CN113804857A - 基于二维颗粒的多圆盾构隧道开挖模型试验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于二维颗粒的多圆盾构隧道开挖模型试验装置及使用方法，该多圆盾构隧道开挖模型试验装置包括二维颗粒容器、隧道模拟装置、多个二维颗粒,二维颗粒容器包括前板、后板、两个直尺、支座垫块，支座垫块上分别安装有前板、后板，两个直尺分别夹在前板、后板之间，且位于前板、后板两侧，前板、后板、两个直尺、支座垫块共同构成近似二维平面的容器，容器用于放置二维颗粒；后板上设有金属板，金属板内部设有孔洞，隧道模拟装置通过在孔洞伸入容器内。本发明的有益效果是：本发明利用类似于套筒的方式模拟多圆隧道开挖过程中的地层损失，改变套筒的内外形状即可改变试验过程中多圆隧道收缩的方式，试验更直观，结论更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及工程技术领域，尤其涉及一种基于二维颗粒的多圆盾构隧道开挖模型试验装置及使用方法。
背景技术
现有的研究盾构隧道开挖后地层损失率和地层变形两者间关系的试验装置大部分以砂土试验模型箱为主。模型箱内砂土通过撒砂装置等撒入，内埋隧道模拟装置，以模拟隧道在砂土内的掘进，再利用监测系统对箱内砂土进行监测和数据分析，例如以下两种砂土试验模型箱装置。
郑刚在《不同埋深下盾构隧道开挖及补偿注浆对地表隆沉变化影响的室内试验》论文中开展了一种二维模型试验，以探究砂土中不同埋深下盾构隧道开挖及补偿注浆对地表沉降变化的影响规律。此试验采取砂土模型试验箱，其中砂土采用天津大学自主研制的自动撒砂平台撒砂模拟。其中盾构隧道采用机械式装置模拟，隧道由一圈围成圆形的隧道铝片组成，隧道铝片外包裹一圈橡皮膜，防止砂土落入隧道，铝片内设机械胀缩装置：丝杠上连接锥形锁芯，转动丝杠使锥形锁芯沿丝杠轴移动带动铝片内缩及外扩，可以精确控制平面隧道直径大小。即通过机械胀缩装置控制隧道铝片改变隧道直径从而到达模拟隧道开挖过程中的地层损失。为对土层变形进行研究，试验中布设了镭射激光位移传感器来监测地表沉降。
房倩在《盾构施工影响下砂土地层变形规律模型试验研究》论文为了研究盾构施工影响下隧道埋深、地层损失率、颗粒级配对砂土地层变形规律的影响，设计由试验模型箱、隧道开挖模拟装置以及非接触试验监测系统组成的模型试验系统，利用该试验系统对10种试验工况进行研究，试验所用材料为完全烘干的砂土。其中隧道开挖模拟装置可以精确控制地层损失率的，此装置内部整体构造为一小型传动装置。通过内部传动机构，多圆圆筒可以实现均匀收缩以模拟地层损失前后的隧道直径，钢板筒构造可用于模拟隧道支护结构。
但以往试验装置的研究重点在于单圆盾构隧道，其中试验的隧道装置均不能对多圆盾构的隧道收缩进行较好的模拟；并且以往的试验中砂土的模拟采用的是真实的砂土并进行撒砂达到试验要求的砂土，虽然一定程度上贴近了工程实际但是试验步骤繁琐且仍然局限在了三维空间，不能完全做到二维平面上的模拟。
发明内容
本发明提供了一种基于二维颗粒的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，包括二维颗粒容器、隧道模拟装置、多个二维颗粒,所述二维颗粒容器包括前板、后板、两个直尺、支座垫块，所述支座垫块上分别安装有所述前板、所述后板，所述两个直尺分别夹在所述前板、所述后板之间，且位于所述前板、所述后板两侧，所述前板、所述后板、两个所述直尺、所述支座垫块共同构成近似二维平面的容器，所述容器用于放置所述二维颗粒；所述后板上设有金属板，所述金属板内部设有孔洞，所述隧道模拟装置通过在所述孔洞伸入所述容器内。
