CN108956942A - 模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置及方法，涉及地下工程技术领域。针对现有试验无法得知既有管线周边土体运动规律及破坏机制的问题。它包括内置填充土体的透明箱体；盾构开挖面模拟组件及模拟既有管线埋设于填充土体；模拟既有管线位于盾构开挖面模拟组件上方；多个应变片贴合于模拟既有管线外壁；连接有位移传感器的横梁设置于透明箱体顶端；激光发射器和摄像机布置于透明箱体外侧，计算机与位移传感器、应变片信号连接。启动盾构开挖面模拟组件，激光发射器照射开挖面土体切面形成激光散斑，摄像机拍摄在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至计算机，计算机软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况。

Description

模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工程技术领域，特别涉及一种模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置及方法。

背景技术

目前，对于盾构开挖面失稳模拟的试验，主要以模拟盾构开挖面失稳为主，而不会考虑位于开挖面上方的既有管线或是既有构筑物，为了记录开挖面中轴线上土体的运动以及破坏规律，以住的模拟试验中往往采用对称准则，对隧道取半结构予以模拟，然而，由于边界效应，无法准确得知既有管线或是既有构筑物周边土体的运动规律以及破坏准则。

发明内容

针对现有盾构开挖面失稳模拟的试验无法准确得知既有管线或是既有构筑物周边土体的运动规律以及破坏机制的问题。本发明的目的是提供一种模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置及方法，在有效模拟盾构开挖面失稳的情况下，能够获得模拟既有管线的受力特性，从而建立起既有管线位移与土体位移之间的联系，进而有效记录开挖面上方土体以及既有管线周边土体的运动轨迹。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，它包括：一透明箱体，其顶端敞口并内置有透明的填充土体；盾构开挖面模拟组件，埋设于所述填充土体内，用于模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程；模拟既有管线，埋设于所述填充土体内且设置于所述盾构开挖面模拟组件上方；多个应变片，贴合于所述模拟既有管线外壁且沿其长度方向间隔设置；横梁，设置于所述透明箱体的顶端；多个位移传感器，依次固定于所述横梁；激光发射器，位于所述透明箱体外侧，用于照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面；摄像机，位于所述透明箱体外侧，用于拍摄在激光照射下开挖面土体切面粒子的图像，以及计算机，其与所述位移传感器及所述应变片信号连接。

优选的，所述盾构开挖面模拟组件包括：盾壳、挡板、传动杆及电动机控制系统，所述电动机控制系统包括薄膜压力传感器、伺服驱动步进电动机及控制器；所述盾壳为透明筒状壳体，所述挡板的外径与所述盾壳的内径相匹配，且所述挡板沿径向设置于所述盾壳内腔，所述传动杆的一端垂直连接于所述挡板的中心，所述传动杆的另一端与所述伺服驱动步进电动机连接，所述薄膜压力传感器设置于所述挡板的远离所述传动杆的一侧，所述薄膜压力传感器、所述伺服驱动步进电动机均与所述控制器信号连接。

优选的，它还包括与所述计算机通讯连接的数据采集仪，所述数据采集仪分别与所述位移传感器及所述应变片信号连接。

优选的，所述透明箱体由钢化玻璃制成，且所述透明箱体相邻两块侧板之间通过金属角板连接。

优选的，所述模拟既有管线外壁沿圆周方向对称贴合一对应变片，多对所述应变片沿所述模拟既有管线长度方向间隔设置。

另外，本发明还提供了一种模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验方法，步骤如下：

S1：安装所述模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，在透明箱体内置透明的填充土体，将盾构开挖面模拟组件和模拟既有管线分别埋置于所述填充土体中，所述模拟既有管线位于所述盾构开挖面模拟组件上方，沿所述模拟既有管线长度方向间隔粘贴多个应变片，在所述透明箱体顶端安装连接有多个位移传感器的横梁，在所述透明箱体外侧放置激光发射器及摄像机，所述位移传感器及所述应变片与计算机信号连接；

