CN108594878B - 一种精确控制盾构模型试验开挖面支护力的装置 - Google Patents

一种精确控制盾构模型试验开挖面支护力的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精确控制盾构模型试验开挖面支护力的装置，该装置由压力传导装置、供压装置和稳压装置构成。试验开始之前将液体加入液压箱中，记录试压管中的关于液面高度的度数，通过应力量测工具测量压力施加板上的推力。读取不同高度的液面下，并绘制液面高度H—压力F曲线。试验开始时，将本装置连入隧道模型中，通过液面高H—压力F曲线，计算试验需要施加的压力，通过控制液面高度H施加该压力。试验过程中，打开微型自吸泵，通过控制液面升降板，将微型自吸泵的进水管管口紧贴水面，确保液面高度不会发生变化，以此保持压力恒定。本装置可以保持开挖面支护力恒定，支护力不随开挖面的位移产生变化，变量单一，便于分析。

Description

一种精确控制盾构模型试验开挖面支护力的装置
技术领域
本发明涉及一种应力加载装置，尤其是涉及一种盾构隧道模型试验的应力加载装置。本发明能够应用在盾构隧道开挖面稳定性的模型试验中，提供了一种精确控制开挖面支护力的装置。
背景技术
随着经济与科技实力的进一步增强，城市地下隧道的发展进入了重要的历史时期。盾构法作为目前最常用的隧道施工方法之一，一直以其经济、高效和对周围环境影响最小等优势在隧道与地下工程建设中被广泛应用。在国内外盾构施工过程中，由于隧道开挖面支护力大小控制不合理，导致地表及开挖面发生大变形或坍塌的事故时有发生。合理的支护力设置不仅是安全施工的前提，也是避免灾难性事故发生的关键。同时，模型试验是进行岩土工程相关研究最直接有效的手段。
在研究盾构隧道开挖面极限支护力大小的模型实验中，需要模拟实际施工过程中对于隧道开挖面施加支护力，试验中通过研究开挖面的位移与支护力的关系，研究极限支护力。目前的相关实验中，获取开挖面支护力及位移数据的方式主要有以下两种方式：
(1)用刚性材料模拟隧道洞周支护，在开挖面前方用柔性材料如乳胶薄膜隔开前方土层与隧洞内的气(水)压，试验过程中通过控制隧道内的气压来改变施加在开挖面的支护力大小，引起并测量开挖面位移。
(2)用刚性材料模拟洞周支护，开挖面前方用刚性挡板如有机玻璃板进行支护，玻璃板通过刚性杆件连接到螺旋千斤顶上，实验中通过控制挡板来引起开挖面土体位移，土体稳定后测量作用在支护面的反力。
综合分析现有的开挖面支护力施加装置，还存在以下不足之处：
1、采用位移加载时，有相关研究表明，进行开挖面稳定性试验研究时,支护板后退速率在一定程度上影响支护力的数值。
2、采用气(液)压法的应力加载时，在开挖面位移过程中，开挖面的实际支护力除了隧洞内压强以外，还有柔性材料如乳胶薄膜自身的变形引起的反力，这一部分难以测量。
3、采用气(液)压法的应力加载时，开挖面的位移会导致的隧洞内体积的减小，从而引起的压强变化，这部分压强变化无法精确控制。
4、上述两种方法，都只能模拟开挖面从足够大的支护力，支护力缓慢减小的过程。而无法模拟开挖面支护力从一开始就比较小的过程。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术的不足，提高一种原理简单、便于操作的一种精确控制盾构模型试验开挖面支护力的装置。
本发明主要由以下技术方案来实现：
一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，该装置由压力传导装置、供压装置和稳压装置构成。
压力传导装置是由应力施加板1、传力杆2和阻水活塞3组成。传力杆2两端分别连接应力施加板1和阻水活塞3。拼装时阻水活塞3一段接入传压管5的内部。
所述稳压装置由液面升降板7、固定阀门8、微型自吸泵9组成。微型自吸泵9和液面升降板7连接在一起，通过拧紧固定阀门8固定在液压箱5上部。
所述供压装置的主体是一个长方形的液压箱5，液压箱5的一侧面靠近底部设有传压管4从液压箱5内接出，传压管4和液压箱5的接口处通过密封防水处理。液压箱5另一侧面上接有示压管6，示压管6上标记有刻度，试验开始时能够从示压管6上的刻度读取相关压力值。
液压箱5内部盛放有液体，液体为水或含水的不同种类的液体混合物。
所述应力施加板1是一块圆形有机玻璃板。所述传力杆2是为金属杆。所述阻水活塞3为橡胶制活塞，阻水性能良好。所述传压管4是由圆筒形有机玻板组成。所述液压箱5是由铁板焊制而成的长方形箱子。所述示压管6是由两个管头连接在液压箱5的箱壁上的有机玻璃管。所述液面升降板7为一块弯曲钢板，弯曲钢板上焊有一个便于上下推动的把手。所述固定阀门8由钢筋一端套丝并弯曲成把手状，结合预留在液压箱上的螺栓孔组成。
本发明装置的工作过程和原理是：
试验开始之前，试验人员将液体加入液压箱5中，记录试压管中的关于液面高度的度数，通过应力量测工具测量压力施加板上的推力。读取不同高度的液面下，并绘制液面高度H—压力F曲线。
试验开始时，将本装置连入隧道模型中，试验人员通过液面高H—压力F曲线，计算试验需要施加的压力，通过控制液面高度H施加该压力。试验过程中，打开微型自吸泵9，通过控制液面升降板7，将微型自吸泵9的进水管管口紧贴水面，确保液面高度不会发生变化，以此保持压力恒定。
将液体装进液压箱装置，通过控制液面的高度，改变同一深度处的压强大小，控制施加在开挖面的大小。试验开始时对该加载装置进行标定，试验过程通过读取液压箱外侧的刻度换算得到施加在开挖面的应力。当开挖面产生位移时，会导致液压箱液面上升，此时自吸泵通过钢管将水抽排出去，保持液面恒定，保证施加在开挖面的压力恒定。
本装置的优点是：
1、采用应力控制，由于开挖面支护力的不足导致开挖面失稳，与实际工况一致。
2、试验开始时即可施加较小的支护力，可以模拟较小支护力开挖面发展的全过程。
3、精度高，通过控制液面高度来控制压强，液面高度的误差可以控制在毫米级，对应的压强施加在开挖面上的支护力精度非常高。
4、可以保持开挖面支护力恒定，支护力不随开挖面的位移产生变化，变量单一，便于分析。
附图说明
图1为本装置拆解轴测图
图2为本装置工作轴测图
图3为本装置的主视图
图中：1-应力施加板，2-传力杆，3-阻水活塞，4-传压管，5-液压箱，6-示压管，7-液面控制升降板，8-固定阀门，9-微型自吸泵
具体实施方式
本装置使用前，先对其进行标定，确定示压管上每个刻度对应的应力值。
步骤1、将本装置及对应的隧道模型固定在试验场地，应力施加板1连入隧道模型中，并固定传力杆2，确保未施加应力时候，开挖面稳定。
步骤2、松开固定阀门8，将微型自吸泵9的吸水管固定在试验需要的液面高度处，拧紧固定阀门8。
步骤3、缓慢加入液体并打开自吸泵，精确控制液面高度，自吸泵保持开启状态。
步骤4、松开固定的金属杆，开挖面支护力由本装置提供。
步骤5、试验过程中通过松开固定阀门8，控制自吸泵的高度从而控制液面高度，改变施加在支护面上的力。