作为本发明的进一步改进，所述隧道模拟装置包括金属环、外筒、内筒，所述外筒嵌套于所述内筒上，所述外筒比所述内筒长，且所述外筒可在所述内筒上进行前后移动；所述金属环的外直径与所述内筒的外直径一致，当嵌套有所述内筒的所述外筒安装在所述金属板上的所述孔洞内时，所述金属环能放入所述外筒内并且能落入所述二维颗粒容器内。
作为本发明的进一步改进，所述隧道模拟装置包括支架，所述内筒固定在所述支架上。
作为本发明的进一步改进，所述外筒比所述内筒长1.2mm，且所述外筒在所述内筒上进行前后移动的可移动范围为1.2mm以内；所述金属环的轴向厚度为1mm；所述外筒为木质空心多圆圆筒，所述内筒为木质实心多圆圆筒，所述金属环为铁环。
作为本发明的进一步改进，所述二维颗粒由多种不同形状颗粒混合而成，多种不同形状颗粒均以标准1.0mm厚铝合金板为材料，采用线切割技术加工制作，各种颗粒厚度均为1.0mm；所述二维颗粒容器还包括背部挡片，所述背部挡片安装在所述后板上以固定住所述金属板。
作为本发明的进一步改进，所述金属板为可拆卸金属板。
作为本发明的进一步改进，所述金属板内部设有的所述孔洞形状有双圆形状、三圆形状、类矩形的椭圆形状。
作为本发明的进一步改进，所述前板为玻璃前板，所述后板、所述直尺为铁材料制成，所述前板、所述后板的平面尺寸为长1000mm*宽520mm，所述直尺厚度为1.2mm。
作为本发明的进一步改进，该多圆盾构隧道开挖模型试验装置还包括相机控制系统、摄像机，所述相机控制系统与所述摄像机相连。
本发明公开了一种所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置的使用方法，包括依次执行以下步骤：
步骤1：隧道下方土体制样；将所述二维颗粒均匀缓慢倒入所述后板与所述前板间，直至所述二维颗粒到达所述孔洞下边缘，注意保持所述后板与所述前板间有一层所述二维颗粒，所述二维颗粒面积最大的两面需与所述前板和后板平行贴紧。
步骤2：隧道结构安装；将所述外筒套于所述内筒上，在所述外筒超出所述内筒的空余部分放置所述金属环；在保持以上结构相对静止的情况下，将固定所述内筒的所述支架向固定所述前板的支架移动，直至所述外筒嵌入所述后板的所述孔洞中且贴紧所述前板。
步骤3：隧道结构周围土体制样；为保证结构周围被所述二维颗粒均匀填充，分批次将所述二维颗粒均匀缓慢倒入所述后板与所述前板间，直至所述二维颗粒填满所述孔洞上边缘，注意保持所述后板与所述前板间有一层所述二维颗粒，所述二维颗粒面积最大的两面与所述前板平行贴紧。
步骤4：隧道结构上方土体制样；将所述二维颗粒均匀缓慢倒入所述前板间至指定高度，注意保持所述后板与所述前板间有一层所述二维颗粒，所述二维颗粒面积最大的两面与所述前板后板平行贴紧。
步骤5：静置多圆盾构隧道开挖模型试验装置，直至所述二维颗粒和隧道结构稳定，不再产生位移。
步骤6：利用所述摄像机拍摄记录所述二维颗粒的分布，包括所述二维颗粒覆盖的的区域、隧道结构以及所述二维颗粒容器两侧的所述直尺刻度。
步骤7：从所述后板后方，缓慢轻微地将所述外筒从所述孔洞中抽离，直至所述金属环脱离所述外筒且所述外筒与所述内筒恰好平齐契合；所述内筒及所述外筒的侧面与所述后板接触所述二维颗粒的一面保持在同一平面，以防止所述二维颗粒在所述外筒抽出时一同被带出。
步骤8：静置多圆盾构隧道开挖模型试验装置，直至所述二维颗粒和所述金属环稳定且不再产生位移。
步骤9：再次利用所述摄像机拍摄记录所述二维颗粒的分布，包括所述二维颗粒覆盖的的区域、隧道结构以及所述二维颗粒容器两侧的直尺刻度。
步骤10：分析处理所述外筒抽取前后的照片记录，对比研究所述二维颗粒的运动轨迹。
