CN108457657B - 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法 - Google Patents

一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108457657B
CN108457657B CN201810197393.8A CN201810197393A CN108457657B CN 108457657 B CN108457657 B CN 108457657B CN 201810197393 A CN201810197393 A CN 201810197393A CN 108457657 B CN108457657 B CN 108457657B
Authority
CN
China
Prior art keywords
earth
face
cutterhead
model
monitoring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201810197393.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108457657A (zh
Inventor
杜修力
宋伟涛
李鹏飞
龚秋明
许成顺
李政
林庆涛
路德春
唐贞云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201810197393.8A priority Critical patent/CN108457657B/zh
Publication of CN108457657A publication Critical patent/CN108457657A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108457657B publication Critical patent/CN108457657B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/003—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/08—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/12—Devices for removing or hauling away excavated material or spoil; Working or loading platforms
    • E21D9/124—Helical conveying means therefor

Abstract

本发明公开了一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，模型箱内填土完成后，静置一段时间，记录下模型盾构机刀盘上的微型水土压力监测元件和开挖面前方土体中的位移计、地表上的位移计监测元件的初始读数。将模型盾构机紧靠模型箱的洞口。同时开启盾构机的顶进电机、刀盘电机和螺旋出土器电机，模型盾构机开始掘进。模型盾构机开挖到预定位置时，同时关闭顶进电机、刀盘电机和螺旋出土器电机。开始盾构开挖面主动破坏试验。记录刀盘上的水土压力值，开挖面前方土体中的位移值，地表土体的沉降量，静置一段时间后测各监测元件的数值。本发明考虑了前期模型盾构的开挖过程，与真实盾构开挖面主动破坏前受前期掘进过程影响的实际情况相符。

