CN113720994B - 一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置及方法，所述装置包括模型箱、隧道开挖面模块、水循环模块及数据采集模块。所述模型箱为立方体。所述隧道开挖面模块包括隧道模型、伺服电机、钢支架、传动杆、直线轴承、拉压传感器、开挖面板。所述水循环模块由泉涌系统、给排水系统组成。所述数据采集模块包括工业相机、拉压传感器、土压力盒、孔压传感器。所述方法包括：整理场地、安置传感器、固定泉涌导管、填筑试验土样、土样饱和、形成泉涌、试验开始并收集数据、试验暂停并清理模型箱。本发明为泉涌地区隧道开挖面稳定性研究提供良好的试验基础。

Description

一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置及方法

技术领域

本发明属于盾构隧道建设领域，具体涉及一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置及方法。

背景技术

随着大型地下工程建设的推进，盾构法因其机械化、自动化、高效性等优势成为地铁、过江通道等隧道的主要施工方法，但隧道开挖施工前难以准确查清沿线不良地质情况，由此突发性工程事故的成因以及灾变演化过程极为复杂，导致施工过程中一旦遭遇泉涌等特殊地质灾害，极易造成重大的人员伤亡及财产损失，严重影响隧道建设和人员安全。泉涌的高水头以及地层中的渗流场将会在土体中产生复杂的渗流力，进而将削弱土体颗粒间力链的完整性，增大作用于隧道开挖端的上覆水土压力以及隧道开挖面的水土压力，从而对泉涌作用下的盾构隧道施工产生不利影响。因此开展泉涌条件下隧道开挖面稳定性模型试验对于隧道建设过程中泉涌的预防与治理具有极其重要的意义。

目前，关于盾构隧道开挖面稳定性研究多基于干土试验条件或静水条件下进行，对泉涌条件下的盾构开挖面稳定性尚无系统性研究。在此背景下，提出了一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置及方法，通过该方法开展在泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性的模型试验，从而研究泉涌条件下隧道开挖面失稳时水土压力的变化情况及破坏机理。

发明内容

本发明提出一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置及方法，通过泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性的模型试验，研究泉涌条件下隧道开挖面失稳机理，准确地对隧道失稳过程中上覆水土压力及隧道开挖面水土压力的变化情况进行量化分析。

为了实现以上目标，本发明的技术方案如下：一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，组成构件包括模型箱、隧道开挖面模块、水循环模块及数据采集模块，组成构件的结构和连接方式为：

所述模型箱为立方体，正面为观测面板，观测面板上通过螺栓连接隧道模型；

所述的隧道开挖面模块包括隧道模型、伺服电机、钢支架、传动杆、直线轴承、拉压传感器以及开挖面板，所述隧道模型为一不锈钢半圆弧形钢管，通过上下两个矩形钢条、半圆弧形固定钢条、弹性垫块及螺栓将隧道模型与模型箱固定；所述伺服电机通过钢支架固定在模型箱侧面钢板上，所述传动杆水平放置并穿过直线轴承与拉压传感器相连；所述直线轴承位于隧道模型中部，起到固定传动杆运动方向、提高开挖面板移动位移精度的作用；所述拉压传感器位于隧道模型内部与传动杆和开挖面板相连；所述开挖面板通过螺栓将半圆弧形不锈钢块、防水密封垫、半圆弧形不锈钢板连接组成，开挖面板外轮廓尺寸与隧道模型内径相同；所述防水密封垫起到防止试验过程中渗漏的作用；

所述的水循环模块由泉涌系统、给排水系统组成；所述泉涌系统由控制水箱与多根泉涌导管通过PVC软管连接组成，各个控制水箱出水口处安装有电磁控制阀，通过泉涌控制柜独立设定相应的水头高度；所述给排水系统由排水钢管、透水石、排水阀门、流量计、外接水箱、水泵和PVC软管组成，所述排水钢管一端固定在模型箱侧面钢板上与隧道模型中心水平对齐；所述透水石内置于排水管进水段；所述排水阀门用于控制模型箱内的水位高度使之稳定在试验设计高度；所述流量计用于判断渗流场的稳定性；所述外接水箱位于模型箱流体出口处，用于形成稳定的渗流场；