本发明的有益效果是：本发明的多圆盾构隧道开挖模型试验装置利用类似于套筒的方式模拟多圆隧道开挖过程中的地层损失，改变套筒的内外形状即可改变试验过程中多圆隧道收缩的方式，试验更直观，结论更可靠。
附图说明
图1是本发明二维颗粒容器结构图；
图2是本发明整体结构侧视图；
图3是本发明二维颗粒容器前视图；
图4是本发明二维颗粒容器后视图；
图5是本发明隧道模拟装置-双圆隧道结构均匀收缩后视图(金属环为双圆环)；
图6是本发明隧道模拟装置-双圆隧道结构均匀收缩前视图(金属环为双圆环)；
图7是本发明隧道模拟装置-双圆隧道结构不均匀收缩后视图(金属环为双圆环)；
图8是本发明隧道模拟装置-双圆隧道结构不均匀收缩前视图(金属环为双圆环)；
图9是本发明隧道模拟装置-三圆隧道结构后视图(金属环为三圆环)；
图10是本发明隧道模拟装置-三圆隧道结构前视图(金属环为三圆环)；
图11是本发明隧道模拟装置-类矩形隧道结构后视图(金属环为类矩形)；
图12是本发明隧道模拟装置-类矩形隧道结构前视图(金属环为类矩形)；
图13是本发明金属板-三圆面板结构图；
图14是本发明金属板-类矩形面板结构图；
图15是本发明多圆盾构隧道开挖模型试验装置试验前结构图；
图16是本发明多圆盾构隧道开挖模型试验装置试验后结构图；
图17是本发明多圆盾构隧道开挖模型试验装置-双圆隧道均匀收缩试验前的前视图；
图18是本发明多圆盾构隧道开挖模型试验装置-双圆隧道均匀收缩试验后的前视图；
图19a、19b、19c、19d、19e、19f是本发明二维颗粒结构图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于二维颗粒的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，该多圆盾构隧道开挖模型试验装置由两个主体构成，主体一是模拟被开挖土体的二维颗粒，主体二是模拟开挖过程中的隧道结构，即隧道模拟装置。其中主体一是盛有多个二维颗粒8的二维颗粒容器，主要由前板6、后板7、直尺5等构成，通过直尺5的厚度控制前板6与后板7的间距；主体二是通过螺栓固定的实心多圆圆筒，主要由内筒11、外筒10、金属环9等构成，金属环9与内筒11置于外筒10中，外筒10套于内筒11上且可以前后移动。
主体一：利用前板6、后板7、两侧的直尺5以及底部的支座垫块3(铁块)构成一个近似二维平面的容器盛放二维颗粒。两侧直尺5厚度仅有1.2mm，直尺5夹在前板6和后板7之中以保证两板间的间距足够小；当前板6和后板7面积足够大时，可近似将上述构成的空间看作为一个二维平面。本发明二维颗粒容器中平行于前板6的平面尺寸为长1000mm*宽520mm，二维颗粒容器内前后面板的垂直间距仅1.2mm，平面尺寸远大于垂直间距，因此可将此装置视为二维平面装置，该多圆盾构隧道开挖模型试验装置盛有二维颗粒时，即模拟二维下隧道结构即将通过的土层。在后板7中有一矩形的可拆卸活动金属板12，金属板12中心有孔洞120，主体二中的隧道结构通过孔洞120并进入二维颗粒容器。通过设计若干块孔洞120形状大小不等的金属板12，可更换活动金属板12以实现不同隧道结构通过容器的目的，即模拟二维下形状大小不同的隧道通过土层。
