CN110702883A - 一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，包括土体箱(1)、土体箱(1)两侧的水箱(2)、土体箱(1)上方的降雨组件(9)以及监测组件，所述的监测组件包括照相设备和流砂测量组件，该装置还包括用于模拟盾构隧道的管道(3)，该管道(3)两端与土体箱(1)的正面和背面侧板连接，所述的管道(3)包括若干通过螺栓轴向拼接的圆环，所述的圆环中含有至少一块设有裂缝的带裂缝圆环(13)，该带裂缝圆环(13)由若干块等弧长的环片拼接而成，所述的管道(3)内部设有一端伸出土体箱(1)正面侧板外的防水板(17)。与现有技术相比，本发明具有模拟场景丰富、操作灵活和成本低等优点。

Description

一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及模型试验仪器领域，尤其是涉及一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置及方法。

背景技术

随着我国隧道领域的快速发展，越来越多的隧道投入到运营过程中。隧道建设的大量投入使用给人们的生活出行带来极大便利的同时，也引发了许多新的问题。其中，盾构隧道一般是由许多抗渗混凝土管片拼装而成，由于施工不当、设计不当等原因，使得在隧道施工和运营的过程中容易发生漏水漏砂灾害，造成巨大的环境影响和经济损失，另外在隧道长期运营过程中隧道渗漏水问题不可避免且愈演愈烈，例如上海金山引水隧道管片接缝处的涌水涌砂事故和原苏联圣彼得堡地铁1号线发生了严重的涌水涌砂事故，危及到人们的生命安全并造成了严重的经济损失。在以砂土为主的地层中构建的盾构隧道渗漏侵蚀现象尤为严重，当隧道产生裂缝或破损时，破损区域的水压降低，产生动水压力，隧道周围的细砂受动水压力的影响形成流砂并流入到隧道中，长期发展就会引发地层损失甚至导致地面塌陷。

因此需要对隧道渗漏侵蚀现象展开试验研究，观察渗漏侵蚀现象的演化规律，现有技术也给出了一些即解决方案，中国专利CN105866381A提出了一种模拟地下工程漏水漏砂灾害的试验方法，所采用的设备包括底部开口的主试验箱，主试验箱的上部设置有密封顶盖，顶盖上连有可拆卸加压气囊并固定有精密调压阀和数显压力表；主试验箱的底部与两块L型可调底板连接，两块L型可调底板之间通过丝杠连接，试验时调节丝杠，使缝宽对应盾构隧道管片张开量，该专利可得到不同土样的临界漏水漏砂张开量，丝杠可以实现对试验的精确控制。

但该专利在应用于模拟隧道结构的工程时存在以下问题：

该专利提出的方法仅研究了水平缝隙处的渗漏侵蚀现象，没有考虑到隧道弧形的构造，无法反映隧道结构构造对渗流场分布的影响，无法准确模拟隧道结构工程下的渗漏侵蚀现象。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种，用于模拟在不同水位、地层条件、隧道埋深和管片不同破损区域等工况下的渗蚀现象及地面塌陷机理，能够准确模拟实际盾构隧道工程的渗蚀现象，装置结构简易且操作简单。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，包括土体箱、土体箱两侧的水箱、土体箱上方的降雨组件、土体箱内的管道以及监测组件，所述的水箱可调节水位高度；

所述的管道通过土体箱背面的圆孔插入土体箱内部并与土体箱的正面和背面侧板连接，该管道与土体箱正面侧板连接的一端密封且开有一个螺栓孔，管道的一端通过该螺栓孔和土体箱正面侧板固定，该管道与土体箱背面侧板的连接一端开口且套有一个的空心圆环，该空心圆环的内径等于管道的外径，该空心圆环上开有若干个螺栓孔，该空心圆环通过若干个螺栓孔与土体箱背面侧板固定连接，所述的管道可通过空心圆环自由旋转。

进一步地，所述的管道内部设有一端伸出土体箱正面侧板外的防水板，该防水板倾斜放置在管道内，该防水板位于管道内的一端通过垫在其下方的泡沫块调节倾斜角度，渗漏的流砂可以沿着防水板流入带刻度量杯中。

进一步地，所述的管道包括若干轴向拼接的圆环，圆环之间通过螺栓连接，所述的圆环中含有至少一块设有裂缝的带裂缝圆环，该带裂缝圆环由若干块等弧长的环片拼接而成，当带裂缝圆环的数量为多个时，多个带裂缝圆环(13)相邻设置且多个带裂缝圆环上的裂缝在同一直线上。

