CN108457657B - 一种模拟盾构隧道开挖面主动破坏的试验方法 - Google Patents
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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
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；
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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。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190614 |