CN110529127A - 一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法，模型箱的空腔中安装有隧道模型，隧道模型连接有空气压缩装置，模型箱的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型的底部、顶部以及端头处，模型箱中设置有支护系统，在模型箱外部设置有相互连接的数据采集装置和处理装置，处理装置与监测系统连接，数据采集装置与监测系统连接。本发明利用气囊进行开挖面失稳破坏模拟，模拟盾构开挖面失稳因支护力过大而土体隆起的情况，可以清楚明白的观察到地层隆起情况；采用支护系统模拟进行超前支护的方式对开挖面进行支撑以提高开挖面的稳定性，利用全断面和半圆形的隧道模型可同时观察隧道盾构开挖面的纵剖面和横剖面失稳破坏过程及滑动区。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道施工物理模型试验技术领域，具体涉及一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法。
背景技术
盾构施工法使用盾构在地下掘进，在防止软基开挖面土砂崩塌和保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧道的开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。与传统的钻爆法相比，在地下隧道施工中，盾构法施工具有对自动化程度高、周围环境影响小、优质高效、施工快速、安全环保可靠、工作环境好、土方量少、不同地质条件适应性强、安全性高等优点。同其他施工方法一样，由于地质条件和施工工艺的限制，很难避免盾构推进对周围环境的扰动，甚至导致过大的地面沉降。而这种环境的破坏主要取决于盾构开挖面的稳定性，所以开挖面的稳定是盾构施工的一个重要问题。
尽管盾构法由于优点众多而广泛应于城市地铁建设，但在开挖掘进过程中仍然会对周边环境产生诸多影响，譬如地表隆起或者沉降等，从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全。而此类现象的主导原因之一为对盾构开挖面稳定性的控制不当，由于开挖面支护力过大，容易导致地面隆起；反之，则会引起地面沉降，而现在研究地表隆起很少，但是对于地表隆起造成的危害应该引起重视。由此可见，盾构施工过程中控制开挖面的稳定性显得尤为重要，同时对盾构区域周边土体变形的预测有助于为及时调整盾构参数，采取相应防治措施等做出理论指导，从而避免不良影响继续扩大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有盾构开挖稳定性难以控制而造成地表隆起从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全，其目的在于提供一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法，能够对开挖面失稳，支护力过大引起地层隆起和支护力过小引起地层坍塌的情况进行模拟，并能通过监测开挖面的支护力和土体位移揭示失稳破坏机制，从而防止地表隆起从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全的现象发生。
本发明通过下述技术方案实现：一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，包括内部中空的模型箱，所述模型箱的空腔中安装有隧道模型，隧道模型连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型端部处的土方状况，在模型箱的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型的底部、顶部以及端头处，模型箱中设置有支护系统，监测系统的一部分布在支护系统范围中，支护系统位于隧道模型端部处，在模型箱外部设置有相互连接的数据采集装置和处理装置，处理装置与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。
盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建(铺设)隧道之“盾”(指支撑性管片)，它区别于敞开式施工法。国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式(非盾构法)的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机，将用于岩石地层的称为TBM。用盾构法的机械进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。尽管盾构法由于优点众多而广泛应于城市地铁建设，但在开挖掘进过程中仍然会对周边环境产生诸多影响，譬如地表隆起或者沉降等，从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全。而此类现象的主导原因之一为对盾构开挖面稳定性的控制不当，由于开挖面支护力过大，容易导致地面隆起；反之，则会引起地面沉降，而现在研究地表隆起很少，但是对于地表隆起造成的危害应该引起重视。由此可见，盾构施工过程中控制开挖面的稳定性显得尤为重要，同时对盾构区域周边土体变形的预测有助于为及时调整盾构参数，采取相应防治措施等做出理论指导，从而避免不良影响继续扩大。但是目前没有相应的设备和方法对盾构掘进进行模拟，都是停留在理论上，或者在实际盾构过程中遇到问题进行总结，这样没有进行实际模拟试验容易造成地表隆起从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全，经常在新闻中看到关于盾构掘进事故的报道发生，为了解决上述问题，本发明设计了一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，利用内部中空且顶端开口的模拟箱，在模拟箱中加入与施工地工况相同的试验土，在模型箱的空腔中安装隧道模型，为了对内部试验数据和状况进行监控，在模型箱的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型的底部、顶部以及端头处，实际上盾构掘进时有锚杆等进行支护，所以模型箱中也设置有支护系统，监测系统的一部分布在支护系统范围中，支护系统位于隧道模型端部处，为了实现数据的采集与处理，在模型箱外部设置有相互连接的数据采集装置和处理装置，处理装置与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。在试验过程，需要模拟出地表隆起状况，所以隧道模型连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型端部处的土方状况，这样才能够得到准确的模拟状态。本方案通过上述设计，利用气囊进行开挖面失稳破坏模拟，可以模拟盾构开挖面失稳因支护力过大而土体隆起的情况，可以清楚明白的观察到地层隆起情况；并采用支护系统模拟使用锚杆进行超前支护的方式对开挖面进行支撑以提高开挖面的稳定性，而且利用全断面和半圆形的隧道模型可同时观察隧道盾构开挖面的纵剖面和横剖面失稳破坏过程及滑动区，也可以单独研究，保证横、纵断面的滑动区形状的模型试验不受填土、试验操作等因素的影响，在隧道模型底部和侧面植入监测系统监测开挖面失稳土体滑移面的发展，一次探测信息量大，成果解释直观，其能够准确地模拟出盾构掘进开挖面的状况，得到准确的参数，使得实际掘进时避开地表隆起状况，或者一旦发生地表隆起能够及时采取措施进行处理，从而使得掘进的安全性和质量都达到标准。
在进行监控时需要对多种参数进行监控，所以监测系统包括瞬变电磁仪、位移计和土压力盒，瞬变电磁仪安装在隧道模型的底部和顶部，瞬变电磁仪和处理装置连接，位移计安装在隧道模型的上方，且位移计位于瞬变电磁仪上方，位移计和数据采集装置连接，土压力盒分布在支护系统范围中，土压力盒和数据采集装置连接。模型箱上设置有支架，位移计与支架固定，并且位移计呈铅锤状态安装。位移计用于监测土体位移变化，位移计量程为30mm，可分辨小于0.005mm的位移变化，位移计使用百分百磁性基座固定在土层顶部支架上。土压力盒用于监测开挖面土压力的变化，土压力盒量程为30kPa，采用侧面出线的方式连接。瞬变电磁仪用于监测开挖面失稳土体滑移面的发展，瞬变电磁仪测量精度高、抗干扰能力强、一次探测信息量大、成果解释直观，将瞬变电磁仪发射线圈布置在隧道模型的底部和侧面。
数据采集装置优选为数据采集仪，这是现有装置，能够在市面上直接购买到，该数据采集仪用于获取位移计测量的沉降量和土压力盒监测的土压力变化量。数据采集仪连接至处理装置，处理装置为计算机系统，这也是现有部件，用于输出处理数据。
