CN106297525A - 三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置 - Google Patents

Abstract

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，包括固定支撑系统、加载系统、支护结构和位移监测系统。固定支撑系统由三维离心模型箱、长立柱、短立柱、连系横梁及支撑横梁组成，用于固定支护结构并提供支撑反力；加载系统由微型液压千斤顶和支撑杆及支撑垫块组成，置于支撑横梁上部且处于支护结构内部；支护结构由铝管和其上部的弧形铝片组成，置于固定支撑系统之上；位移监测系统由高灵敏度位移传感器及传感伸长杆组成，粘结于弧形铝片上部。本发明装置能精准地控制模拟盾构隧道开挖引起的地层损失率，并可连续分段模拟不同的地层损失率。

Description

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验的技术领域，尤其涉及岩土工程领域盾构隧道施工三维离心模型试验中模拟开挖装置及其实施方法。

背景技术

随着城市现代化的快速发展，城市交通拥挤及人们出行难已成为亟待解决的问题，城市地铁以其快捷、准时、运量大等优点，作为缓解城市交通压力的重要手段受到人们广泛青睐。修建地铁不仅可以改善交通流量，减轻由于交通拥挤引起的环境压力，而且也保护了城市的风景，把地表的一部分建筑转移至地下，扩大了城市的绿化面积，城市地铁的修建已成为加快城市化进程的重要部分。但是随着各大中城市地铁隧道的建设、开通运营。隧道本身及周边地基凸显出不少问题。为了很好的解决这些实际的工程问题，很多学者通过不同的研究分析手段来对与地铁隧道相关的问题进行研究。其中，离心模型试验作为一种行之有效的研究防范，以其卓越的优势，受到岩土学者们的广泛青睐。

离心模型试验由于具有与原型应力水平相同的有点，在以自重为主要荷载的岩土工程的研究中占有独特的地位。离心模型试验作为岩土工程技术研究领域最先进、最重要的的研究手段广泛应用于岩土工程各领域，简要归纳如下：①岩土工程设计参数研究；②设计方案及相关设计计算方法的验证和比选；③作为数学模型及数值分析计算方法的验证标准；④岩土工程领域中作用机理和破坏机理研究的重要研究手段。

现有的在离心模型试验中模拟盾构隧道开挖方法多采用释放试验准备阶段注入于隧道模型内液体的方式，但是此种方法因在液体注入阶段难免有少量的空气注入，而较难准确地控制隧道开挖所致地层损失效应，且单组试验中只能实现单一的地层损失率，而不能连续地在一组试验中同时实现不同程度的地层损失效应。

发明内容

为了克服现有的离心模型试验中模拟盾构隧道开挖所致地层损失率的不足，本发明提供三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，该装置避免了在试验准备阶段冲注液体的复杂准备过程，且能精准的控制隧道开挖所致地层损失效应，其最大的优点是能于单组试验中实现多种不同程度的地层损失效应。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，包括固定支撑系统、加载系统、支护结构以及位移监测系统。具体结构和连接关系为：

所述固定支撑系统包括三维离心模型箱、长立柱、短立柱、连系横梁以及支撑横梁。长立柱及短立柱用玻璃胶跟三维离心模型箱粘结；连系横梁与长立柱及短立柱之间为榫卯连接；支撑横梁搁置于长立柱及短立柱之上并与之用玻璃胶粘结。

所述加载系统包括微型液压千斤顶、支撑杆以及支撑垫块。微型液压千斤顶置于固定支撑系统上部，与支撑横梁用玻璃胶粘结；支撑杆与微型液压千斤顶之间用玻璃胶粘结；支撑杆与支撑垫块之间用玻璃胶粘结。

所述支护结构由用于模拟隧道管片的铝管和置于铝管上部可上下移动的弧形铝片组成。铝管搁置于三维离心模型箱预留位置上；弧形铝片与铝管之间采用玻璃胶粘结并搁置于支撑垫块之上。