主体二：利用支架、螺栓、外筒10(木质空心多圆圆筒)、内筒11(木质实心多圆圆筒)、金属环9构成一个可以改变直径的隧道结构。利用螺栓将内筒11固定在支架14上，保证内筒11的形状和中心高度与二维颗粒容器的后板7上活动金属板12的孔洞120形状和中心高度一致。外筒10嵌套于内筒11上且比内筒11长1.2mm，外筒10壁厚较薄，外筒10可在内筒11上移动，移动范围为1.2mm内。金属环9的外直径与内筒11外直径保持一致，轴向厚度1mm，以便金属环9可以放入外筒10内并且可以落入二维颗粒容器内。初始状态时，外筒10套于内筒11之上，两者一齐通过二维颗粒容器中活动金属板12的孔洞120伸入二维颗粒容器内，外筒10紧贴在前板6，而内筒11与后板7并齐，即外筒10比内筒11多伸出1.2mm，在这余出的空间内放置金属环9，此时隧道结构在土层中的直径，即为处于二维颗粒8中的外筒10的直径。为模拟二维隧道开挖时的地层损失，通过隧道截面面积收缩的方法来体现开挖时的地层损失。将外筒10后撤1.2mm与内筒11并齐，此时外筒10中的金属环9脱出落入铝制颗粒中，隧道结构在土层中的直径变为圆环的直径，隧道面积发生收缩，从而模拟地层损失。
所述金属环9为铁环。所述前板6为玻璃前板，所述后板7、所述直尺5为铁材料制成。
金属板12的形状：金属板12内的孔洞有双圆、三圆、类矩形的椭圆形状三类形状，也可以设置其他工程中常应用的盾构机形状，以便研究隧道不同开挖形状对地层扰动的影响。
内筒11与外筒10的形状：外筒10的外部形状与金属板12的孔洞120形状大小保持一致，外筒10内部形状和内筒11形状保持一致，以便内筒10与外筒11能通过孔洞120且堵住孔洞120。一般来说，内筒11与外筒10形状大小不同、中心重合，这样为模拟隧道截面均匀收缩，土层在隧道周围均匀损失；为进一步实际模拟隧道周围的土层损失，可以改变内筒11形状与外筒10内部形状以模拟隧道周围不均匀的地层损失。
二维颗粒8：试验所用颗粒由六种不同形状颗粒混合而成，六种不同形状颗粒均以标准1.0mm厚铝合金板为材料，采用线切割技术加工制作，各种颗粒厚度均为1.0mm，形状如图。可通过控制颗粒重量来控制颗粒表现在二维平面的面积，从而控制颗粒的孔隙比。
由孔隙比公式得，
在二维平面内，
故当面积为s的二维平面内砂的孔隙比为e时，需要平面内面积总和为
的颗粒，则颗粒总质量为：
h为颗粒的厚度，h＝1.0mm厚。
该多圆盾构隧道开挖模型试验装置还包括相机控制系统1、摄像机2，所述相机控制系统1与所述摄像机2相连。
本发明还公开了一种多圆盾构隧道开挖模型试验装置的使用方法，包括依次执行以下步骤：
步骤1：隧道下方土体制样；将所述二维颗粒8均匀缓慢倒入所述后板7与所述前板6间，直至所述二维颗粒8到达所述孔洞120下边缘，注意保持所述后板7与所述前板6间有且仅有一层所述二维颗粒8，所述二维颗粒8面积最大的两面需与所述前板6和后板7平行贴紧。
步骤2：隧道结构安装；将所述外筒10套于所述内筒11上，在所述外筒10超出所述内筒11的空余部分放置所述金属环9；在保持以上结构相对静止的情况下，将固定所述内筒11的所述支架向固定所述前板6的支架移动，直至所述外筒10嵌入所述后板7的所述孔洞120中且贴紧所述前板6。
步骤3：隧道结构周围土体制样；为保证结构周围被所述二维颗粒8均匀填充，分批次将所述二维颗粒8均匀缓慢倒入所述后板7与所述前板6间，直至所述二维颗粒8填满所述孔洞120上边缘，注意保持所述后板7与所述前板6间有且仅有一层所述二维颗粒8，所述二维颗粒8面积最大的两面与所述前板6和后板7平行贴紧。
步骤4：隧道结构上方土体制样；将所述二维颗粒8均匀缓慢倒入所述前板6间至指定高度，注意保持所述后板7与所述前板6间有且仅有一层所述二维颗粒8，所述二维颗粒8面积最大的两面与所述前板6和后板7平行贴紧。
步骤5：静置多圆盾构隧道开挖模型试验装置，直至所述二维颗粒8和隧道结构稳定，不再产生位移。
步骤6：利用所述摄像机2拍摄记录所述二维颗粒8的分布，包括所述二维颗粒8覆盖的的区域、隧道结构以及所述二维颗粒容器两侧的所述直尺5刻度。