空气压缩装置包括气囊和空气压缩机，气囊和空气压缩机都是现有部件，空气压缩机设置在模型箱外部，气囊位于隧道模型的端头处，空气压缩机与气囊连接且空气压缩机能够改变气囊状态，气囊模拟开挖面的支护力，气囊内部所充气体由空气压缩机提供，空气压缩机能够提供30L的大容量气压，足以为气囊提供足够的气压，所述空气压缩机配置有压力表，能够准确显示空气压缩机气罐气压值，所述空气压缩机与气囊之间有气阀控制开关。
支护系统由若干根竹签构成，用于模拟开挖时所需要的锚杆加固，竹签布置在开挖面的前方土体，土压力盒布置在竹签构成的区域中。
模型箱的侧壁设置有安装孔，隧道模型通过安装孔插入模型箱中，安装孔截面为圆形和半圆形，隧道模型也分为对应的圆柱形和半圆柱形，隧道模型分别穿过对应的安装孔中。安装孔的结构可用于同时观测的横、纵断面的滑动区形状。
为了便于移动，在模型箱底部设置有脚轮，使得试验装置移动便利性增加。
一种模拟地层隆起的盾构掘进试验方法，包括以下步骤：
a、按照实际工况原状土制备试样土；
b、将试样土放入模型箱至模型槽位置；
c、安装隧道模型，在隧道模型底部布置瞬变电磁仪发射线圈，继续加土，在开挖面前方土体内插入竹签并布置土压力盒，继续加土至试验所需工况位置，在隧道模型顶部继续布置瞬变电磁仪发射线圈，并在土体顶部布置位移计；
d、将位移计和土压力盒与数据采集仪相连接，将数据采集仪和瞬变电磁仪与电脑终端相连接，调试仪器做好准备；
e、放入气囊，并将气囊与空气压缩机相连接；
f、使用空气压缩机对气囊进行打气，直到土体出现隆起为止，记录土体位移和土压力的变化情况；
g、重复a～e的步骤，使用空气压缩机对气囊进行打气，在土体隆起之前对气囊进行放气，直到土体坍塌为止，记录土体位移和土压力的变化情况；
h、重复a～g的步骤，直到找出开挖面失稳破坏的普遍规律。
通过上述方法，能够对土方隆起时土体位移和土压力的变化情况进行模拟和记录，从而总结出规律，得到开挖面失稳破坏的普遍规律，这样在实际掘进时能够避免出现隆起状况，合理地避开，或者发生隆起后能够采取对应的措施，从而保证盾构掘进的稳定性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的模型箱四周都由透明钢化玻璃制成，便于观察土体失稳破坏机制，模型箱底部装有滑轮，方便运输与固定模型箱；
2、本发明的全断面和半圆形的隧道模型可同时观察隧道盾构开挖面的纵剖面和横剖面失稳破坏过程及滑动区，也可以单独研究，保证横、纵断面的滑动区形状的模型试验不受填土、试验操作等因素的影响，在隧道模型底部和侧面植入瞬变电磁仪监测开挖面失稳土体滑移面的发展，一次探测信息量大，成果解释直观；
3、本发明的模拟开挖面采用柔性支护，利用气囊进行开挖面失稳破坏模拟，可以模拟盾构开挖面失稳因支护力过大而土体隆起的情况，可以清楚明白的观察到地层隆起情况；并采用竹签模拟使用锚杆进行超前支护的方式对开挖面进行支撑以提高开挖面的稳定性；
4、本发明简单，操作方便，试验结果可靠。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的监控系统安装示意图；
图3为本发明气囊充气地表隆起的第一种状态示意图；
图4为本发明气囊充气地表隆起的第二种状态示意图；
图5为本发明气囊充气地表隆起的第三种状态示意图；
图6为本发明气囊充气地表隆起的第四种状态示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-模型箱，2-钢化玻璃，3-框架，4-脚轮，5-底座，6-隧道模型，7-气囊，8-空气压缩机，9-气阀，10-位移计，11-支架，12-支护系统，13-土压力盒，14-瞬变电磁仪发射线圈，15-数据采集装置，16-处理装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1至图2所示，一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，包括内部中空且顶部开口的模型箱1，模型箱1用于装填土体、安置隧道模型6和监测装置，根据模拟实际情况需求，将模型箱尺寸大小设计为900mm×900mm×700mm(长×宽×高)，模型箱1由四根框架3构成，箱体底部设置有底座5，用于安放隧道模型6，底座5底部设有脚轮4并可移动和固定，相邻的框架3之间采用全透明钢化玻璃2连接固定，模型箱1的侧壁设置有两个安装孔，安装孔均位于模型正面，安装孔截面为圆形和半圆形实际是全圆孔和半圆孔，可用于同时观测的横、纵断面的滑动区形状，在模型箱1的空腔中安装有隧道模型6，隧道模型6的一端分别穿过对应的全圆孔和半圆孔后位于模型箱1内腔中。