S2：启动所述盾构开挖面模拟组件，模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程，所述激光发射器照射所述盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面形成激光散斑，所述摄像机拍摄记录在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至所述计算机，采用计算机软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合所述位移传感器及所述应变片采集的试验数据分析所述模拟既有管线的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围。

优选的，所述步骤S2中，启动所述盾构开挖面模拟组件的电动机控制系统，所述伺服驱动步进电动机控制传动杆运动并带动挡板前进或后退，设置于所述挡板一侧的薄膜压力传感器测定盾构开挖面的土压力，并将测得的压力数据传送至控制器，所述控制器根据压力数据进行判断并通过所述伺服驱动步进电动机控制所述挡板的推进速度和方向。

优选的，所述步骤S2中，所述挡板每次前进或后退之后，需等待所述填充土体变形稳定后再次前进或后退。

优选的，所述步骤S1中，所述位移传感器、所述应变片分别与数据采集仪信号连接，所述数据采集仪采集所述位移传感器及所述应变片的数据，并将数据传输至所述计算机。

优选的，所述步骤S1中，所述填充土体为透明土，所述透明土由无定形硅粉和溴化钙水溶液配制而成。

本发明的效果在于：

一、本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，在透明的敞口口箱体内填充透明的填充土体，盾构开挖面模拟组件及模拟既有管线均埋设于填充土体内，且模拟既有管线位于盾构开挖面模拟组件上方，沿模拟既有管线长度方向间隔设置的应变片用于精确测量模拟既有管线周边土体的应变，设置于透明箱体顶端的位移传感器用于测定开挖面失稳造成的土体表面沉降，应变片、位移传感器均与计算机信号连接；盾构开挖面模拟组件在模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程中，激光发射器照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面并形成激光散斑，摄像机拍摄记录下在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至计算机，试验结束后采用软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合位移传感器及应变片采集的试验数据分析模拟既有管线的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围；本发明的试验装置在有效模拟盾构开挖面失稳的情况下，获得模拟既有管线的受力特性，从而建立起既有管线位移与土体位移之间的联系，能够有效记录开挖面上方土体以及既有管线周边土体的运动轨迹，揭示开挖面稳定对既有管线和既有构筑物的扰动机制和破坏机制。

二、本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验方法，在透明的填充土体内埋设盾构开挖面模拟组件和模拟既有管线，盾构开挖面模拟组件模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程，同时，激光发射器照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面并形成激光散斑，摄像机拍摄记录下在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至计算机，最后，利用计算机软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合位移传感器及应变片采集的试验数据分析模拟既有管线的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围，该试验方法能够有效记录开挖面上方土体以及既有管线、既有构筑物周边土体的运动轨迹，揭示开挖面稳定对既有管线和既有构筑物的扰动机制和破坏机制，能够为以后通过土体位移来判定既有结构破坏奠定理论基础。

附图说明

图1为本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置一实施例的俯视图。

图中标号如下：

透明箱体10；填充土体11；模拟既有管线12；应变片14；横梁15；位移传感器16；盾壳21；传动杆22；薄膜压力传感器23；伺服驱动步进电动机24；挡板25；

激光发射器30；摄像机40；计算机50；数据采集仪60。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

结合图1和图2说明本发明模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，它包括：一透明箱体10，其顶端敞口并内置有透明的填充土体11；盾构开挖面模拟组件，埋设于填充土体11内，用于模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程；模拟既有管线12，埋设于填充土体11内且设置于盾构开挖面模拟组件上方；多个应变片14，贴合于模拟既有管线12外壁且沿其长度方向间隔设置；横梁15，设置于透明箱体10的顶端；多个位移传感器16，依次固定于横梁15；激光发射器30，位于透明箱体10外侧，用于照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面；摄像机40，位于透明箱体10外侧，用于拍摄在激光照射下开挖面土体切面粒子的图像；以及计算机50，其与位移传感器16及应变片14信号连接；激光发射器，位于所述透明箱体外侧。

