CN108072749A - 一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，包括：立方体试验箱、半圆柱形盾构模型、动力单元、水循环单元、渗流示踪单元以及数据采集单元，模拟真实盾构开挖的工况，通过布置土压力计、水压力计、位移传感器得到隧道盾构开挖支护压力，基于示踪系统得到渗流路径变化等参数。与现有技术相比，本发明不只是能够检测盾构开挖时的基本力学参数，还能实现渗流路径可视化，为相关科学研究提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及隧道技术领域，具体涉及一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置。
背景技术
盾构法是一种隧道开挖的施工方法，分为人工盾构施工法及盾构机法，都涉及到开挖面上土对于支护结构的压力问题。为研究该问题，需要设计所持模型装置及试验方案完成隧道开挖模拟。但现有的试验装置中少有考虑渗流的影响，且均不能显示渗流路径，与实际工程不相符合。渗流路径是工程分析与数学模型建立的重要基础部分，能够显示渗流路径的示踪系统有助于探究隧道盾构开挖面上渗流导致的变形与强度失稳机理。
专利CN106442941A公开了一种盾构穿越上部可液化下部坚硬土层的试验装置及试验方法，试验装置包括透明有机玻璃试验槽、盾构半模型装置、土压监测系统、水压监测系统和粒子图像测速系统，所述模型箱内放置试验用土，所述试验用土包括两个土层；所述模型箱的侧面上有一个开口作为盾构半模型装置的进出口；所述盾构半模型装置包括半模型盾构外壳、盾构顶进装置、挖土装置和出土装置。专利CN205642986U公开了一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，包括试验箱、隧道开挖模拟装置、管线和量测系统；试验箱为可视化钢化玻璃箱；隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管和外管；量测系统包括沉降杆、位移传感器、应变片、压力盒、数据采集仪和计算机。本实用新型能够对埋地管线的变形特性和力学行为进行全面的监测，解决了实际工程中监测工作难、量测项目不全面的问题。专利CN205317774U公开了一种模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统，包括：模型试验箱、地层损失模型、地表荷载加载装置、渗流装置、地中及地表位移测量装置、土体位移路径监测装置；所述地层损失模型包括聚氨酯囊(1)，聚氨酯囊(1)上连接两根输水导管(2)，一根用于向聚氨酯囊(1)中输送水流，一根将聚氨酯囊(1)中的水流导出，所述聚氨酯囊(1)中填充有可溶于水的固态粉末，该固态粉末在所述聚氨酯囊(1)中紧密堆积将聚氨酯囊(1)撑起形成预期形状的地层损失模型。但是上述专利都尚无将示踪方法应用到盾构渗流实验模型装置的先例。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟结果准确的隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，该模拟试验装置包括：
立方体试验箱：其中一个侧壁为透明壁，所述立方体试验箱内设有水平隔板和竖直隔板，所述水平隔板和竖直隔板将立方体试验箱的内部空间分隔成下部的内水箱、上部的动力室及模拟室，所述模拟室中放置土样；
半圆柱形盾构模型：固定设置在模拟室中且埋于土样中，其半圆形底面及矩形侧面分别与竖直隔板和透明壁固定连接，所述半圆柱形盾构模型与动力单元连接；
动力单元：设置在动力室中，且和半圆柱形盾构模型固定连接；
水循环单元：包括通过排水管依次循连接的内水箱、抽水机、外水箱、喷头及模拟室，所述模拟室的侧壁设有多个排水口，排水口通过排水管汇总后连接内水箱；
渗流示踪单元：包括依次连接的颜料箱、总管及多根分管，每根分管的一端与总管连通，每根分管上均安装有独立阀门，另一端插设在土样中；
数据采集单元：包括埋设在土样中的土压力盒、孔隙水压力计以及设置在立方体试验箱外部正对透明壁的图像拍摄部件。
本发明的检测过程如下：打开数据采集单元；打开水循环系统中的抽水机，启动模型水循环；待水流在土体中基本稳定后，根据渗流失踪单元颜料分管到半圆柱形盾构模型的距离，由近到远以此打开分管阀门；打开动力单元，开始为半圆柱形盾构模型提供动力前进或后退。埋置在土样中的土压力盒、孔隙水压力计分别采集土压力和孔隙水压力，用于计算土中有效应力和支护压力；在立方体试验箱外部正对透明壁的图像拍摄部件采集土体整体图像数据，用于分析位移场及应变场。
所述的半圆柱形盾构模型呈半圆柱形，包括一个截面为半圆形的圆弧形盾壳、设置在圆弧形盾壳一端的刚性支护板、设置在圆弧形盾壳中部与刚性支护板平行的支护隔板以及位移传感器和力传感器，所述圆弧形盾壳的另一端与竖直隔板固定连接，所述圆弧形盾壳的一侧与透明壁通过螺丝固定连接，所述刚性支护板和支护隔板的侧面分别与圆弧形盾壳内壁及透明壁紧贴，所述位移传感器的一端与刚性支护板连接，另一端穿过支护隔板和竖直隔板与动力单元连接，所述力传感器的一端与刚性支护板连接，力传感器的另一端连接动力丝杆，所述动力丝杆穿过支护隔板和竖直隔板与动力单元连接。