隧道模型6连接有空气压缩装置，空气压缩装置包括气囊7和空气压缩机8，空气压缩机8设置在模型箱1外部，气囊7位于隧道模型6的端头处，空气压缩机8与气囊7连接且空气压缩机8能够改变气囊7状态，使得隧道模型6端部处的土方状况改变来模拟土层隆起时一系列参数的变化，隧道模型6采用采用不锈钢材制成，隧道模型6可以设计为内部中空结构，这样气囊7可以安装在隧道模型6端头内部，而空气压缩机8的管道穿过隧道模型6内部与气囊7连通，气囊7与隧道模型6固定，在气囊7充气时保证不会脱落防止影响试验的使用或影响试验结果。空气压缩机8能够提供30L的大容量气压，足以为气囊7提供足够的气压，空气压缩机8配置有压力表，能够准确显示空气压缩机气罐气压值，空气压缩机8与气囊7之间有气阀9控制开关。气囊7至于隧道模型6内部，模拟开挖面的支护力，内部所充气体由空气压缩机8提供。
还在模型箱1的空腔中设置有监测系统，监测系统包括若干个瞬变电磁仪、若干个位移计10和若干个土压力盒13，其中根据实际监测需求，将瞬变电磁仪安装在隧道模型6的底部和顶部，瞬变电磁仪和处理装置16连接，瞬变电磁仪是由瞬变电磁仪发射线圈14构成，将瞬变电磁仪发射线圈14安装在隧道模型6位于模型箱1的空腔中端头处的底部和顶部，瞬变电磁仪用于监测开挖面失稳土体滑移面的发展。所有的位移计10均安装在隧道模型6的上方，位移计10用于监测土体位移变化，位移计10量程为30mm，可分辨小于0.005mm的位移变化，位移计10和数据采集装置15连接，在模型箱1上设置有支架11，位移计10使用百分百磁性基座固定在土层顶部支架11上，位移计10位于瞬变电磁仪上方，并且位移计10呈铅锤状态安装，这样能够准确测出土体位移变化量。土压力盒13用于监测开挖面土压力的变化，土压力盒13量程为30kPa，采用侧面出线的方式连接，模型箱1中设置有支护系统12，支护系统12优选竹签，其成本低，用于模拟开挖时所需要的锚杆加固，能够达到试验效果，竹签布置在开挖面的前方土体，即隧道模型6位于模型箱1的空腔中端头前方，土压力盒13布置在竹签形成的范围中，土压力盒13和数据采集装置15连接，使得试验结果准确。
在模型箱1外部设置有相互连接的数据采集装置15和处理装置16，处理装置16与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置15与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。数据采集装置15优选为数据采集仪，该数据采集仪用于获取位移计10测量的沉降量和土压力盒13监测的土压力变化量。处理装置16采用计算机系统即可满足功能需求，数据采集装置15和处理装置16的型号和功能都是现有结构，利用其能够对数据监控和处理，从而便于存储和进行总结分析。
本实施例通过全断面和半圆形的隧道模型可同时观察隧道盾构开挖面的纵剖面和横剖面失稳破坏过程及滑动区，也可以单独研究，保证横、纵断面的滑动区形状的模型试验不受填土、试验操作等因素的影响，在隧道模型底部和侧面植入瞬变电磁仪监测开挖面失稳土体滑移面的发展，一次探测信息量大，成果解释直观，而且模拟开挖面采用柔性支护，利用气囊进行开挖面失稳破坏模拟，可以模拟盾构开挖面失稳因支护力过大而土体隆起的情况，可以清楚明白的观察到地层隆起情况；并采用竹签模拟使用锚杆进行超前支护的方式对开挖面进行支撑以提高开挖面的稳定性。
实施例2：
如图1至图6所示，一种模拟地层隆起的盾构掘进试验方法，包括以下步骤：
a、按照实际工况原状土制备试样土；
b、将试样土放入模型箱1至模型槽位置；
c、安装隧道模型6，隧道模型6穿过对应的安装孔，在隧道模型6底部布置瞬变电磁仪发射线圈14，继续加土，隧道模型6端头前方即开挖面前方土体内插入竹签并布置土压力盒13，继续加土至试验所需工况位置，在隧道模型6顶部继续布置瞬变电磁仪发射线圈14，并在土体顶部布置位移计10；
d、将位移计10和土压力盒13与数据采集仪相连接，将数据采集仪和瞬变电磁仪与电脑终端相连接，调试仪器做好准备；
e、放入气囊7，并将气囊7与空气压缩机8相连接；
f、使用空气压缩机8对气囊7进行打气，直到土体出现隆起为止，记录土体位移和土压力的变化情况；
g、重复a～e的步骤，使用空气压缩机8对气囊7进行打气，在土体隆起之前对气囊7进行放气，直到土体坍塌为止，记录土体位移和土压力的变化情况；
h、重复a～g的步骤，直到找出开挖面失稳破坏的普遍规律。