本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，在透明的敞口口箱体内填充透明的填充土体11，盾构开挖面模拟组件及模拟既有管线12均埋设于填充土体11内，且模拟既有管线12位于盾构开挖面模拟组件上方，沿模拟既有管线12长度方向间隔设置的应变片14用于精确测量模拟既有管线12周边土体的应变，设置于透明箱体10顶端的位移传感器16用于测定开挖面失稳造成的土体表面沉降，应变片14、位移传感器16均与计算机50信号连接；盾构开挖面模拟组件在模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程中，激光发射器30照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面并形成激光散斑，摄像机40拍摄记录下在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至计算机50，试验结束后采用软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合位移传感器16及应变片14采集的试验数据分析模拟既有管线12的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围；本发明的试验装置在有效模拟盾构开挖面失稳的情况下，获得模拟既有管线12的受力特性，从而建立起既有管线位移与土体位移之间的联系，能够有效记录开挖面上方土体以及既有管线周边土体的运动轨迹，揭示开挖面稳定对既有管线和既有构筑物的扰动机制和破坏机制。

如图1所示，上述盾构开挖面模拟组件包括：盾壳21、挡板25、传动杆22及电动机控制系统，电动机控制系统包括薄膜压力传感器23、伺服驱动步进电动机24及控制器(图中未示出)，盾壳21为透明筒状壳体，挡板的外径与盾壳21的内径相匹配，且挡板25沿径向设置于盾壳21内腔，传动杆22的一端垂直连接于挡板25的中心，传动杆22的另一端与伺服驱动步进电动机24连接，薄膜压力传感器23设置于挡板25的远离传动杆22的一侧，薄膜压力传感器23、伺服驱动步进电动机24均与控制器信号连接；上述盾构开挖面模拟组件的挡板25模拟盾构机支护面，伺服驱动步进电动机24通过传动杆22带动挡板25前进或后退来模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程，设置于挡板25一侧的薄膜压力传感器23用于测定盾构开挖面的土压力，并将测得的压力数据传送至控制器，控制器根据上述压力数据进行判断并通过伺服驱动步进电动机24控制挡板25的推进速度和推进方向，实现盾构开挖施工全过程的模拟。本实施例的盾构开挖面模拟组件仅是一个示例，但并不局限于此。

请继续参考图1，模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置还包括与计算机50通讯连接的数据采集仪60，数据采集仪60分别与位移传感器16及应变片14信号连接，用于采集位移传感器16及应变片14的数据，并将上述数据传输至计算机50。数据采集仪60可测试电压、脉冲及逻辑信号等，它具有多个隔离的通道，能够避免接线错误或过载造成的通道损坏对周围其他通道造成影响，采集数据可存储于数据采集仪60的内部内存，避免电源关机或中断时对数据造成的损坏。

上述透明箱体10由钢化玻璃制成，且透明箱体10相邻两块侧板之间通过金属角板(图中未示出)连接，钢化玻璃强度高，拼接处由金属角板连接，能够保证透明箱体10整体的结构强度，保障试验装置的安全性。

模拟既有管线12外壁沿圆周方向上、下对称贴合一对应变片14，多对应变片14沿模拟既有管线12长度方向间隔设置，应变片14的上述布置方式能够进一步提高测量的灵敏度，有助于试验人员更准确地获得模拟既有管线12周边土体的应变。