步骤7：从所述后板7后方，缓慢轻微地将所述外筒10从所述孔洞120中抽离，直至所述金属环9脱离所述外筒10且所述外筒10与所述内筒11恰好平齐契合；所述内筒11及所述外筒10的侧面与所述后板7接触所述二维颗粒8的一面保持在同一平面，以防止所述二维颗粒8在所述外筒10且出时一同被带出。
步骤8：静置多圆盾构隧道开挖模型试验装置，直至所述二维颗粒8和所述金属环9稳定且不再产生位移。
步骤9：再次利用所述摄像机2拍摄记录所述二维颗粒8的分布，包括所述二维颗粒8覆盖的的区域、隧道结构以及所述二维颗粒容器两侧的直尺刻度。
步骤10：分析处理所述外筒10抽取前后的照片记录，对比研究所述二维颗粒8的运动轨迹。
本发明的有益效果：本发明的多圆盾构隧道开挖模型试验装置利用类似于套筒的方式模拟多圆隧道开挖过程中的地层损失，改变套筒的内外形状即可改变试验过程中多圆隧道收缩的方式，试验更直观，结论更可靠。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于二维颗粒的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：包括二维颗粒容器、隧道模拟装置、多个二维颗粒(8),所述二维颗粒容器包括前板(6)、后板(7)、两个直尺(5)、支座垫块(3)，所述支座垫块(3)上分别安装有所述前板(6)、所述后板(7)，所述两个直尺(5)分别夹在所述前板(6)、所述后板(7)之间，且位于所述前板(6)、所述后板(7)两侧，所述前板(6)、所述后板(7)、两个所述直尺(5)、所述支座垫块(3)共同构成近似二维平面的容器，所述容器用于放置所述二维颗粒(8)；所述后板(7)上设有金属板(12)，所述金属板(12)内部设有孔洞(120)，所述隧道模拟装置通过在所述孔洞(120)伸入所述容器内。
2.根据权利要求1所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述隧道模拟装置包括金属环(9)、外筒(10)、内筒(11)，所述外筒(10)嵌套于所述内筒(11)上，所述外筒(10)比所述内筒(11)长，且所述外筒(10)可在所述内筒(11)上进行前后移动；所述金属环(9)的外直径与所述内筒(11)的外直径一致，当嵌套有所述内筒(11)的所述外筒(10)安装在所述金属板(12)上的所述孔洞(120)内时，所述金属环(9)能放入所述外筒(10)内并且能落入所述二维颗粒容器内。
3.根据权利要求2所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述隧道模拟装置包括支架(14)，所述内筒(11)固定在所述支架(14)上。
4.根据权利要求2所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述外筒(10)比所述内筒(11)长1.2mm，且所述外筒(10)在所述内筒(11)上进行前后移动的可移动范围为1.2mm以内；所述金属环(9)的轴向厚度为1mm；所述外筒(10)为木质空心多圆圆筒，所述内筒(11)为木质实心多圆圆筒，所述金属环(9)为铁环。
5.根据权利要求1所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述二维颗粒(8)由多种不同形状颗粒混合而成，多种不同形状颗粒均以标准1.0mm厚铝合金板为材料，采用线切割技术加工制作，各种颗粒厚度均为1.0mm；所述二维颗粒容器还包括背部挡片(13)，所述背部挡片(13)安装在所述后板(7)上以固定所述金属板(12)。
6.根据权利要求1所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述金属板(12)为可拆卸金属板。