所述的数据采集模块包括工业相机、拉压传感器、土压力盒、孔压传感器；所述工业相机设置在观测面板正前方，用于记录试验过程；所述拉压传感器位于隧道模型内部与传动杆和开挖面板相连并监测开挖面的支护力数值；所述土压力盒与孔压传感器应根据试验要求安装至相应位置。

所述模型箱观测面板为厚度不小于6mm钢化玻璃板，侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板。

所述不锈钢半圆弧形钢管管壁厚12mm，外壁镀锌。

所述泉涌导管为亚克力管，泉涌位置可通过泉涌导管的布置进行设定。

所述排水钢管是直径5cm的圆形钢管。

所述水泵的扬程为4.6m，流量为10L/min。

所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)将本装置固定于整洁水平的场地，按照固定位置安装并清理试验装置，在模型箱底板上粘贴一层薄膜，将透水石固定于排水钢管模型箱内侧端，将进水孔和排水孔均覆盖一层滤纸，将控制水箱与泉涌控制柜安置于升降架的承台上；

(2)根据试验要求将所述土压力盒、孔压传感器安装在相应位置，将拉压传感器、孔压传感器及土压力盒的导线连接数据采集仪并平衡及清除零点；

(3)将泉涌导管固定在相应的位置，以控制泉涌的位置、方向；

(4)采用砂雨法分层填筑试验土样至试验所需高度，试验土样为砂土，填筑每层试验土样时，砂雨装置漏斗口与试验土样顶面的距离相同；

(5)通过PVC软管将泉涌导管的进水孔与控制水箱相连，通过控制水箱向模型箱内注水至试验所需水位，以满足试验要求；

(6)通过PVC软管将外接水箱、水泵、控制水箱依次相连，各个电磁控制阀通过泉涌控制柜设定各个泉涌导管的水流量，以满足试验设计泉涌水头高度，再打开水泵及调节各个阀门，调整试验模型箱水位至预设高度，当控制水箱的水位面、模型箱内水位面和模型箱出口处的流量计读数都维持稳定时，说明水循环系统已达到试验要求；

(7)模拟盾构隧道开挖面失稳，通过孔压传感器、土压力盒、拉压传感器分别监测盾构隧道前方土压力、孔隙水压力变化、掌子面压力，通过工业相机记录试验过程，从而得到隧道开挖面失稳过程中隧道前方土压力、孔隙水压力的分布规律及土体破坏模式；

(8)更换土样，模型箱水位、泉涌水头、泉涌方向及泉涌位置，重复步骤(2)至(8)，研究不同泉涌条件对盾构隧道开挖面稳定性的影响。

所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的试验方法，步骤(1)所述升降架的承台可在一定范围内调节高度。

所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的试验方法，步骤(7)所述的模拟盾构隧道开挖面失稳过程是通过伺服电机控制开挖面板匀速移动实现，当开挖面板位移达到预设位移时，关闭伺服电机、水泵及各处阀门。

与现有的盾构隧道开挖面失稳破坏试验装置相比，本发明具有以下有益效果：

(1)开挖面控制系统可精确控制隧道开挖面位移，通过隧道开挖面的前进模拟实际工程中的欠挖，通过隧道开挖面的后退模拟实际工程中的超挖。

(2)可模拟开挖面附近的泉涌，其中泉涌的水头、位置、方向可根据试验方案进行改变，且泉涌的水头最大可施加至10倍隧道模型直径的高度。

(3)通过位移控制法模拟盾构隧道开挖面失稳破坏过程，获得开挖面支护力与土体变形的关系，为研究支护力变化与土体的关联性提供试验数据。

(4)与现场试验相比，本试验装置可根据试验方案模拟泉涌水头高度、泉涌位置、泉涌方向、土体性质、埋深比等因素对隧道开挖面稳定性的影响。

本发明首次通过开展多种泉涌工况下盾构隧道开挖面失稳模型试验，揭示泉涌对土体破坏模式及土拱松动区土压力分布的影响规律，丰富了盾构隧道开挖面所受水土荷载的研究。具有显著的科研价值与工程价值，可为科研和施工单位提供泉涌条件下盾构隧道开挖面失稳破坏规律研究的新手段。