本实施例的盾壳21采用玻璃制成，模拟既有管线12采用PVC管材制成，取材方便，且易于加工。

结合图1和图2说明本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验方法，具体步骤如下：

S1：安装试验装置，如图1所示，将透明箱体10、激光发射器30及摄像机40的平面位置固定，在透明箱体10内置透明的填充土体11，将盾构开挖面模拟组件和模拟既有管线12分别埋置于填充土体11中，且模拟既有管线12位于盾构开挖面模拟组件上方，两者中心间距为h，在模拟既有管线12上从中心向两侧每隔相应距离贴一对应变片14，共n1对应变片14，应变片14的间距应根据试验需要合理选取，在透明箱体10的顶端安装横梁15，n2个位移传感器16固定于横梁15，用于监测地表土层沉降，考虑到盾构开挖面与模拟既有管线12相对位置对模拟既有管线12受力的影响，可以在不同位置埋置模拟既有管线12并研究其影响特点，具体位置视试验效果而确定；

S2：模拟试验，启动盾构开挖面模拟组件模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程，激光发射器30照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面并形成激光散斑，摄像机40拍摄记录下在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至计算机50，试验结束后采用软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合位移传感器16及应变片14采集的试验数据分析模拟既有管线12的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围。此处需指出的是，实施例的变量可以依据试验需要进行相应的选取。

本实施例中，摄橡机优选CCD相机(charge coup l ed dev i ce，即电荷耦合元件)，也可称为CCD图像传感器，它是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性。

本发明的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验方法，在透明的填充土体11内埋设盾构开挖面模拟组件和模拟既有管线12，盾构开挖面模拟组件模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程，同时，激光发射器30照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面并形成激光散斑，摄像机40拍摄记录下在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至计算机50，最后，利用计算机50软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合位移传感器16及应变片14采集的试验数据分析模拟既有管线12的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围，该试验方法能够有效记录开挖面上方土体以及既有管线、既有构筑物周边土体的运动轨迹，揭示开挖面稳定对既有管线和既有构筑物的扰动机制和破坏机制，能够为以后通过土体位移来判定既有结构破坏奠定理论基础。

上述步骤S2中，盾构开挖面模拟组件处于初始位置时，挡板25与盾壳21前端对齐，薄膜压力传感器23贴在挡板25的远离传动杆22的一侧，用于实时监测开挖面的土压力，模拟既有管线12距离挡板25的水平距离为s1，启动电动机控制系统，伺服驱动步进电动机24控制传动杆22并带动挡板25前进或后退，本实施例中挡板25后退m次，速度为v，每次后退距离为s2，长度共计L，设置于挡板25一侧的薄膜压力传感器23测定盾构开挖面的土压力，并将测得的压力数据传送至控制器，控制器根据上述压力数据进行判断并通过伺服驱动步进电动机24控制挡板25的推进速度和推进方向，实现盾构开挖施工全过程的模拟。

上述步骤S2中，挡板25每次前进或后退之后，需等待填充土体11变形稳定后再次前进或后退，以避免填充土体11失稳而影响试验结果的准确性。

更佳的，上述步骤S1中，激光发射器30的轴线与盾构开挖面模拟组件的轴线平行，且摄像机40的取景框与盾构开挖面模拟组件开挖方向一致，激光发射器与摄像机的上述布置方式，便于摄像机获得清晰、准确的开挖面土体切面粒子的图像。

上述步骤S1中，数据采集仪60分别与位移传感器16及应变片14信号连接，数据采集仪60采集位移传感器16及应变片14的数据，并将数据传输至计算机50。

上述步骤S1之前还包括，配置试验用填充土体11，为模拟粘土性质，试验采用无定形硅粉和溴化钙水溶液进行配制。首先，在烧杯中配置相应浓度溴化钙溶液，分成三份，分别加入适量无定形硅粉，搅拌均匀观察溶液透明程度，再取其中两个烧杯，分别定量加入溴化钙溶质和加水，并观察，直到溶液透明程度最佳，并以最佳透明度的溶液水或溴化钙溶质为基准调配，按此基准配置大量填充土体11固结后用于模拟试验，并通过室内粘土土工实验测定填充土体11土样的孔隙比、比重、内摩擦角、粘聚力等，以便试验结果分析时使用。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

