CN114295101B - 一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降连续试验的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降连续试验的装置和方法，该装置可任意拼接长度，根据实际试验目的的需求，可由两个及以上独立的子装置通过连接装置拼接形成目标装置。所述子装置包括钢框架、钢化玻璃观测板、槽钢、底部进水管，移动滑轮和连接装置。本发明实现多试验工况在单一变量下开展，减小工况间温差、操作等误差干扰，盾构隧道开挖对地表沉降影响的模型试验，提高试验结果的精确度；本发明探究盾构隧道开挖时地表沉降的变化规律，显著提高试验效率；本发明可控制进水量与排水量，可模拟砂土、黏土、砂砾土在饱和及非饱和状态下盾构隧道开挖对地层及地表土体变形的规律研究；有利于探讨盾构隧道开挖过程中土体的变形规律。

Description

一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降连续试验的装置和方法

技术领域

本发明是涉及隧道开挖地表沉降领域，特别是涉及一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的试验装置和方法。

背景技术

随着城市交通压力的逐渐增大，盾构法以其施工快、对地表影响小等优点广泛应用于城市地铁隧道的建设中。由于城市地质条件的复杂性，在不同的地层中进行盾构隧道的开挖不可避免。盾构开挖时不仅需要考虑不同开挖深度对地层及地表的影响，而且需要考虑到不同地质条件下盾构隧道开挖对地层及地表的影响。

为研究盾构隧道在不同地质条件下开挖对地层及地表的影响，可以采用理论方法、现场试验、数值试验和模型试验进行研究。然而，理论模型一般进行了大量的简化，可作为一般规律的探讨；现场试验由于时间、空间和资金的限制，难以开展；数值试验虽然成本较低，但由于参数众多，结果往往与工程现场情况差距较大；模型试验由于其成本较低，具有重现开挖过程和便于开挖过程中数据记录等优点，被广泛地应用于盾构隧道开挖研究。因此，采用合理的模型试验方法研究不同地质条件及埋深条件下地层和地表沉降问题显得尤为重要。

另外，在已有模型试验中，为对比研究不同条件下地层和地表的变形，通常需要先后进行几组不同工况的盾构开挖试验。比如：不同地质条件，不同的埋深等，在试验过程中一般需要在前一组试验完成后，重新填土进行下一组试验，试验周期长，耗费的人力物力大。其次，开挖装置长度单一及不可更改，同时每次盾构开挖时的参数及试验周围环境条件可能存在较大差异。因此，能够保证各工况模型试验在单一变量条件下进行，同时能够缩短试验周期，对于保证试验结果的准确性和提高试验效率显得尤为重要。本发明提出了一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的试验装置和方法，可同时进行单一变量下的两组及以上的试验，保证试验变量单一及其它试验因素相同，从而获得精确的试验结果，同时能显著地提高试验效率，缩短试验周期，节省人力物力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提供一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的试验装置和方法，用于快速开展单一变量下土体的盾构隧道开挖，并对开挖过程进行观测、记录和分析。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续试验装置，是可任意拼接长度的模型试验箱装置，根据实际试验目的的需求，可由两个及以上独立的子装置通过连接装置(6)拼接形成目标装置。

作为本发明的优选技术方案，所述子装置包括钢框架(1)，钢化玻璃观测板(2)，槽钢(3)，底部进水管(4)，移动滑轮(5)和连接装置(6)。槽钢(3)焊接在钢框架(1)上，为钢化玻璃观测板(2)的安装提供安装槽。钢化玻璃观测板(2)通过安装槽分别安装在钢框架(1)的两侧，形成四面包围的箱体结构。移动滑轮(5)安装在钢框架(1)的底部，便于模型箱位置的移动和调整。

作为本发明的优选技术方案，所述钢框架(1)构成盾构隧道开挖装置的主体结构；多个槽钢(3)，钢化玻璃观测板(2)安装在钢框架(1)上，并且通过钢框架(1)底部连接移动滑轮(5)进行移动和调整。

作为本发明的优选技术方案，所述钢化玻璃观测板(2)包括前后两块观测板，通过安装槽固定在钢框架(1)上，与钢框架(1)一起构成四面封闭上方开口箱体结构，同时透过钢化玻璃观测板(2)便于对试验过程进行观测和记录。

作为本发明的优选技术方案，所述槽钢(3)包括底部槽钢和侧面槽钢，通过焊接固定在钢框架(1)上，为后续的安装提供安装槽。

作为本发明的优选技术方案，所述底部进水管(4)通过焊接分别安装在钢框架(1)底板左右两部分，进水管两侧留有出水孔，可通过出水孔向土体加水直至达到饱和状态。

作为本发明的优选技术方案，所述移动滑轮(5)包括多个滑轮，通过焊接分别安装于钢框架底部的四个边角，便于钢框架(1)的移动和调整，同时避免了钢框架(1)沉重不易移动的缺点，可以根据场地需要对钢框架位置进行调整。