所述位移监测系统由高灵敏度位移传感器及传感伸长杆组成。传感伸长杆与弧形铝片上表面用玻璃胶粘结；传感伸长杆与高灵敏度位移传感器用玻璃胶粘结。

所述长立柱、短立柱、连系横梁以及支撑横梁均由刚度较大的实心铝合金制成。

所述微型液压千斤顶要求能置于铝管内，且其可控精度为0.1mm。

所述支撑杆由刚度较大的实心铝合金制成。

所述铝管、弧形铝片均为铝合金材质。

所述传感伸长杆为空心的且内设有螺纹的铝制杆件。

所述高灵敏度位移传感器要求控制精度为0.1mm。

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置的安装方法，具体安装步骤如下：

1)在长立柱及短立柱中间位置处预设与连系横梁宽度相当的孔槽，将连系横梁插入长立柱及短立柱的预留孔槽内，并于孔槽缝隙内注满玻璃胶，以保证隧道固定支撑系统的整体稳定性，将长立柱及短立柱底端与三维离心模型箱底部用玻璃胶粘结。

2)将铝管沿直径方向均分为二，于一个管片底部钻出3个矩形孔洞，孔洞长宽应与长立柱及短立柱的横截面的长宽相同，其净距为长立柱之间的净距，于长立柱顶端预设其宽度一半的L型槽口，将长立柱及短立柱沿钻出的3个矩形孔洞贯穿，并将支撑横梁放置于长立柱的槽口之上，支撑横梁底部中间段处与短立柱用玻璃胶粘结。

3)于支撑横梁表面安置6个微型液压千斤顶，微型液压千斤顶底部用玻璃胶与支撑横梁固定，防止离心机加速时微型液压千斤顶滑动。

4)于另一个管片顶部钻出6个矩形孔洞，孔洞长宽与支撑垫块(10)横截面长宽相同，支撑垫块(10)底部与支撑杆顶部用玻璃胶粘结，支撑杆底部与微型液压千斤顶顶部用玻璃胶粘结，以保证三者能同时上下运动且没有相对运动，将6个微型液压千斤顶与管片预留的6个矩形孔洞对齐并贯穿，同时将此管片与其下部管片用铆钉连接，连接表面用玻璃胶封闭以防止试验过程中土体侵入而影响试验结果。

5)将弧形铝片置于连接好的铝管之上，弧形铝片与铝管连接部位涂抹一定量的凡士林，在保证两者接触部位能够滑移的同时避免试验过程中土体的侵入。

6)于弧形铝片安装6根传感伸长杆，传感伸长杆底部用玻璃胶与弧形铝片上表面粘结，传感伸长杆顶部用玻璃胶与高灵敏度位移传感器粘结，以监测试验过程中弧形铝片的竖向位移。

7)上述工作完成后，整理好微型液压千斤顶连线，并于铝管一端穿出，最后封闭铝管两端，以防止试验过程中土体的侵入而影响试验结果。

在试验过程中连续分段动态模拟隧道开挖按以下步骤进行：

试验准备阶段，调节6个微型液压千斤顶，使得弧形铝片与铝管之间保持相同的间隙。试验开始前，根据试验目标地层损失率来换算弧形铝片的竖向位移量，试验过程中当离心机离心加速度达到目标加速度时，且待高灵敏度位移传感器的读数稳定后，根据此读数和弧形铝片的竖向位移量确定高灵敏度位移传感器的目标读数，接着按照模型隧道的开挖顺序，依次控制模型隧道内的微型液压千斤顶，调整微型液压千斤顶，使弧形铝片与铝管之间的间隙逐渐减小，当弧形铝片上部的高灵敏度位移传感器的读数达到目标读数时，即可停止微型液压千斤顶的下移，待试验中所有传感器的读数稳定后，即可重复上述步骤继续模拟开挖下一段隧道，直至六段隧道开挖段开挖完成，实现连续分段动态模拟隧道开挖。

若需实现连续模拟多种不同程度的地层损失率，只需根据目标地层损失率来换算弧形铝片的竖向位移量，试验过程中当离心机离心加速度达到目标加速度时，且待高灵敏度位移传感器的读数稳定后，根据此读数和弧形铝片的竖向位移量确定高灵敏度位移传感器的目标读数，接着按照模型隧道的开挖顺序，依次控制模型隧道内的微型液压千斤顶，调整微型液压千斤顶，使弧形铝片与铝管之间的间隙逐渐减小，当弧形铝片上部的高灵敏度位移传感器的读数达到目标读数时，即可停止微型液压千斤顶的下移，待试验中所有传感器的读数稳定后，即可重复上述步骤继续模拟开挖下一段隧道，直至六段隧道开挖段开挖完成。

本发明的有益效果在于：能在离心模型试验中分段模拟盾构隧道施工所致的地层损失效应。相比其他隧道模型而言，该装置避免了在试验准备阶段冲注液体的复杂准备过程，且能精准的控制隧道开挖所致地层损失效应，其最大的优点是能于单组试验中实现多种不同程度的地层损失效应。

