兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线。

A6：计算获得地层位移速率等。

为了方便查看一个视频帧中所取得的兴趣点是否合理，通过将兴趣点画点(见图5a)、画线(见图5b)进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的点(单点情况)，通过预览功能，用户可以提前预览采样的兴趣点位置，如果存在不能直线拟合的单点情况，则取直线的交点(见图5c)作为每个兴趣点的位置。采用直线拟合主要的原因是用户在针对每个兴趣点的位置进行鼠标点击确定位置的时候，不可避免的会存在偏差，导致最后的圆点定位不正确；采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置，有利于提高整体定位的准确性。为了更好的提高拟合的准确性，要求相机尽量正对兴趣点所组成的平面。

所述模型箱系统包括：带有排砂门18的模型箱6、带有小孔的盾构隧道钢模型7、钢化玻璃8、试验土体14、地表位移量测装置LVDT位移计15；试验中将试验土体14按要求(可放入含水土体)装入模型箱6后，模型箱6的一面为透明的钢化玻璃8，通过钢化玻璃8可以更好的监测到试验土体的界面，在试验土体顶部安装LVDT位移计15测量表面土体变形。试验完成一组后打开侧面排砂门18将试验土体14排出，准备进行下一组试验。

试验时，将制作好的地层空洞模型放入模型箱6中，将模型箱6有钢化玻璃8的面正对着监测摄像头1，打开固定光源5，将整个系统盖上帷幕4，采集计算模块3进行数据提取，数据提取完成便可查询结果，最后通过采样点跟踪以及定位计算便可较准确地对地层颗粒的位移进行实时的追踪，得出地层的损失变化，

利用上述模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置的试验方法，具体实施步骤是：

1、试验准备：首先制作空洞模型，方法为：首先将电阻丝13放入聚氨酯液囊11中并通过第一导管12、第二导管21与外部连接；将干瘪状态下的聚氨酯液囊11外部包围钢丝网与聚乙烯塑料，将钢丝网与聚乙烯塑料组成的外部模型设定为所需特定形状，通过第一导管12向聚氨酯液囊11中注水，直到聚氨酯液囊11的囊壁与钢丝网紧贴为止；将装置放入冷冻箱中冷冻，聚氨酯液囊11中水全部固结成冰后取出，拆除钢丝网与聚乙烯塑料，即得所需形状地层空洞模型。埋好已经制作好的空洞模型，接着再按照要求将其余的土体放入模型箱6中，最后在顶部放置好LVDT位移计15。

2、安装视觉识别系统：使用帷幕4将整个装置遮蔽，固定光源5并打开光源，安装固定支架2并在固定支架2上固定监测摄像头1，将监测摄像头1与采集计算模块3进行连接，初始化采集计算模块3。

3、仪器连接调试：将已经安装好的LVDT位移计15与视觉识别系统均进行调试，看能否得出数据，检查是否有错误存在。设置好采集计算模块3的采集频率。

4、测试：先用视觉识别系统进行初始位置记录，接着使用加热控制装置20对空洞模型中的电阻丝13进行通电加热，通过测量容器17中的水的体积进行加热控制，一直对试验土14体进行监测，直至由采集计算模块3计算得出的地层位移速率最大值小于要求值时，表明沉降已经基本稳定，本试验结束。通过顶部的LVDT位移计15进行地表位移监测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置，其特征在于，包括：视觉识别系统、模型箱系统、聚氯胺液囊（11）、连通聚氯胺液囊（11）的第一导管（12）和第二导管（21）、对应第二导管（21）的容器（17）、设置在聚氯胺液囊（11）内部的电阻丝（13）、连接电阻丝的加热控制装置（20）；

所述模型箱系统包括：带有排砂门（18）的模型箱（6）、带有小孔的盾构隧道钢模型（7）、钢化玻璃（8）、试验土体（14）、地表位移量测装置LVDT位移计（15）；模型箱（6）的一面为透明的钢化玻璃（8），通过钢化玻璃（8）监测试验土体的界面，在试验土体顶部安装LVDT位移计（15）测量表面土体变形；

视觉识别系统包括：实时监测摄像头（1）、固定支架（2）以及采集计算模块（3），实时监测摄像头（1）用于拍摄监测界面的视频图像，将视频图像传输给采集计算模块（3）进行分析计算，获得兴趣点的位移数据，还包括遮盖整个试验装置的帷幕（4）和位置固定的光源（5）；固定支架（2）将监测摄像头（1）固定，然后与采集计算模块（3）通过数据线相连；

采集计算模块（3）包括顺次连接的视频帧提取单元、视频帧存储单元、兴趣点提取单元、图像坐标数据存储单元；视频帧提取单元用于根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储在视频帧存储单元中，兴趣点提取单元读入用户选择的视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取，并将提取的兴趣点坐标数据存储在图像坐标数据存储单元中；再通过读入跟踪的兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线；所述采集计算模块（3）还包括一直线拟合单元，该直线拟合单元通过对提取到的不同帧中的同一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点，如果不能进行直线拟合则采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模型箱（6）的侧面设置有排砂门（18），用于将试验土体（14）排出，准备进行下一组试验。

3.根据权利要求1或2所述的试验装置进行试验的方法，其特征在于，将制作好的地层空洞模型放入模型箱（6）中，将模型箱（6）有钢化玻璃（8）的一面正对着监测摄像头（1），打开固定光源（5），将整个实验装置盖上帷幕（4），先用视觉识别系统进行初始位置记录，接着使用加热控制装置（20）对空洞模型中的电阻丝（13）进行通电加热，通过测量容器（17）中的水的体积进行加热控制，视觉识别系统一直对试验土体（14）进行监测，直至由采集计算模块（3）计算得出的地层位移速率最大值小于预设值时，表明沉降已经基本稳定，最后通过采样点跟踪以及定位计算较准确地对地层颗粒的位移进行实时的追踪，得出地层的损失变化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，地层空洞模型的制作方法为：首先将电阻丝（13）放入聚氯胺液囊（11）中并通过第一导管（12）、第二导管（21）与外部连接；将干瘪状态下的聚氯胺液囊（11）外部包围钢丝网与聚乙烯塑料，将钢丝网与聚乙烯塑料组成的外部模型设定为所需特定形状，通过第一导管（12）向聚氯胺液囊（11）中注水，直到聚氯胺液囊（11）的囊壁与钢丝网紧贴为止；将装置放入冷冻箱中冷冻，聚氯胺液囊（11）中水全部固结成冰后取出，拆除钢丝网与聚乙烯塑料，即得所需形状地层空洞模型。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采集计算模块（3）的数据处理步骤包括：

A1：根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储视频帧图片；

A2：读入视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取；

A3：存储提取的兴趣点的坐标数据；

A31：通过对提取到的不同帧中的每一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点，如果不能进行直线拟合，则直接采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置；

A4：跟踪兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线；

A5：计算获得地层位移速率。