7.根据权利要求6所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述金属板(12)内部设有的所述孔洞(120)形状有双圆形状、三圆形状、类矩形的椭圆形状。
8.根据权利要求1所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：所述前板(6)为玻璃前板，所述后板(7)、所述直尺(5)为铁材料制成，所述前板(6)、所述后板(7)的平面尺寸为长1000mm*宽520mm，所述直尺(5)厚度为1.2mm。
9.根据权利要求1所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置，其特征在于：该多圆盾构隧道开挖模型试验装置还包括相机控制系统(1)、摄像机(2)，所述相机控制系统(1)与所述摄像机(2)相连。
10.一种权利要求1-9任一项所述的多圆盾构隧道开挖模型试验装置的使用方法，其特征在于，包括依次执行以下步骤：
步骤1：隧道下方土体制样；将所述二维颗粒(8)均匀缓慢倒入所述后板(7)与所述前板(6)间，直至所述二维颗粒(8)到达所述孔洞(120)下边缘，注意保持所述后板(7)与所述前板(6)间有一层所述二维颗粒(8)，所述二维颗粒(8)面积最大的两面需与所述前板(6)和后板(7)平行贴紧；
步骤2：隧道结构安装；将所述外筒(10)套于所述内筒(11)上，在所述外筒(10)超出所述内筒(11)的空余部分放置所述金属环(9)；在保持以上结构相对静止的情况下，将固定所述内筒(11)的所述支架向固定所述前板(6)的支架移动，直至所述外筒(10)嵌入所述后板(7)的所述孔洞(120)中且贴紧所述前板(6)；
步骤3：隧道结构周围土体制样；为保证结构周围被所述二维颗粒(8)均匀填充，分批次将所述二维颗粒(8)均匀缓慢倒入所述后板(7)与所述前板(6)间，直至所述二维颗粒(8)填满所述孔洞(120)上边缘，注意保持所述后板(7)与所述前板(6)间有一层所述二维颗粒(8)，所述二维颗粒(8)面积最大的两面与所述前板(6)和后板(7)平行贴紧；
步骤4：隧道结构上方土体制样；将所述二维颗粒(8)均匀缓慢倒入所述前板(6)间至指定高度，注意保持所述后板(7)与所述前板(6)间有一层所述二维颗粒(8)，所述二维颗粒(8)面积最大的两面与所述前板(6)平行贴紧；
步骤5：静置多圆盾构隧道开挖模型试验装置，直至所述二维颗粒(8)和隧道结构稳定，不再产生位移；
步骤6：利用所述摄像机(2)拍摄记录所述二维颗粒(8)的分布，包括所述二维颗粒(8)覆盖的的区域、隧道结构以及所述二维颗粒容器两侧的所述直尺(5)刻度；
步骤7：从所述后板(7)后方，缓慢轻微地将所述外筒(10)从所述孔洞(120)中抽离，直至所述金属环(9)脱离所述外筒(10)且所述外筒(10)与所述内筒(11)恰好平齐契合；所述内筒(11)及所述外筒(10)的侧面与所述后板(7)接触所述二维颗粒(8)的一面保持在同一平面，以防止所述二维颗粒(8)在所述外筒(10)抽出时一同被带出；
步骤8：静置多圆盾构隧道开挖模型试验装置，直至所述二维颗粒(8)和所述金属环(9)稳定且不再产生位移；
步骤9：再次利用所述摄像机(2)拍摄记录所述二维颗粒(8)的分布，包括所述二维颗粒(8)覆盖的的区域、隧道结构以及所述二维颗粒容器两侧的直尺刻度；
步骤10：分析处理所述外筒(10)抽取前后的照片记录，对比研究所述二维颗粒(8)的运动轨迹。
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