作为本发明的优选技术方案，所述连接螺栓(6)包括多个螺栓和螺栓杆，通过子装置两侧的螺栓孔将若干个独立的子结构连接在一起，形成最终试验所用的目标装置。

一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续装置试验方法，包括试验内容、监测方案，试验步骤和试验系统。

其试验内容旨在研究1倍，2倍和3倍盾构隧道直径埋深下，地层及地表土体的变形规律。

其监测方案包括：地表位移监测方案和地中位移监测方案。

其试验步骤包括：设备安装及填土阶段，开挖及记录阶段和设备拆除还原阶段。

实现该试验方法的的试验系统包括：地表位移计(7)和地中位移计(8)。试验方法中的监测内容包括土体的地表位移和地中位移。

地表位移计(7)布设地层表面，目的是用于监测地表土体的位移。地表位移监测方案包含5个纵向监测断面，分布在隧道中心线和中心线两侧：-1.5D，-0.5D，0，1D和2D所对应位置的面上；11个横向监测断面：分别位于2D，3D，4D，6D，7D，8D，9D，11D，12D，13D和14D所对应位置的面上；3个竖向监测断面：分别位于盾壳上方1D，2D和3D所对应的土体表面。D为隧道直径。

地中位移计(8)布设在地层中间，目的是用于监测地中土体的位移。地中位移监测方案包含5个纵向监测断面，分布在隧道中心线和中心线两侧：-2D，-1D，0，0.5D和1.5D所对应位置的面上；8个横向监测断面：分别位于6D，7D，8D，9D，11D，12D，13D和14D所对应位置的面上；2个竖向断面，分别位于盾壳上方1D和2D所对应位置的面上。D为隧道直径。

该试验方法包括以下试验步骤：

Step1：子装置1号、2号和3号通过连接装置快速拼接行成目标装置；

Step 2：子装置1号、2号和3号分别填土至规定高度并布设地中位移计和地表位移计，静置24h，读取并记录地中位移计和地表位移计的初始读数；

Step 3：首先使用盾构机开挖子装置1号，子装置1号开挖完成后静置24h，待监测仪器数据稳定后，读取并记录子装置1号内地中位移计和地表位移计的读数；

Step 4：开挖子装置2号，子装置2号开挖完成后静置24h，待监测仪器稳定数据后，读取并记录子装置2号内地中位移计和地表位移计的读数；

Step 5：首先开挖子装置3号，子装置3号开挖完成后静置24h，待监测仪器稳定数据后，读取并记录子装置3号内地中位移计和地表位移计的读数。

Step 6：目标装置拆除还原成3个子装置，放置原位，试验结束。

本发明的优点在于：

本发明提出了一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降连续试验的装置和方法，能够实现单一试验变量下盾构隧道的连续试验，研究盾构隧道开挖时地表沉降的变化规律。①本发明实现多试验工况在单一变量下开展，减小工况间温差、操作等误差干扰，盾构隧道开挖对地表沉降影响的模型试验，提高试验结果的精确度；②本发明采用了拼接装置，优化试验过程，可进行不间断的快速连续试验，探究盾构隧道开挖时地表沉降的变化规律，显著提高试验效率；③本发明便于拆卸和移动，解决了箱体结构笨重难以移动的问题，不永久占据试验用地，节省试验空间；④本发明可控制进水量与排水量，可模拟砂土、黏土、砂砾土在饱和及非饱和状态下盾构隧道开挖对地层及地表土体变形的规律研究；⑤本发明可透过钢化玻璃观测板，对试验过程进行实时观测和记录，有利于探讨盾构隧道开挖过程中土体的变形规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一实施例所提供的用于盾构隧道开挖可任意拼接长度的装置示意图。