附图说明

图1为本发明装置的主视结构示意图。

图2为本发明装置的横截面图。

图3为本发明装置的开挖前横截面图。

图4为本发明装置的开挖后横截面图。

图5为本发明装置第一段隧道开挖后效果图。

图6为本发明装置第二段隧道开挖后效果图。

图7为本发明装置第三段隧道开挖后效果图。

图8为本发明装置第四段隧道开挖后效果图。

图9为本发明装置第五段隧道开挖后效果图。

图10为本发明装置第六段隧道开挖后效果图。

图中标记为：三维离心模型箱1、隔板2、长立柱3、短立柱5、连系横梁4、支撑横梁6、微型液压千斤顶7、支撑杆9、支撑垫块10、铝管8、弧形铝片11、传感伸长杆12、高灵敏度位移传感器13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1至图3所示，本发明所述的三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，包括固定支撑系统、加载系统、支护结构以及位移监测系统。具体结构和连接关系为：

所述固定支撑系统包括三维离心模型箱1、长立柱3、短立柱5、连系横梁4以及支撑横梁6。长立柱3及短立柱5用玻璃胶跟三维离心模型箱1粘结；连系横梁4与长立柱3及短立柱5之间为榫卯连接；支撑横梁6搁置于长立柱3及短立柱5之上并与之用玻璃胶粘结。

所述加载系统包括微型液压千斤顶7、支撑杆9以及支撑垫块10。微型液压千斤顶7置于固定支撑系统上部，与支撑横梁6用玻璃胶粘结；支撑杆9与微型液压千斤顶7之间用玻璃胶粘结；支撑杆9与支撑垫块10之间用玻璃胶粘结。

所述支护结构由用于模拟隧道管片的铝管8和置于铝管上部可上下移动的弧形铝片11组成。铝管8搁置于三维离心模型箱1预留位置上；弧形铝片11与铝管8之间采用玻璃胶粘结并搁置于支撑垫块10之上。

所述位移监测系统由高灵敏度位移传感器13及传感伸长杆12组成。传感伸长杆12与弧形铝片11上表面用玻璃胶粘结；传感伸长杆12与高灵敏度位移传感器13用玻璃胶粘结。

三维离心模型箱的隔板2左侧为模型仓，隔板2右侧为本试验的控制室，主要是在试验过程中对微型液压千斤顶7的控制。本试验装置以三维离心模型箱1底部为反力装置，为微型液压千斤顶7提供反力支撑。

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置的安装方法，具体安装步骤如下：

1)在长立柱3及短立柱5中间位置处预设与连系横梁4宽度相当的孔槽，将连系横梁4插入长立柱3及短立柱5的预留孔槽内，并于孔槽缝隙内注满玻璃胶，以保证隧道固定支撑系统的整体稳定性。将长立柱3及短立柱5底端与三维离心模型箱1底部用玻璃胶粘结。

2)将铝管8沿直径方向均分为二，于一个管片底部钻出3个矩形孔洞，孔洞长宽应与长立柱3及短立柱5的横截面的长宽相同，其净距为长立柱3之间的净距。于长立柱3顶端预设其宽度一半的L型槽口。将长立柱3及短立柱5沿钻出的3个矩形孔洞贯穿，并将支撑横梁6放置于长立柱3的槽口之上，支撑横梁6底部中间段处与短立柱5用玻璃胶粘结。

3)于支撑横梁6表面安置6个微型液压千斤顶7，微型液压千斤顶7底部用玻璃胶与支撑横梁6固定，防止离心机加速时微型液压千斤顶7的滑动。

4)于另一个管片底部钻出6个矩形孔洞，孔洞长宽与支撑垫块10横截面长宽相同，支撑垫块10底部与微型液压千斤顶7顶部用玻璃胶粘结，以保证两者能同时上下运动且没有相对运动。将6个微型液压千斤顶7与管片预留的6个矩形孔洞对齐并贯穿，同时将此管片与其下部管片用铆钉连接，连接表面用玻璃胶封闭以防止试验过程中土体侵入而影响试验结果。

5)将弧形铝片11置于连接好的铝管8之上，弧形铝片11与铝管8连接部位涂抹一定量的凡士林，在保证两者接触部位能够滑移的同时避免试验过程中土体的侵入。

6)于弧形铝片11安装6根传感伸长杆12，传感伸长杆12底部用玻璃胶与弧形铝片11粘结，传感伸长杆12上端连接高灵敏度位移传感器13，以监测试验过程中弧形铝片11的竖向位移。