所述的刚性支护板包括依次叠加的多孔透水板、透水石层以及防水面板，所述防水面板的外侧为土样，所述多孔透水板、透水石层以及防水面板与圆弧形盾壳和竖直隔板的接触面上均设有防水橡胶条。
所述的圆弧形盾壳的一侧与透明壁通过螺丝固定连接，并在圆弧形盾壳和透明壁之间的缝隙处设置防水胶。
所述的竖直隔板上设有出水口，所述出水口的一端与圆弧形盾壳内部的底面连通，出水口的另一端通过细管与所述内水箱连通。
所述的动力单元包括电机和变速器，所述变速器与位移传感器的一端连接，所述变速器通过动力丝杆与力传感器的一端连接。电机是盾构模型掘进及后退的动力源泉，与变速器相互配合可以模拟出盾构机的不同开挖速率。
所述的喷头为花洒。经花洒喷淋注入立方体试验箱土样表面上，花洒进水较龙头进水更为均匀，可有效避免龙头进水对土体产生扰动，从而形成稳定的渗流。
所述的模拟室的侧壁设有至少三个排水口，每个排水口中设有透水石，位于最下方的所述排水口与土样的上平面齐平。
每根所述的分管中设有流速控制器。管上设置阀门(类似医用输液管)，可以控制颜料合理的输送速率，避免输送太快颜料产生淤积干扰或输送太慢不足以跟上渗流动水踪迹，影响实验结果准确性。所述分管沿透明壁长度方向的竖直线式布局。支架支承箱体上方的颜料箱，颜料可在自身重力作用下流出，其中要求均匀稳定，颜色与土样差异较为明显，从而便于观测渗流踪迹。总管和分管将颜料从箱内箱送入土样，分管可根据要求在土样上进行数量、位置的合理布局。
所述图像拍摄部件为高速图像采集仪。颜料的流动路径可由高速图像采集仪拍摄得到，固定间隔拍摄照片以记录时间—渗流踪迹图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)半圆柱形盾构模型包含的刚性支护板可透水，能够模拟盾构开挖面附近的渗流条件；
(2)渗流失踪单元中流出的颜料可实现渗流路径可视化，再由数据采集单元进行进一步分析，得到完整的渗流路径及精确位移场。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明半圆柱形盾构模型的结构示意图。
其中，1为刚性支护板，2为圆弧形盾壳，3为支护隔板，4为动力丝杆，5为竖直隔板，6为螺丝，7为力传感器，8为位移传感器，9为外水箱，91为内水箱，10为排水管，11为抽水机，12为电机，13为变速器，14为土压力盒，15为孔隙水压力计，16为花洒，17为颜料箱，18为总管，19为分管，20为支架，21为流速控制器，22为水平隔板，23为模拟室，24为动力室，25为土样，26为细管。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其结构如图1所示，该模拟试验装置包括：
立方体试验箱：其中一个侧壁为透明壁，立方体试验箱内设有水平隔板22和竖直隔板5，水平隔板22和竖直隔板5将立方体试验箱的内部空间分隔成下部的内水箱91、上部的动力室24及模拟室23，模拟室23中放置土样25；
半圆柱形盾构模型：固定设置在模拟室23中且埋于土样25中，其半圆形底面及矩形侧面分别与竖直隔板5和透明壁固定连接，半圆柱形盾构模型与动力单元连接；
动力单元：设置在动力室24中，且和半圆柱形盾构模型固定连接；
水循环单元：包括通过排水管10依次循连接的内水箱91、抽水机11、外水箱9、喷头及模拟室23，模拟室23的侧壁设有多个排水口，排水口通过排水管10汇总后连接内水箱91；
渗流示踪单元：包括依次连接的颜料箱17、总管18及多根分管19，每根分管19的一端与总管18连通，另一端插设在土样25中；
数据采集单元：包括埋设在土样25中的土压力盒14、孔隙水压力计15以及设置在立方体试验箱外部正对透明壁的图像拍摄部件。
半圆柱形盾构模型呈半圆柱形，其结构如图2所示，包括一个截面为半圆形的圆弧形盾壳2、设置在圆弧形盾壳2一端的刚性支护板1、设置在圆弧形盾壳2中部与刚性支护板1平行的支护隔板3以及位移传感器8和力传感器7，圆弧形盾壳2的另一端与竖直隔板5固定连接，圆弧形盾壳2的一侧与透明壁通过螺丝6固定连接，刚性支护板1和支护隔板3的侧面分别与圆弧形盾壳2内壁及透明壁紧贴，位移传感器8的一端与刚性支护板1连接，另一端穿过支护隔板3和竖直隔板5与动力单元连接，力传感器7的一端与刚性支护板1连接，力传感器7的另一端连接动力丝杆4，动力丝杆4穿过支护隔板3和竖直隔板5与动力单元连接。刚性支护板1包括依次叠加的多孔透水板、透水石层以及防水面板，防水面板的外侧为土样25，多孔透水板、透水石层以及防水面板与圆弧形盾壳2和竖直隔板5的接触面上均设有防水橡胶条。圆弧形盾壳2的一侧与透明壁通过螺丝6固定连接，并在圆弧形盾壳2和透明壁之间的缝隙处设置防水胶。
竖直隔板5上设有出水口，出水口的一端与圆弧形盾壳2内部的底面连通，出水口的另一端通过细管26与内水箱91连通。