Description

一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法。
背景技术
伴随着我国城市地下空间开发和利用的步伐，国内各大城市，尤其是北京、上海等一线城市，广泛地采用盾构法进行城市地铁建设。然而，由于我国大直径盾构隧道工程仅在近些年才逐渐发展起来，无论是从施工技术还是理论研究上都处于起步阶段。因此，有关盾构方面的理论研究存在诸多不足，有待国内外学者深入和系统的研究。
由于盾构周边建、构筑物及地层变形的严格要求，对盾构技术水平的要求越来越高。其中，盾构隧道开挖面支护压力的合理选择是一个工程难题。支护压力过小，将导致开挖面前方土体大量涌入土舱，引起地层产生过大沉降，甚至地表坍塌。近些年，由于支护力过小导致的开挖面失稳事故在深圳、广州等城市地铁隧道施工中时有发生。因此，盾构隧道开挖面稳定性相关研究具有现实的意义。
目前，关于盾构隧道开挖面主动破坏的研究方法主要有：理论分析、模型试验和数值模拟。由于模型试验能够更加真实、全面地反映土体应力状态，更加直观的观测地表变形等优点而被广泛采用。
国内已有很多模拟隧道开挖面主动破坏的试验，然而大多数是位移控制，即通过支护挡板后退的方式模拟隧道开挖面的主动破坏过程，与真实盾构隧道开挖面主动破坏情况不符。国内外也有应用模型盾构机模拟开挖面稳定性的模型试验，但是，一般都是将模型盾构机预埋入土体内部，直接旋转刀盘切削土体，然后人工出土，没有考虑模型盾构的前期开挖过程。因此，急需提供一种模拟真实盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法。
发明内容
本发明的目的在于上述背景技术的不足，提供一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，通过刀盘空转、螺旋出土器出土的方式来模拟隧道开挖面的主动破坏的过程，并考虑了前期开挖对开挖面稳定性的影响。可用于模拟在砂土、黏土、砂砾石土等地层中开挖面主动破坏的过程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，实现该试验方法的试验系统包括微型水土压力监测元件(3)、开挖面前方土体中的位移计(4)和地表上的位移计(5)；微型水土压力监测元件(3)布设在模型盾构机(1)的刀盘(2)上。
各个微型水土压力监测元件(3)通过打孔的方式嵌入刀盘(2)上的面板(6)内部，各个微型水土压力监测元件(3)的表面与刀盘(2)的面板(6)齐平。微型水土压力监测元件(3)安装在刀盘(2)的中心和距离刀盘(2)圆心0.85R远处的面板(6)上，R为刀盘半径。
开挖面前方土体中的位移计(4)用来监测开挖面前方土体内部的竖向位移。开挖面前方土体中的位移计(4)的埋设横向断面为模型盾构机(1)开挖面前方±0.25D、±0.75D和1.25D位置的面上，纵向断面为模型盾构机(1)中心线上及两侧距离0.5D、1D和1.5D位置的面上，高度断面为模型盾构机(1)盾壳上及上方距离0.5D、1D和1.5D位置的面上，D为刀盘直径。
地表上的位移计(5)布设在地层表面。地表上的位移计(5)的位置为：横断面为模型盾构机开挖面前方±0.25D、0.5RD和0.75D的断面；纵断面为模型盾构机中轴线上和中轴线两侧0.5D和1D的断面。地表上的位移计(5)的目的是监测地表的沉降量。为了更好地观察地表变形，用色砂在地表划分网格。
该方法包括下列步骤：
S1模型箱(7)内填土完成后，静置一段时间，记录下模型盾构机(1)刀盘(2)上的微型水土压力监测元件(3)和开挖面前方土体中的位移计(4)、地表上的位移计(5)监测元件的初始读数。
S2将模型盾构机(1)紧靠模型箱(7)的洞口(8)，准备开挖。同时开启盾构机的顶进电机(9)、刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)，模型盾构机(1)开始掘进。
S3模型盾构机(1)开挖到预定位置时，同时关闭顶进电机(9)、刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)。静置，待半小时以内所有监测元件的读数都稳定在允许范围内时，此时读取刀盘上水土压力大小、开挖面前方土体位移值、地表沉降量。
S4开始盾构开挖面主动破坏试验。启动刀盘电机(10)，同时打开螺旋出土器电机(11)，不开顶进电机(9)。实时记录各个监测元件的值，包括刀盘(2)上的水土压力值，开挖面前方土体中的位移值，地表土体的沉降量。
S5试验结束后，关闭刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)，静置一段时间后测各监测元件的数值。
本发明的有益效果表现在：
(1)相比于传统试验的支护板或模型盾构机预先埋入土体中，本发明考虑了前期模型盾构的开挖过程，与真实盾构开挖面主动破坏前受前期掘进过程影响相符。
(2)通过模型盾构机的刀盘空转、螺旋出土器出土的方式模拟盾构开挖面的主动破坏过程，与真实盾构机主动破坏的过程更为接近，使模型试验结果更加科学、准确。
附图说明
图1刀盘上传感器的布设图。
图2开挖面前方土体中位移计布设图，(a)为平面图，(b)为Ⅰ-Ⅰ断面图，(c)为Ⅱ-Ⅱ断面图。
图3地表位移计布设图。
图4实例中的模型盾构机和模型箱示意图。
图5盾构隧道主动破坏试验步骤的流程图。