7)上述工作完成后，整理好微型液压千斤顶7连线，并于铝管8一端穿出。最后封闭铝管8两端，以防止试验过程中土体的侵入而影响试验结果。

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置的实施方法，在试验过程中模拟隧道开挖时按照以下方法进行：

试验准备阶段，调节6个微型液压千斤顶7，使得弧形铝片11与铝管8之间保持相同的间隙。试验开始前，根据试验目标地层损失率来换算弧形铝片11的竖向位移量，试验过程中当离心机离心加速度达到目标加速度时，且待高灵敏度位移传感器13的读数稳定后，根据此读数和弧形铝片11的竖向位移量确定高灵敏度位移传感器13的目标读数。接着按照模型隧道的开挖顺序，依次控制模型隧道内的微型液压千斤顶7，从而使得微型液压千斤顶7使得弧形铝片11与铝管8之间的间隙逐渐减小，当弧形铝片11上部的高灵敏度位移传感器13的读数达到目标读数时，即可停止微型液压千斤顶7的下移，待试验中所有传感器的读数稳定后，即可重复上述步骤模拟开挖下一段隧道，直至六段隧道开挖段开挖完成。

若需实现连续模拟多种不同程度的地层损失率，只需根据目标地层损失率来换算弧形铝片11的竖向位移量，试验过程中当离心机离心加速度达到目标加速度时，且待高灵敏度位移传感器13的读数稳定后，根据此读数和弧形铝片11的竖向位移量确定高灵敏度位移传感器13的目标读数，接着按照模型隧道的开挖顺序，依次控制模型隧道内的微型液压千斤顶7，调整微型液压千斤顶7，使弧形铝片11与铝管8之间的间隙逐渐减小，当弧形铝片11上部的高灵敏度位移传感器13的读数达到目标读数时，即可停止微型液压千斤顶7的下移，待试验中所有传感器的读数稳定后，即可重复上述步骤继续模拟开挖下一段隧道，直至六段隧道开挖段开挖完成。

表1为本发明装置所模拟地层损失率与空隙竖向位移的关系表，实际模拟中可根据所选定的地层损失率选用相应的弧形铝片11的竖向位移。

表1 本发明装置所模拟地层损失率与空隙竖向位移的关系表

三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，易于加工，结构装配简单，且能在一组试样中同时采用多种此装置以模拟双隧道甚至多隧道的开挖过程，具有一定的科研推广价值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，包括固定支撑系统、加载系统、支护结构以及位移监测系统，其特征在于，具体结构和连接关系为：

所述固定支撑系统包括三维离心模型箱、长立柱、短立柱、连系横梁以及支撑横梁，长立柱及短立柱用玻璃胶跟三维离心模型箱粘结，连系横梁与长立柱及短立柱之间为榫卯连接；支撑横梁搁置于长立柱及短立柱之上并与之用玻璃胶粘结，

所述加载系统包括微型液压千斤顶、支撑杆以及支撑垫块，微型液压千斤顶置于固定支撑系统上部，与支撑横梁用玻璃胶粘结，支撑杆与微型液压千斤顶之间用玻璃胶粘结，支撑杆与支撑垫块之间用玻璃胶粘结，

所述支护结构由用于模拟隧道管片的铝管和置于铝管上部可上下移动的弧形铝片组成，铝管搁置于三维离心模型箱预留位置上，弧形铝片与铝管之间采用玻璃胶粘结并搁置于支撑垫块之上，

所述位移监测系统由高灵敏度位移传感器及传感伸长杆组成，传感伸长杆与弧形铝片上表面用玻璃胶粘结，传感伸长杆与高灵敏度位移传感器用玻璃胶粘结。

2.根据权利要求1所述三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，其特征在于，所述长立柱、短立柱、连系横梁以及支撑横梁均由刚度较大的实心铝合金制成。

3.根据权利要求1所述三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，其特征在于，所述微型液压千斤顶要求能置于铝管内，微型液压千斤顶可控精度为0.1mm。

4.根据权利要求1所述三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，其特征在于，所述支撑杆由刚度较大的实心铝合金制成。

5.根据权利要求1所述三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，其特征在于，所述铝管、弧形铝片均为铝合金材质。