进一步地，两个带裂缝圆环上设有贯穿的裂缝以模拟隧道管片局部开裂形成的细小裂口，该裂缝上铺设细铁丝网，由于圆环之间是通过螺栓连接的，带裂缝圆环可以通过螺栓连接放置在管道纵向上的任何位置，同时管道可通过空心圆环实现旋转，因此管道可以实现不同位置的破损区域。

进一步地，所述的监测组件包括照相设备和流砂测量组件；

所述的照相设备包括摄像机和运动相机，所述的土体箱的正面和上方分别设有一个摄像机，用于观察土体表面的颗粒位移情况，所述的运动相机置于管道内部，用于观察土体箱内部的管道周围土体的颗粒位移情况；

所述的流砂测量组件包括电子秤和带刻度量杯，所述的带刻度量杯设置于防水板伸出土体箱外一端的下方且置于电子秤上方，所述的带刻度量杯上铺设有用于过滤掉所有砂土颗粒的筛网。

进一步地，所述的土体箱的正面侧板、土体箱与水箱连接的侧板以及管道的圆环均采用有机玻璃，便于观察颗粒流失，所述的土体箱的背面侧板采用钢板，使土体箱整体稳定和坚固。

进一步地，土箱体底部设有滑轮。

进一步地，在管道外侧的裂缝处铺设细铁丝网，在管道内侧的裂缝处所设有用于堵住裂缝的橡胶塞，并在橡胶塞外侧粘贴防水胶带。

进一步地，所述的土体箱与水箱连接的侧板上开有若干溢水小孔，实现水箱与土体箱之间的水流交换。

进一步地，所述的降雨组件位于土体箱向上方，包括降雨架和降雨架上模拟降雨的喷头。

一种采用上述任一项盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置的试验方法，包括：

S1：用高密度透水棉堵住溢水小孔，将管道的裂缝用橡胶塞密封并在管道内侧粘贴防水胶带防止橡胶塞处漏水；

S2：配置土样并装填，同时向水箱内注水，保持水土高度一致，待土样达到管道下方临界处时安装管道和防水板，其中通过旋转管道以及调整管道中带裂缝圆环的位置将裂缝调整至试验预期位置，之后继续装填土样至预期高度；

S3：拔掉橡胶塞，裂缝上方的流砂受压力差作用流入管道内部，沿着防水板流入到带有筛网的量杯中，实现砂土分离，每隔一段设定时间记录电子秤和量杯的读数，不再有流砂流出后试验结束，并收集摄像机和运动相机采集的图像，进行图像和数据处理；

电子秤的测得的重量为水和砂的总重量，其中砂的重量由湿砂的重量和砂的含水量计算得到，水的重量是由总重量减去砂的重量计算得到。

该方法可模拟盾构隧道的管片发生局部破损时，隧道周围土体受水压差作用而渗流侵蚀的现象。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明在土体箱内设置一个用于模拟盾构隧道的管道，该管道包括通过螺栓拼接的若干圆环，同时若干圆环中含有至少一个其上方设有裂缝的带裂缝圆环，该带裂缝圆环由若干等弧长的环片拼接而成，带裂缝圆环为多个时保持相邻且裂缝位于同一直线上，模仿了盾构隧道的结构，由于带裂缝圆环的数量和位置可变换，因此管道上裂缝的长度和位置都可灵活调整，可实现不同破损区域和破损程度的盾构隧道模拟试验，模拟效果更符合实际工程，使得试验结果更加全面和准确，同时装置的成本低，操作简单；

(2)本发明在管道与土体箱背面侧板连接的一端开口且套上空心圆环，该空心圆环上开有若干个螺栓孔并通过螺栓与土体箱背面侧板固定，管道插入空心圆环中实现一端的固定，管道另一端设有密封盖且密封盖中心设置一个用于固定位置的螺栓孔，因此安装管道时灵活地旋转以调整裂缝位置，进而可将管道上的裂缝调整至管道上任意位置，进一步扩大了本发明的装置所能模拟的破损区域的范围，同时管道两端的固定高度可灵活设置，可模拟不同的隧道埋深。