图中：1、模型盾构机；2、刀盘；3、微型水土压力监测元件；4、开挖面前方土体中的位移计；5、地表上的位移计；6、面板；7、模型箱；8、洞口；9、顶进电机；10、刀盘电机；11、螺旋出土器电机。
具体实施方式
为了清楚地了解本发明，下面结合附图并通过具体实施方式对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图4所示，实例中的模型盾构机(1)，具有真实盾构机具有的基本组成部分，刀盘(2)、土压舱(12)和螺旋出土器(13)。盾构机刀盘的直径为280mm，盾构机的长度为2120mm。
模型盾构机(1)能完成盾构的掘进和刀盘(2)旋转、螺旋出土器(13)出土等真实盾构机具有的基本功能。模型盾构机(1)的掘进、刀盘(2)的旋转和螺旋出土器(13)的旋转，通过顶进电机(9)、刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)分别控制，并可以独立运行。
如图4所示模型箱(7)，尺寸为：开挖方向宽1m，长2m，高1.5m。前后箱体有一直径为30cm的圆孔，作为模型盾构机(1)掘进的入口，箱体由10mm厚的钢板焊接而成，能满足模型试验的刚度要求。
一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，其构成包括：监测方案和试验步骤。
监测方案包括：模型盾构机(1)刀盘(2)上的微型水土压力监测元件(3)(3)，开挖面前方土体中的光栅尺位移计(4)，地表上的LVDT高精度位移计(5)。
如图1所示，刀盘上的微型水土压力监测元件(3)尺寸较小，分别为直径10mm和8mm。刀盘的直径为280mm，微型水土压力监测元件(3)安装在刀盘(2)圆心和距离圆心238mm的刀盘(2)面板(6)上。模型盾构机(1)刀盘(2)上的微型水土压力监测元件(3)通过在模型盾构机(1)刀盘(2)上打孔的方式嵌入刀盘(2)上的面板(6)的内部，它们的表面与刀盘(2)面板(6)齐平，将微型水土压力监测元件(3)放入孔内，不会掉出。
如图2所示，开挖面前方土体内部的光栅尺位移计的平面图、Ⅰ-Ⅰ剖面图和Ⅱ-Ⅱ剖面图。开挖面前方土体内部光栅尺位移计(4)的埋设横向断面为模型盾构机(1)开挖面前方±70mm、±210mm和350mm位置的面上，纵向断面为模型盾构机(1)中心线上及两侧距离140mm、280mm和420mm位置的面上，高度断面为模型盾构机(1)盾壳上及上方距离140mm、280mm和420mm位置的面上。布设光栅尺位移计(4)的目的是监测主动破坏过程中开挖面前方土体的竖向位移。
如图3所示，地表的LVDT位移计的布设位置图。地表的LVDT位移计位置为：横断面为模型盾构机开挖面前方±70mm、140mm和210mm的断面；纵断面为模型盾构机中轴线上和中轴线两侧140mm和280mm的断面。地表上布设LVDT高精度位移计(5)的目的是监测地表的沉降量。为了更好地观察地表变形，可以用色砂在地表划分网格。
如图5所示，一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，结合具体实例，其试验步骤如下：
①模型箱(7)内填土完成后，静置24h，记录下模型盾构机(1)刀盘(2)上的微型水土压力监测元件(3)、开挖面前方土体中的光栅尺位移计(4)，地表上的LVDT高精度位移计(5)等传感器的初始读数。
②将模型盾构机(1)紧靠模型箱(7)上的洞口(8)，准备开挖。同时开启盾构机的刀盘电机(10)、螺旋出土器电机(11)和顶进电机(9)，模型盾构机(1)开始掘进开挖。刀盘电机(10)的转速为5r/min，螺旋出土器电机(11)的转速为6r/min，顶进电机(9)的前进速度为10mm/min。
③模型盾构机(1)开挖1h后到30cm时，同时关闭顶进电机(9)、刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)。静置2小时，待半小时以内各监测元件的读数都稳定在允许范围内时，此时读取刀盘(2)上的水土压力值、开挖面前方的位移值、地表沉降量等监测数据。
④开始开挖面主动破坏试验。启动刀盘电机(10)以3r/min的速度空转，同时打开螺旋出土器电机(11)以2r/min的速度出土，不开顶进电机(9)；实时记录各个监测元件的值，包括刀盘(2)上的水土压力值，开挖面前方土体的位移值和地表土体的沉降量。
⑤试验结束后，关闭刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)，静置1h测各监测元件的数值。
以上对本发明的实例进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明要点的范围内进行适当变更。
实施方式与效果：
本发明上述实例，通过模型盾构机刀盘上安装微型水土压力监测元件、开挖面前方预埋光栅尺位移计、地表埋设LVDT位移计的方法，完成了一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法的监测方案；通过模型盾构机刀盘空转、螺旋出土器出土的试验方法，模拟真实盾构机主动破坏的过程。由此可以得到，模型盾构机开挖面上的极限支护力、开挖面前方土体破坏区域和地表沉陷范围。本发明可用于模拟有水和无水条件下，砂土、黏土、砂卵石土等地层中盾构隧道开挖面主动破坏的过程。