Claims (6)

1.一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，其特征在于：该装置由压力传导装置、供压装置和稳压装置构成；
压力传导装置是由应力施加板（1）、传力杆（2）和阻水活塞（3）组成；传力杆（2）两端分别连接应力施加板（1）和阻水活塞（3）；拼装时阻水活塞（3）一段接入传压管（4）的内部；
所述稳压装置由液面升降板（7）、固定阀门（8）、微型自吸泵（9）组成；微型自吸泵（9）和液面升降板（7）连接在一起，通过拧紧固定阀门（8）固定在液压箱（5）上部；
所述供压装置的主体是一个长方形的液压箱（5），液压箱（5）的一侧面靠近底部设有传压管（4）从液压箱（5）内接出，传压管（4）和液压箱（5）的接口处通过密封防水处理；液压箱（5）另一侧面上接有示压管（6），示压管（6）上标记有刻度，试验开始时能够从示压管（6）上的刻度读取相关压力值；
液压箱（5）内部盛放有液体，液体为水或含水的不同种类的液体混合物；试验开始之前，试验人员将液体加入液压箱（5）中，记录示压管中的液面高度，通过应力量测工具测量应力施加板上的压力；绘制液面高度H—压力F曲线；
试验开始时，将本装置连入隧道模型中，试验人员通过液面高度H—压力F曲线，计算试验需要施加的压力，通过控制液面高度H施加该压力；试验过程中，打开微型自吸泵（9），通过控制液面升降板（7），将微型自吸泵（9）的进水管管口紧贴水面，确保液面高度不会发生变化，以此保持压力恒定；
将液体装进液压箱，通过控制液面的高度，改变同一深度处的压强大小，控制施加在开挖面的压力大小；试验开始时，对液压箱进行标定，试验过程通过读取液压箱外侧的刻度值后，然后换算得到施加在开挖面的压力；当开挖面产生位移时，会导致液压箱液面上升，此时自吸泵通过钢管将水抽排出去，保持液面恒定，保证施加在开挖面的压力恒定。
2.根据权利要求1所述的一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，其特征在于：所述应力施加板（1）是一块圆形有机玻璃板。
3.根据权利要求1所述的一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，其特征在于：所述传力杆（2）是为金属杆；所述阻水活塞（3）为橡胶制活塞，阻水性能良好；所述传压管（4）是由圆筒形有机玻板组成。
4.根据权利要求1所述的一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，其特征在于：所述液压箱（5）是由铁板焊制而成的长方形箱子；所述示压管（6）是由两个管头连接在液压箱（5）的箱壁上的有机玻璃管。
5.根据权利要求1所述的一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，其特征在于：所述液面升降板（7）为一块弯曲钢板，弯曲钢板上焊有一个便于上下推动的把手；所述固定阀门（8）由钢筋一端套丝并弯曲成把手状，结合预留在液压箱上的螺栓孔组成。
6.根据权利要求1所述的一种精确控制盾构模型开挖面支护力的装置，其特征在于：
本装置使用前，先对其进行标定，确定示压管上每个刻度对应的压力值；
步骤1、将本装置及对应的隧道模型固定在试验场地，应力施加板（1）连入隧道模型中，并固定传力杆（2），确保未施加压力时候，开挖面稳定；
步骤2、松开固定阀门（8），将微型自吸泵（9）的吸水管固定在试验需要的液面高度处，拧紧固定阀门（8）；
步骤3、缓慢加入液体并打开自吸泵，精确控制液面高度，自吸泵保持开启状态；
步骤4、松开固定的传力杆，开挖面支护力由本装置提供；
步骤5、试验过程中通过松开固定阀门（8），控制自吸泵的高度从而控制液面高度，改变施加在支护面上的压力。
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