Claims (10)

1.模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，其特征在于，包括：

一透明箱体，其顶端敞口并内置有透明的填充土体；

盾构开挖面模拟组件，埋设于所述填充土体内，用于模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程；

模拟既有管线，埋设于所述填充土体内且设置于所述盾构开挖面模拟组件上方；

多个应变片，贴合于所述模拟既有管线外壁且沿其长度方向间隔设置；

横梁，设置于所述透明箱体的顶端；

多个位移传感器，依次固定于所述横梁；

激光发射器，位于所述透明箱体外侧，用于照射盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面；

摄像机，位于所述透明箱体外侧，用于拍摄在激光照射下开挖面土体切面粒子的图像，以及；

计算机，其与所述位移传感器及所述应变片信号连接。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述盾构开挖面模拟组件包括：盾壳、挡板、传动杆及电动机控制系统，所述电动机控制系统包括薄膜压力传感器、伺服驱动步进电动机及控制器；所述盾壳为透明筒状壳体，所述挡板的外径与所述盾壳的内径相匹配，且所述挡板沿径向设置于所述盾壳内腔，所述传动杆的一端垂直连接于所述挡板的中心，所述传动杆的另一端与所述伺服驱动步进电动机连接，所述薄膜压力传感器设置于所述挡板的远离所述传动杆的一侧，所述薄膜压力传感器、所述伺服驱动步进电动机均与所述控制器信号连接。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：它还包括与所述计算机通讯连接的数据采集仪，所述数据采集仪分别与所述位移传感器及所述应变片信号连接。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述透明箱体由钢化玻璃制成，且所述透明箱体相邻两块侧板之间通过金属角板连接。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述模拟既有管线外壁沿圆周方向对称贴合一对应变片，多对所述应变片沿所述模拟既有管线长度方向间隔设置。

6.模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验方法，其特征在于，步骤如下：

S1：安装如权利要求1至5任一项所述的模拟盾构开挖面失稳对管线结构影响的试验装置，在透明箱体内置透明的填充土体，将盾构开挖面模拟组件和模拟既有管线分别埋置于所述填充土体中，所述模拟既有管线位于所述盾构开挖面模拟组件上方，沿所述模拟既有管线长度方向间隔粘贴多个应变片，在所述透明箱体顶端安装连接有多个位移传感器的横梁，在所述透明箱体外侧放置激光发射器及摄像机，所述位移传感器及所述应变片与计算机信号连接；

S2：启动所述盾构开挖面模拟组件，模拟盾构开挖面的卸荷失稳过程，所述激光发射器照射所述盾构开挖面模拟组件开挖面的土体切面形成激光散斑，所述摄像机拍摄记录在激光照射下土体切面粒子的图像并传输至所述计算机，采用计算机软件对试验获得的粒子图像进行后处理分析，得到土体的变形情况，并结合所述位移传感器及所述应变片采集的试验数据分析所述模拟既有管线的变形、内力情况及盾构开挖面的失稳范围。

7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述步骤S2中，启动所述盾构开挖面模拟组件的电动机控制系统，所述伺服驱动步进电动机控制传动杆运动并带动挡板前进或后退，设置于所述挡板一侧的薄膜压力传感器测定盾构开挖面的土压力，并将测得的压力数据传送至控制器，所述控制器根据压力数据进行判断并通过所述伺服驱动步进电动机控制所述挡板的推进速度和方向。

8.根据权利要求6或7所述的试验方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述挡板每次前进或后退之后，需等待所述填充土体变形稳定后再次前进或后退。

9.根据权利要求6或7所述的试验方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述位移传感器、所述应变片分别与数据采集仪信号连接，所述数据采集仪采集所述位移传感器及所述应变片的数据，并将数据传输至所述计算机。

10.根据权利要求6或7所述的试验方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述填充土体为透明土，所述透明土由无定形硅粉和溴化钙水溶液配制而成。