Claims (2)

1.一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，实现该试验方法的试验系统包括微型水土压力监测元件(3)、开挖面前方土体中的位移计(4)和地表上的位移计(5)；微型水土压力监测元件(3)布设在模型盾构机(1)的刀盘(2)上；
各个微型水土压力监测元件(3)通过打孔的方式嵌入刀盘(2)上的面板(6)内部，各个微型水土压力监测元件(3)的表面与刀盘(2)的面板(6)齐平；微型水土压力监测元件(3)安装在刀盘(2)的中心和距离刀盘(2)圆心0.85R远处的面板(6)上，R为刀盘半径；
开挖面前方土体中的位移计(4)用来监测开挖面前方土体内部的竖向位移；开挖面前方土体中的位移计(4)的埋设横向断面为模型盾构机(1)开挖面前方±0.25D、±0.75D和1.25D位置的面上，纵向断面为模型盾构机(1)中心线上及两侧距离0.5D、1D和1.5D位置的面上，高度断面为模型盾构机(1)盾壳上及上方距离0.5D、1D和1.5D位置的面上；D为刀盘直径；
地表上的位移计(5)布设在地层表面；地表上的位移计(5)的位置为：横断面为模型盾构机开挖面上及其前方±0.25D、0.5D和0.75D的断面；纵断面为模型盾构机中轴线上和中轴线两侧0.5D和1D的断面；地表上的位移计(5)的目的是监测地表的沉降量；为了更好地观察地表变形，用色砂在地表划分网格；
其特征在于：该方法包括下列步骤：
S1模型箱(7)内填土完成后，静置一段时间，记录下模型盾构机(1)刀盘(2)上的微型水土压力监测元件(3)和开挖面前方土体中的位移计(4)、地表上的位移计(5)监测元件的初始读数；
S2将模型盾构机(1)紧靠模型箱(7)的洞口(8)，准备开挖；同时开启盾构机的顶进电机(9)、刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)，模型盾构机(1)开始掘进；
S3模型盾构机(1)开挖到预定位置时，同时关闭顶进电机(9)、刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)；静置，待半小时以内所有监测元件的读数都稳定在允许范围内时，此时读取刀盘上水土压力大小、开挖面前方土体位移值、地表沉降量；
S4开始盾构开挖面主动破坏试验；启动刀盘电机(10)，同时打开螺旋出土器电机(11)，不开顶进电机(9)；实时记录各个监测元件的值，包括刀盘(2)上的水土压力值，开挖面前方土体中的位移值，地表土体的沉降量；
S5试验结束后，关闭刀盘电机(10)和螺旋出土器电机(11)，静置一段时间后测各监测元件的数值。
2.根据权利要求1所述的一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法，其特征在于：通过模型盾构机刀盘上安装微型水土压力监测元件、开挖面前方预埋光栅尺位移计、地表埋设LVDT位移计的方法，完成了一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法的监测方案；通过模型盾构机刀盘空转、螺旋出土器出土的试验方法，模拟真实盾构机主动破坏的过程；由此可以得到，模型盾构机开挖面上的极限支护力、开挖面前方土体破坏区域和地表沉陷范围；可用于模拟有水和无水条件下，砂土、黏土、砂卵石土地层中盾构隧道开挖面主动破坏的过程。
CN201810197393.8A 2018-03-11 2018-03-11 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法 Expired - Fee Related CN108457657B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810197393.8A CN108457657B (zh) 2018-03-11 2018-03-11 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810197393.8A CN108457657B (zh) 2018-03-11 2018-03-11 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108457657A CN108457657A (zh) 2018-08-28
CN108457657B true CN108457657B (zh) 2019-06-14