(3)本发明中土体箱的正面侧板、土体箱与水箱连接的侧板以及管道的圆环均采用有机玻璃，同时在土体箱的正上方和正面放置摄像机，管道内设置运动相机，能够直观和全方位地观测渗漏侵蚀现象，同时可观测水箱的水位，可模拟不同水位条件，同时实验室方便控制水箱的水位以保证水土高度一致，使得模拟渗漏侵蚀的试验更加严谨和准确。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的管道结构示意图；

图3为本发明的装置左视图。

图中标号说明：

1-土体箱，2-水箱，3-管道，4-溢水小孔，5-空心圆环，6-摄像机，7-运动相机，8-水土流失测试装置，9-降雨架，10-电子秤，11-带刻度量杯，12-筛网，13-带裂缝圆环，14-细铁丝网，15-螺栓孔，16-橡胶塞，17-防水板，18-泡沫块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，如图1，包括土体箱1、土体箱1两侧的水箱2、土体箱1内部的管道3、降雨组件9以及监测组件，其中土体箱1的尺寸为1.2m×0.6m×1.0m，水箱2尺寸为0.3m×0.6m×1.0m，土体箱1与水箱2连接的侧板上开有若干溢水小孔4以实现水箱2与土体箱1之间的水流交换，土箱体底部设有滑轮。

管道3通过土体箱1背面的圆孔插入土体箱1内部后管道3两端与土体箱1的正面和背面侧板固定连接，降雨组件9位于土体箱1向上方，包括降雨架和降雨架上模拟降雨的喷头。

如图2，管道3的直径为0.2m，管道3与土体箱1正面侧板连接的一端密封且开有一个螺栓孔15，便于管道和土体箱正面侧板固定，管道3与土体箱1背面侧板的连接一端开口且套有一个的空心圆环5，该空心圆环5的内径等于管道3的外径，该空心圆环5上开有8个螺栓孔15，起到固定和旋转管道的作用；

管道3包括12个通过螺栓纵向拼接的圆环，圆环中含有两个相邻的由6块等弧长的环片拼接而成的带裂缝圆环13，两个带裂缝圆环13上设有贯穿的裂缝，裂缝用于模拟隧道管片局部开裂形成的细小裂口，该裂缝上铺设细铁丝网14，由于圆环之间是通过螺栓连接的，带裂缝圆环13可以通过螺栓连接放置在管道纵向上的任何位置，因此管道可以实现不同位置的破损区域。

该装置还设有用于堵住裂缝的橡胶塞16，试验开始前用橡胶塞16堵住管道3的裂缝，在管道内侧的裂缝处粘贴有防水胶带，待试验准备工作完成后拔掉胶带和橡胶塞16。

监测组件包括照相设备和流砂测量组件；

照相设备包括摄像机6和运动相机7，土体箱1的正面和上方分别设有一个摄像机6，用于观察土体表面的颗粒位移情况，运动相机7置于管道3内部，用于观察土体箱内部的管道周围土体的颗粒位移情况；

如图3，管道3内部设有一端伸出土体箱1正面侧板外的防水板17，该防水板17位于管道3内的一端通过泡沫块18垫起而倾斜，便于水砂流动；

流砂测量组件包括电子秤10和电子秤10上方的带刻度量杯11，带刻度量杯11设置于防水板17伸出土体箱1外一端的下方，带刻度量杯11上铺设有筛网12，渗漏的水砂沿着倾斜的防水板17流入到带刻度量杯11中。

土体箱1的正面侧板、土体箱1与水箱2连接的侧板以及管道3的圆环均采用有机玻璃，便于观察颗粒流失，土体箱1的背面侧板采用钢板，使土体箱1整体稳定和坚固。

实施例二

与实施例一对应的一种采用盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置的试验方法，包括：

S1：清洗土体箱1，用高密度透水棉堵住溢水小孔4，使水箱2和土体箱1之间仅有水流交换，将管道3的裂缝用橡胶塞16密封并在管道3内侧粘贴防水胶带防止橡胶塞16处漏水；

S2：配置土样并装填，同时向水箱2内注水，保持水土高度一致，待土样达到管道3下方临界处时安装管道3和防水板17，其中通过旋转管道3以及调整管道3中带裂缝圆环13的位置将裂缝调整至试验预期位置，之后继续装填土样至预期高度；

S3：拔掉橡胶塞16，裂缝上方的流砂受压力差作用流入管道3内部，沿着防水板17流入到带有筛网12的量杯11中，实现砂土分离，每隔一段设定时间记录电子秤10和量杯11的读数，不再有流砂流出后试验结束并处理数据；