通过上述方法，能够对地表隆起状况进行试验，从而得到准确的数值，通过本实施例总结出开挖面失稳破坏的规律，在实际盾构掘进时能够减少地表隆起，或者一旦出现隆起能够及时采用对应的措施进行处理，从而减小损失。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，包括内部中空的模型箱(1)，所述模型箱(1)的空腔中安装有隧道模型(6)，隧道模型(6)连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型(6)端部处的土方状况，在模型箱(1)的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型(6)的底部、顶部以及端头处，模型箱(1)中设置有支护系统(12)，监测系统的一部分布在支护系统(12)范围中，支护系统(12)位于隧道模型(6)端部处，在模型箱(1)外部设置有相互连接的数据采集装置(15)和处理装置(16)，处理装置(16)与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置(15)与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述监测系统包括瞬变电磁仪、位移计(10)和土压力盒(13)，瞬变电磁仪安装在隧道模型(6)的底部和顶部，瞬变电磁仪和处理装置(16)连接，位移计(10)安装在隧道模型(6)的上方，且位移计(10)位于瞬变电磁仪上方，位移计(10)和数据采集装置(15)连接，土压力盒(13)分布在支护系统(12)范围中，土压力盒(13)和数据采集装置(15)连接。
3.根据权利要求2所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述模型箱(1)上设置有支架(11)，位移计(10)与支架(11)固定，并且位移计(10)呈铅锤状态安装。
4.根据权利要求2所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述数据采集装置(15)为数据采集仪，该数据采集仪用于获取位移计(10)测量的沉降量和土压力盒(13)监测的土压力变化量。
5.根据权利要求1所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述空气压缩装置包括气囊(7)和空气压缩机(8)，空气压缩机(8)设置在模型箱(1)外部，气囊(7)位于隧道模型(6)的端头处，空气压缩机(8)与气囊(7)连接且空气压缩机(8)能够改变气囊(7)状态。
6.根据权利要求1所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述模型箱(1)的侧壁设置有安装孔，隧道模型(6)通过安装孔插入模型箱(1)中。
7.根据权利要求6所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述安装孔截面为圆形和半圆形，隧道模型(6)分别穿过对应的安装孔中。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述模型箱(1)底部设置有脚轮(4)。
9.一种模拟地层隆起的盾构掘进试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、按照实际工况原状土制备试样土；
b、将试样土放入模型箱(1)至模型槽位置；
c、安装隧道模型(6)，在隧道模型(6)底部布置瞬变电磁仪发射线圈(14)，继续加土，在开挖面前方土体内插入竹签并布置土压力盒(13)，继续加土至试验所需工况位置，在隧道模型(6)顶部继续布置瞬变电磁仪发射线圈(14)，并在土体顶部布置位移计(10)；
d、将位移计(10)和土压力盒(13)与数据采集仪相连接，将数据采集仪和瞬变电磁仪与电脑终端相连接，调试仪器做好准备；
e、放入气囊(7)，并将气囊(7)与空气压缩机(8)相连接；
f、使用空气压缩机(8)对气囊(7)进行打气，直到土体出现隆起为止，记录土体位移和土压力的变化情况；
g、重复a～e的步骤，使用空气压缩机(8)对气囊(7)进行打气，在土体隆起之前对气囊(7)进行放气，直到土体坍塌为止，记录土体位移和土压力的变化情况；
h、重复a～g的步骤，直到找出开挖面失稳破坏的普遍规律。
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