6.根据权利要求1所述三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，其特征在于，所述传感伸长杆为空心的且内设有螺纹的铝制杆件。

7.根据权利要求1所述三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置，其特征在于，所述高灵敏度位移传感器要求控制精度为0.1mm。

8.权利要求1所述的三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置的安装方法，其特征在于，具体安装步骤如下：

1)在长立柱及短立柱中间位置处预设与连系横梁宽度相当的孔槽，将连系横梁插入长立柱及短立柱的预留孔槽内，并于孔槽缝隙内注满玻璃胶，以保证隧道固定支撑系统的整体稳定性，将长立柱及短立柱底端与三维离心模型箱底部用玻璃胶粘结，

2)将铝管沿直径方向均分为二，于一个管片底部钻出3个矩形孔洞，孔洞长宽应与长立柱及短立柱的横截面的长宽相同，其净距为长立柱之间的净距，于长立柱顶端预设其宽度一半的L型槽口，将长立柱及短立柱沿钻出的3个矩形孔洞贯穿，并将支撑横梁放置于长立柱的槽口之上，支撑横梁底部中间段处与短立柱用玻璃胶粘结，

3)于支撑横梁表面安置6个微型液压千斤顶，微型液压千斤顶底部用玻璃胶与支撑横梁固定，防止离心机加速时微型液压千斤顶滑动，

4)于另一个管片顶部钻出6个矩形孔洞，孔洞长宽与支撑垫块横截面长宽相同，支撑垫块底部与支撑杆顶部用玻璃胶粘结，支撑杆底部与微型液压千斤顶顶部用玻璃胶粘结，以保证三者能同时上下运动且没有相对运动，将6个微型液压千斤顶与管片预留的6个矩形孔洞对齐并贯穿，同时将此管片与其下部管片用铆钉连接，连接表面用玻璃胶封闭以防止试验过程中土体侵入而影响试验结果，

5)将弧形铝片置于连接好的铝管之上，弧形铝片与铝管连接部位涂抹一定量的凡士林，在保证两者接触部位能够滑移的同时避免试验过程中土体的侵入，

6)于弧形铝片安装6根传感伸长杆，传感伸长杆底部用玻璃胶与弧形铝片上表面粘结，传感伸长杆顶部用玻璃胶与高灵敏度位移传感器粘结，以监测试验过程中弧形铝片的竖向位移，

7)上述工作完成后，整理好微型液压千斤顶连线，并于铝管一端穿出，最后封闭铝管两端，以防止试验过程中土体的侵入而影响试验结果。

9.根据权利要求8所述的三维离心模型试验用隧道分段开挖模拟装置的安装方法，其特征在于，在试验过程中连续分段动态模拟隧道开挖按以下步骤进行：

试验准备阶段，调节6个微型液压千斤顶，使得弧形铝片与铝管之间保持相同的间隙，试验开始前，根据试验目标地层损失率来换算弧形铝片的竖向位移量，试验过程中当离心机离心加速度达到目标加速度时，且待高灵敏度位移传感器的读数稳定后，根据此读数和弧形铝片的竖向位移量确定高灵敏度位移传感器的目标读数，接着按照模型隧道的开挖顺序，依次控制模型隧道内的微型液压千斤顶，调整微型液压千斤顶，使弧形铝片与铝管之间的间隙逐渐减小，当弧形铝片上部的高灵敏度位移传感器的读数达到目标读数时，即可停止微型液压千斤顶的下移，待试验中所有传感器的读数稳定后，即可重复上述步骤继续模拟开挖下一段隧道，直至六段隧道开挖段开挖完成，实现连续分段动态模拟隧道开挖；

若需实现连续模拟多种不同程度的地层损失率，只需根据目标地层损失率来换算弧形铝片的竖向位移量，试验过程中当离心机离心加速度达到目标加速度时，且待高灵敏度位移传感器的读数稳定后，根据此读数和弧形铝片的竖向位移量确定高灵敏度位移传感器的目标读数，接着按照模型隧道的开挖顺序，依次控制模型隧道内的微型液压千斤顶，调整微型液压千斤顶，使弧形铝片与铝管之间的间隙逐渐减小，当弧形铝片上部的高灵敏度位移传感器的读数达到目标读数时，即可停止微型液压千斤顶的下移，待试验中所有传感器的读数稳定后，即可重复上述步骤继续模拟开挖下一段隧道，直至六段隧道开挖段开挖完成。