借助MATLAB软件编写的图像处理程序对摄像机6和运动相机7拍摄的图像进行处理，得到侵蚀过程中土体的位移图；

电子秤10的测得的重量为水和砂的总重量，其中砂的重量由湿砂的重量和砂的含水量计算得到，水的重量是由总重量减去砂的重量计算得到，根据为水和砂的重量绘制水土流失曲线。

实施例一和实施例二提出了一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置及方法，能够自由调节模拟隧道结构的管道3的高度以及管道3上裂缝的位置，可直观地观察到水箱2的水位以及管道3的渗流侵蚀情况，试验操作简单直观，装置结构简易，成本低，可以模拟在不同水位、不同地层条件、不同隧道埋深和管片不同破损区域等工况下的渗蚀现象及地面塌陷机理，掌握渗漏侵蚀的演化规律，为隧道渗漏水灾害的发展提供理论依据，将有利于对隧道渗流侵蚀灾害严重程度的判断，从而提出相应的措施对其进行控制与预防。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，包括土体箱(1)、土体箱(1)两侧的水箱(2)、土体箱(1)上方的降雨组件(9)以及监测组件，所述的监测组件包括照相设备和流砂测量组件，其特征在于，该装置还包括用于模拟盾构隧道的管道(3)，该管道(3)两端与土体箱(1)的正面和背面侧板连接，所述的管道(3)包括若干通过螺栓轴向拼接的圆环，所述的圆环中含有至少一块设有裂缝的带裂缝圆环(13)，该带裂缝圆环(13)由若干块等弧长的环片拼接而成，所述的管道(3)内部设有一端伸出土体箱(1)正面侧板外的防水板(17)。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述的防水板(17)倾斜放置在管道(3)内，该防水板(17)位于管道(3)内的一端通过泡沫块(18)垫起。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，当带裂缝圆环(13)的数量为多个时，多个带裂缝圆环(13)相邻设置且多个带裂缝圆环(13)上的裂缝在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述的管道(3)与土体箱(1)背面侧板的连接一端开口且端口外侧套有一个的空心圆环(5)，该空心圆环(5)上开有若干个螺栓孔(15)并通过螺栓孔(15)与土体箱(1)背面侧板连接。

5.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述的管道(3)与土体箱(1)正面侧板连接的一端设有一个圆心开有螺栓孔(15)的密封盖，所述的管道(3)通过该螺栓孔(15)与土体箱(1)正面侧板连接。

6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述的流砂测量组件包括电子秤(10)和电子秤(10)上方的带刻度量杯(11)，所述的带刻度量杯(11)设置于防水板(17)伸出土体箱(1)外一端的下方，所述的带刻度量杯(11)上铺设有筛网(12)。

7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述的照相设备包括摄像机(6)和运动相机(7)，所述的土体箱(1)的正面和上方分别设有一个摄像机(6)，所述的运动相机(7)置于管道(3)内部。

8.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述的土体箱(1)的正面侧板、土体箱(1)与水箱(2)连接的侧板以及管道(3)的圆环均采用有机玻璃，所述的土体箱(1)的背面侧板采用钢板，土体箱(1)与水箱(2)连接的侧板上开有若干溢水小孔(4)。

9.根据权利要求1所述的一种盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置，其特征在于，在管道(3)外侧的裂缝处铺设细铁丝网(14)，在管道(3)内侧的裂缝处所设有用于堵住裂缝的橡胶塞(16)。

10.一种采用权利要求1-9任一项盾构隧道渗漏侵蚀模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

S1：用高密度透水棉堵住溢水小孔(4)，用橡胶塞(16)将管道(3)的裂缝密封并在管道(3)内侧粘贴防水胶带防止橡胶塞(16)处漏水；

S2：配置土样并装填，同时向水箱(2)内注水，保持水土高度一致，待土样达到管道(3)下方临界处时安装管道(3)和防水板(17)，其中通过旋转管道(3)以及调整管道(3)中带裂缝圆环(13)的位置将裂缝调整至试验预期位置，之后继续装填土样至预期高度；

S3：拆下防水胶带和橡胶塞(16)，所述的裂缝上方的流砂受压力差作用流入管道(3)内部，沿着防水板(17)流入到带有筛网(12)的量杯(11)中，实现砂土分离，每隔一段设定时间记录电子秤(10)和量杯(11)的读数，不再有流砂流出后试验结束，并收集摄像机(6)和运动相机(7)采集的图像，进行图像和数据处理。

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