附图说明

图1是本发明所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的结构原理示意图。

图2是本发明所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的模型试验装置箱体侧视图。

图3是本发明所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的模型试验装置箱体俯视图。

图4是图1的隧道模型局部放大图。

图5是图1的控制水箱主视图。

图6是图1的控制水箱侧视图。

图7是图1的控制水箱俯视图。

图8是本发明所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的操作流程示意图。

图中标记为：1-模型箱，2-钢化玻璃板，3-隧道模型，4-伺服电机，5-钢支架，6-传动杆，7-直线轴承，8-拉压传感器，9-开挖面板，10-矩形限位钢条，11-半圆弧形固定钢条，12-弹性垫块，13-螺栓，14-半圆弧形不锈钢块，15-防水密封垫，16-半圆弧形不锈钢板，17-控制水箱，18-泉涌导管，19-PVC软管，20-进水孔阀门，21-出水口导管，22-泉涌控制柜，23-电磁控制阀，24-排水钢管，25-透水石，26-排水阀门，27-流量计，28-外接水箱，29-水泵，30-工业相机，31-土压力盒，32-孔压传感器，33-升降架，34-承台，35-水位面，36-土体。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，包括模型箱1、隧道开挖面模块、水循环模块及数据采集模块。

如图2、图3所示，所述模型箱1为立方体，测面板上通过螺栓13连接隧道模型3，所述模型箱1观测面板为厚度不小于6mm钢化玻璃板2，侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板。

所述隧道开挖面模块包括隧道模型3、伺服电机4、钢支架5、传动杆6、直线轴承7、拉压传感器8以及开挖面板9。所述隧道模型3为一不锈钢半圆弧形钢管，所述不锈钢半圆弧形钢管壁厚为12mm，外壁镀锌，通过上下两个矩形限位钢条10、半圆弧形固定钢条11、弹性垫块12及螺栓13将隧道模型3与模型箱1固定；隧道模型3如图4所示。所述伺服电机4通过钢支架5固定在模型箱1侧面钢板上；所述传动杆6水平放置穿过直线轴承7与拉压传感器8相连；所述直线轴承7位于隧道模型3中部，起到固定传动杆6运动方向、提高开挖面板9移动位移精度的作用；所述拉压传感器8位于隧道模型3内部与传动杆6和开挖面板9相连；所述开挖面板9是通过螺栓13将半圆弧形不锈钢块14、防水密封垫15、半圆弧形不锈钢板16连接组成的，开挖面板9外轮廓尺寸与隧道模型3内径相同；所述防水密封垫15用以防止试验过程中的渗漏。

所述水循环模块由泉涌系统、给排水系统组成；所述泉涌系统由控制水箱17与多根泉涌导管18通过PVC软管19连接组成，各个控制水箱17出水口处安装有电磁控制阀23，通过泉涌控制柜22独立设定相应的水头高度，控制水箱17如图5至图7所示；所述泉涌导管18为亚克力管，通过泉涌导管18的布置设定泉涌位置；所述给排水系统由排水钢管24、透水石25、排水阀门26、流量计27、外接水箱28、水泵29和PVC软管19组成，所述排水钢管24是直径5cm的圆形钢管，所述排水钢管一端固定在模型箱1侧面钢板上与隧道模型3中心水平对齐；所述透水石25内置于排水管进水段；所述排水阀门26用于控制模型箱1内的水位高度稳定在试验要求的高度；所述流量计27用于判断渗流场的稳定性；所述外接水箱28位于模型箱1流体出口处，用于形成稳定持续的渗流场；所述水泵29的扬程为4.6m，流量为10L/min。

所述数据采集模块包括工业相机30、拉压传感器8、土压力盒31、孔压传感器32；所述工业相机30设置在观测面板正前方，用于记录试验过程；所述拉压传感器位于隧道模型3内部与传动杆6和开挖面板9相连并监测开挖面的支护力数值；所述土压力盒31与孔压传感器32应根据试验要求安装至相应位置。

实施例2

如图8所示，本发明所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验方法，包括以下步骤：

(1)整理场地：将本装置固定于整洁水平的场地，按照固定位置安装并清理试验装置，在模型箱1底板上粘贴一层薄膜，将透水石25固定于排水钢管24模型箱1内侧端，将进水孔和排水孔均覆盖一层滤纸，将控制水箱17与泉涌控制柜22安置于升降架33的承台34上。