Family

ID=63217197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810197393.8A Expired - Fee Related CN108457657B (zh) 2018-03-11 2018-03-11 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108457657B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109681219A (zh) * 2018-12-18 2019-04-26 中国海洋大学 急弯曲隧道模型试验装置及其方法
CN110346161B (zh) * 2019-07-16 2021-10-26 东北大学 一种土压平衡盾构机优化实验装置及其使用方法
CN112365785B (zh) * 2020-10-20 2022-11-04 山东大学 一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法
CN114278311B (zh) * 2021-12-07 2023-11-24 北京工业大学 一种用于盾构隧道掘进速度耦合控制的装置和方法
CN114322881A (zh) * 2021-12-07 2022-04-12 北京工业大学 一种用于盾构隧道开挖过程中土体地中位移监测的装置和方法
CN114295087A (zh) * 2021-12-07 2022-04-08 北京工业大学 一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100501123C (zh) * 2004-10-14 2009-06-17 上海隧道工程股份有限公司 双圆盾构穿越软土地层的地面变形控制方法
CN201297175Y (zh) * 2008-11-11 2009-08-26 西南交通大学 一种土压平衡式盾构施工过程模拟试验装置
JP5462761B2 (ja) * 2010-10-12 2014-04-02 鹿島建設株式会社 トンネルの施工方法
CN102305844B (zh) * 2011-05-24 2013-11-27 北京工业大学 一种土压平衡盾构施工土体改良试验的土压舱模型装置
CN203285444U (zh) * 2013-06-08 2013-11-13 中铁隧道装备制造有限公司 土压盾构开挖拱顶压力支护系统
CN105952461B (zh) * 2016-06-17 2017-12-29 西南交通大学 一种用于模拟土压平衡盾构施工渣土改良的试验装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108457657A (zh) 2018-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108457657B (zh) 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法
Lunardi Design and construction of tunnels: Analysis of Controlled Deformations in Rock and Soils (ADECO-RS)
Chen et al. Applicability of the principle of superposition in estimating ground surface settlement of twin-and quadruple-tube tunnels
CN110284530B (zh) 结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置及应用
CN105386474B (zh) 确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法
CN110188426B (zh) 一种隧道地质条件协同预测方法
CN111139837A (zh) 一种软土地区十字交叉地铁处多基坑同时开挖方法
CN103061774A (zh) 一种盾构隧道施工环境模拟装置
CN105527404A (zh) 模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统及方法
CN105839679A (zh) 双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置
CN108361042B (zh) 一种模拟浅埋盾构隧道开挖面被动破坏的试验方法
Huang et al. Field test optimization of shield tunnelling parameters undercrossing an existing high-speed railway tunnel: a case study
CN108506004B (zh) 主动破坏过程中模型盾构机内部土压传递规律装置和方法
CN112195927B (zh) 采用基坑变形监测的深基坑桩锚支护施工方法
CN114386290A (zh) 基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法
Ledyaev et al. An assessment of the sewer tunnel stress-strain behavior during the reconstruction of an object of cultural heritage
Hao et al. Analysis of ground settlement caused by double-line TBM tunnelling under existing building
CN112112168B (zh) 深基坑桩锚支护体系及其施工方法
Katebi et al. The influence of surface buildings and ground stratification on lining loads applying the finite element method
CN114943149A (zh) 一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法
CN110528522B (zh) 精准跟踪注浆施工方法
Senthilnath et al. Stacked Tunnelling Induced Surface Settlements in Soft Soil–A Case Study from Singapore
CN116305501B (zh) 明挖隧道近接盾构隧道协同施工影响分区判定方法及系统
Zhang et al. The effect of CRD method and auxiliary construction on surface settlement in shallow-buried tunnels
Afradi et al. Stability analysis and support design of Imam Reza Tunnel in Ardabil Sarcham Road by numerical methods

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190614