动力单元包括电机12和变速器13，变速器13与位移传感器8的一端连接，变速器13通过动力丝杆4与力传感器7的一端连接。电机12是盾构模型掘进及后退的动力源泉，与变速器13相互配合可以模拟出盾构机的不同开挖速率。
喷头为花洒16。经花洒16喷淋注入立方体试验箱土样25表面上，花洒16进水较龙头进水更为均匀，可有效避免龙头进水对土体产生扰动，从而形成稳定的渗流。
模拟室23的侧壁设有至少三个排水口，每个排水口中设有透水石，位于最下方的排水口与土样25的上平面齐平。
每根分管19中设有流速控制器21。管上设置阀门(类似医用输液管)，可以控制颜料合理的输送速率，避免输送太快颜料产生淤积干扰或输送太慢不足以跟上渗流动水踪迹，影响实验结果准确性。分管19沿透明壁长度方向的竖直线式布局。支架20支承箱体上方的颜料箱17，颜料可在自身重力作用下流出，其中要求均匀稳定，颜色与土样25差异较为明显，从而便于观测渗流踪迹。总管18和分管19将颜料从箱内箱送入土样25，分管19可根据要求在土样25上进行数量、位置的合理布局。
图像拍摄部件为高速图像采集仪。颜料的流动路径可由高速图像采集仪拍摄得到，固定间隔拍摄照片以记录时间—渗流踪迹图像。
Claims (10)
1.一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，该模拟试验装置包括：
立方体试验箱：其中一个侧壁为透明壁，所述立方体试验箱内设有水平隔板和竖直隔板，所述水平隔板和竖直隔板将立方体试验箱的内部空间分隔成下部的内水箱、上部的动力室及模拟室，所述模拟室中放置土样；
半圆柱形盾构模型：固定设置在模拟室中且埋于土样中，其半圆形底面及矩形侧面分别与竖直隔板和透明壁固定连接，所述半圆柱形盾构模型与动力单元连接；
动力单元：设置在动力室中，且和半圆柱形盾构模型固定连接；
水循环单元：包括通过排水管依次循连接的内水箱、抽水机、外水箱、喷头及模拟室，所述模拟室的侧壁设有多个排水口，排水口通过排水管汇总后连接内水箱；
渗流示踪单元：包括依次连接的颜料箱、总管及多根分管，每根分管的一端与总管连通，另一端插设在土样中；
数据采集单元：包括埋设在土样中的土压力盒、孔隙水压力计以及设置在立方体试验箱外部正对透明壁的图像拍摄部件。
2.根据权利要求1所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的半圆柱形盾构模型呈半圆柱形，包括一个截面为半圆形的圆弧形盾壳、设置在圆弧形盾壳一端的刚性支护板、设置在圆弧形盾壳中部与刚性支护板平行的支护隔板以及位移传感器和力传感器，所述圆弧形盾壳的另一端与竖直隔板固定连接，所述圆弧形盾壳的一侧与透明壁通过螺丝固定连接，所述刚性支护板和支护隔板的侧面分别与圆弧形盾壳内壁及透明壁紧贴，所述位移传感器的一端与刚性支护板连接，另一端穿过支护隔板和竖直隔板与动力单元连接，所述力传感器的一端与刚性支护板连接，力传感器的另一端连接动力丝杆，所述动力丝杆穿过支护隔板和竖直隔板与动力单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的刚性支护板包括依次叠加的多孔透水板、透水石层以及防水面板，所述防水面板的外侧为土样，所述多孔透水板、透水石层以及防水面板与圆弧形盾壳和竖直隔板的接触面上均设有防水橡胶条。
4.根据权利要求2所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的圆弧形盾壳的一侧与透明壁通过螺丝固定连接，并在圆弧形盾壳和透明壁之间的缝隙处设置防水胶。
5.根据权利要求2所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的竖直隔板上设有出水口，所述出水口的一端与圆弧形盾壳内部的底面连通，出水口的另一端通过细管与所述内水箱连通。
6.根据权利要求2所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的动力单元包括电机和变速器，所述变速器与位移传感器的一端连接，所述变速器通过动力丝杆与力传感器的一端连接。
7.根据权利要求1所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的喷头为花洒。
8.根据权利要求1所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述的模拟室的侧壁设有至少三个排水口，每个排水口中设有透水石和独立阀门控制水位，位于最下方的已打开阀门的所述排水口与土样的上平面齐平。
9.根据权利要求1所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，每根所述的分管中设有流速控制器，所述分管沿透明壁长度方向的竖直线式布局。
10.根据权利要求1所述的一种隧道盾构开挖高精度渗流示踪模拟试验装置，其特征在于，所述图像拍摄部件为高速图像采集仪。
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