(2)安置传感器：根据试验方案要求在研究点的相应位置安放孔压传感器32及土压力盒31，并将拉压传感器8、孔压传感器32及土压力盒31的导线连接数据采集仪并平衡及清除零点。

(3)固定泉涌导管18：将泉涌导管18与控制水箱出水口导管21通过PVC软管19连接，并在此设置有电磁控制阀23通过泉涌控制柜22各个泉涌导管18的水流量，以达到试验方案要求的泉涌水头高度，再根据试验要求将泉涌导管18固定在相应位置。

(4)填筑试验土样：所述试验土样为砂土时，将标准砂放入砂雨漏斗中，采用砂雨法以每层50mm为一层，分层填筑试验土样至试验所需高度，并保证填筑每层土样时，砂雨装置漏斗口距土样顶面的距离相同，从而保证试验土样各层的密实度及表观重度相同。

(5)土样饱和：通过PVC软管19将外接水箱28、水泵29、控制水箱17进水孔处阀门、控制水箱17依次相连，通过控制水箱17向模型箱1内注水至试验所需水位面35，从而达到试验要求。

(6)形成泉涌：通过承台34架调整控制水箱17的高度至试验要求的水头高度，并通过调节控制水箱17的进水孔阀门20使控制水箱17处的水位面35保持稳定以达到稳定泉涌水头高度，通过调整出水口阀门控制模型箱1内的水位高度稳定在试验要求的高度；当控制水箱17的水位面35、模型箱1内水位面35和模型箱1出口处的流量计27读数都维持稳定时，说明水循环系统已维持稳定并达到试验要求。

(7)试验开始并收集数据：在观测面板正前方2m处架设工业相机30；通过调整电机转速为0.1mm/min模拟盾构隧道开挖面失稳，每个增量步为0.05mm，每个增量步采集一次试验数据；与此同时，通过工业相机30以每10秒一次的频率拍摄试验过程中土体36变形照片；当开挖面板9位移达到试验预设位移时即可以停止试验，关闭水泵29以及控制水箱17出水口处电磁控制阀23。

(8)试验结束，清理模型箱：在保存好数据后，取出模型箱1土体36内土样及传感器，清除试验土体36，拆除泉涌导管18并进行清洁；通过控制器将开挖面板9移动至试验前的位置，整理所得的数据与之前不同试验工况的数据进行对比，从而研究泉涌对隧道开挖过程中水土压力的影响；最后依据试验方案改变土样、覆土高度、模型箱水位、泉涌水头、泉涌方向及泉涌位置，重复步骤(2)至(8)，探究不同泉涌工况对盾构隧道上覆土体36土拱效应及水土压力分布的影响。

本发明可通过更换土样、模型箱水位、泉涌水头、泉涌方向及泉涌位置，测量不同泉涌工况下，盾构隧道开挖面附近的水土压力分布，进而通过总压力减去孔隙水压力，得到盾构隧道开挖面有效土压力分布。通过绘制试验过程中不同位置有效土压力的变化图，对比其与初始静止有效土压力直线的关系，可以判断各测点位置土拱效应发挥情况以及泉涌对隧道开挖面稳定性的影响。此外，通过辅助软件对工业相机所拍摄试验过程中土体36照片进行对比分析，可以绘制出盾构隧道开挖面失稳过程中，土体36位移场、应变场的变化情况，从而得到泉涌条件下土体36破坏机理。

本发明首次通过开展多种泉涌工况下盾构隧道开挖面失稳模型试验，揭示泉涌对土体36破坏模式及土拱松动区水土压力分布的影响规律，丰富了盾构隧道开挖面所受水土荷载的研究。

本发明的技术方案已经结合附图所示的实施方式进行了描述，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，组成构件包括模型箱、隧道开挖面模块、水循环模块及数据采集模块，其特征在于，组成构件的结构和连接方式为：

所述模型箱为立方体，正面为观测面板，观测面板上通过螺栓连接隧道模型；

所述的隧道开挖面模块包括隧道模型、伺服电机、钢支架、传动杆、直线轴承、拉压传感器以及开挖面板，所述隧道模型为一不锈钢半圆弧形钢管，通过上下两个矩形钢条、半圆弧形固定钢条、弹性垫块及螺栓将隧道模型与模型箱固定；所述伺服电机通过钢支架固定在模型箱侧面钢板上，所述传动杆水平放置并穿过直线轴承与拉压传感器相连；所述直线轴承位于隧道模型中部，起到固定传动杆运动方向、提高开挖面板移动位移精度的作用；所述拉压传感器位于隧道模型内部与传动杆和开挖面板相连，所述开挖面板通过螺栓将半圆弧形不锈钢块、防水密封垫、半圆弧形不锈钢板连接组成；

所述的水循环模块由泉涌系统、给排水系统组成；所述泉涌系统由控制水箱与多根泉涌导管通过PVC软管连接组成，各个控制水箱出水口处安装有电磁控制阀，通过泉涌控制柜独立设定相应的水头高度，所述给排水系统由排水钢管、透水石、排水阀门、流量计、外接水箱、水泵和PVC软管组成，所述排水钢管一端固定在模型箱侧面钢板上与隧道模型中心水平对齐；所述透水石内置于排水管进水段，所述排水阀门用于控制模型箱内的水位高度使之稳定在试验设计高度，所述流量计用于判断渗流场的稳定性，所述外接水箱位于模型箱流体出口处，用于形成稳定的渗流场；

所述的数据采集模块包括工业相机、拉压传感器、土压力盒以及孔压传感器，所述工业相机设置在观测面板正前方，用于记录试验过程，所述拉压传感器位于隧道模型内部与传动杆和开挖面板相连并监测开挖面的支护力数值，所述土压力盒与孔压传感器根据试验要求安装在相应位置。

2.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，其特征在于，所述模型箱观测面板为厚度不小于6mm钢化玻璃板，侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板。

3.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，其特征在于，所述不锈钢半圆弧形钢管管壁厚12mm，外壁镀锌。

4.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，其特征在于，所述泉涌导管为亚克力管，泉涌位置可通过泉涌导管的布置进行设定。

5.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，其特征在于，所述排水钢管是直径5cm的圆形钢管。

6.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，其特征在于，所述水泵的扬程为4.6m，流量为10L/min。

7.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置，其特征在于，开挖面板外轮廓尺寸与隧道模型内径相同。

8.根据权利要求1所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将本装置固定于整洁水平的场地，按照固定位置安装并清理试验装置，在模型箱底板上粘贴一层薄膜，将透水石固定于排水钢管模型箱内侧端，将进水孔和排水孔均覆盖一层滤纸，将控制水箱与泉涌控制柜安置于升降架的承台上；

(2)根据试验要求将所述土压力盒、孔压传感器安装在相应位置，将拉压传感器、孔压传感器及土压力盒的导线连接数据采集仪并平衡及清除零点；

(3)将泉涌导管固定在相应的位置，以控制泉涌的位置、方向；

(4)采用砂雨法分层填筑试验土样至试验所需高度，试验土样为砂土，填筑每层试验土样时，砂雨装置漏斗口与试验土样顶面的距离相同；

(5)通过PVC软管将泉涌导管的进水孔与控制水箱相连，通过控制水箱向模型箱内注水至试验所需水位，以满足试验要求；

(6)通过PVC软管将外接水箱、水泵、控制水箱依次相连，各个电磁控制阀通过泉涌控制柜设定各个泉涌导管的水流量，以满足试验设计泉涌水头高度，再打开水泵及调节各个阀门，调整试验模型箱水位至预设高度，当控制水箱的水位面、模型箱内水位面和模型箱出口处的流量计读数都维持稳定时，说明水循环系统已达到试验要求；

(7)模拟盾构隧道开挖面失稳，通过孔压传感器、土压力盒、拉压传感器分别监测盾构隧道前方土压力、孔隙水压力变化、掌子面压力，通过工业相机记录试验过程，从而得到隧道开挖面失稳过程中隧道前方土压力、孔隙水压力的分布规律及土体破坏模式；

(8)更换土样，模型箱水位、泉涌水头、泉涌方向及泉涌位置，重复步骤(2)至(8)，研究不同泉涌条件对盾构隧道开挖面稳定性的影响。

9.根据权利要求8所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(1)所述升降架的承台可在一定范围内调节高度。

10.根据权利要求8所述的泉涌条件下盾构隧道开挖面稳定性试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(7)所述的模拟盾构隧道开挖面失稳过程是通过伺服电机控制开挖面板匀速移动实现，当开挖面板位移达到预设位移时，关闭伺服电机、水泵及各处阀门。