图2是本发明一实施例中所提供的子装置和连接装置结构示意图。

图3是本发明一实施例中所提供的地表位移监测方案图。

图4是本发明一实施例中所提供的地中位移监测方案图。

图5是本发明一实施例中所提供的不同埋深下试验装置示意图。

图6是本发明一实施例中所提供的不同埋深下盾构隧道开挖试验流程图。

图中标号：

图1为目标装置：1到n分别代表n个子装置，通过螺栓连接成目标装置。

图2为子装置和连接装置：钢框架(1)；钢化玻璃观测板(2)；槽钢(3)；底部进水管(4)；移动滑轮(5)；连接装置(6)。

图3为不同埋深下盾构隧道开挖时，地表位移监测方案图。子装置1号地表位移计(7)的布设点位：X坐标为-1.5D，-0.5D，0，1D和2D；Y坐标为2D，3D和4D；Z坐标为0D，共布设11个地表位移计(8)。子装置2号地表位移计(7)的布设点位：X坐标为-1.5D，-0.5D，0，1D和2D；Y坐标为6D，7D，8D，9D；Z坐标为1D，共布设12个地表位移计(7)。子装置3号地表位移计(7)的布设点位：X坐标为-1.5D，-0.5D，0，1D和2D；Y坐标为11D，12D，13D，14D；Z坐标为2D，共布设12个地表位移计(7)。其中D为盾构隧道直径。

图4为不同埋深下盾构隧道开挖时，地中位移的监测方案图。采用3个子装置相连接，分别为子装置1号，子装置2号和子装置3号。(a)目标装置俯视图，(b)1-1剖面图，(c)2-2，3-3，4-4剖面图。子装置1号中由于覆土深度较浅，没有布设地中位移计(8)。子装置2号地中位移计(8)的布设点位：X坐标为-2D，-1D，0，0.5D和1.5D；Y坐标为6D，7D，8D，9D；Z坐标为0D，共布设12个地中位移计(8)。子装置3号地中位移计(8)的布设点位：X坐标为-2D，-1D，0，0.5D和1.5D；Y坐标为11D，12D，13D，14D；Z坐标为0和1D，共布设24个地中位移计(8)。其中D为盾构隧道直径。

图5为试验装置示意图，包括子装置1号，子装置2号，子装置3号和盾构机(9)。

图6为不同埋深盾构隧道开挖试验流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明一实施例中提供一种盾构隧道开挖可任意拼接长度的装置，包括子装置和连接螺栓两部分。每个子装置之间相互独立，可任意拼接。根据实际试验的目的，可通过连接螺栓拼接两个及以上的子装置快速组装形成目标装置。

参照图2，本发明一实施例中提供一种用于盾构隧道开挖的子装置和连接装置，包括钢框架(1)、钢化玻璃观测板(2)、槽钢(3)、底部进水管(4)、移动滑轮(5)和连接螺栓(6)。钢框架1以及槽钢3可采用钢材，钢化玻璃观测板(2)可采用高强度钢化玻璃，底部进水管(4)可采用钢制水管，底部滑轮(5)可采用高强度滑轮，连接螺栓(6)可采用高强度螺栓。钢框架(1)为装配式模型箱的主体，所述钢化玻璃观测板(2)包括两块高强度钢化玻璃，分别通过槽钢(3)安装在钢框架上，形成一个四面包围的闭水箱体结构。所述底部进水管(4)通过焊接连接在钢框架的底部，进水管体上留有进水孔可在试验中为土体提供进水。所述底部滑轮(5)包括四个移动滑轮通过焊接连接固定在钢框架底部钢板。所述连接装置(6)包括多个螺栓和螺栓杆，通过螺栓孔可快速连接两个及以上子装置。

参照图3，为本发明一实施例中采用3个子装置相连接，分别为模拟1倍隧道直径、2倍隧道直径和3倍隧道直径埋深下，盾构隧道开挖时地表位移监测方案图。子装置1号地表位移计(7)的布设点位：X坐标为-450mm，-150mm，0，300mm和600mm；Y坐标为600mm，900mm和1200mm；Z坐标为0，共布设11个地表位移计(8)。子装置2号地表位移计(7)的布设点位：X坐标为-450mm，-150mm，0，300mm和600mm；Y坐标为1800mm，2100mm，2400mm，2700mm；Z坐标为300mm，共布设12个地表位移计(7)。子装置3号地表位移计(7)的布设点位：X坐标为-450mm，-150mm，0，300mm和600mm；Y坐标为3300mm，3600mm，3900mm，4200mm；Z坐标为600mm，共布设12个地表位移计(7)。

参照图4，本发明一实施例中采用3个子装置相连接，分别为模拟1倍隧道直径、2倍隧道直径和3倍隧道直径埋深下，盾构隧道开挖时地中位移监测方案图。(a)目标装置俯视图，(b)1-1剖面图，(c)2-2，3-3，4-4剖面图。子装置1号中由于覆土深度较浅，没有布设地中位移计(8)。子装置2号地中位移计(8)的布设点位：X坐标为-600mm，-300mm，0，150mm和450mm；Y坐标为1800mm，2100mm，2400mm，2700mm；Z坐标为0，共布设12个地中位移计(8)。子装置3号地中位移计(8)的布设点位：X坐标为-600mm，-300mm，0，150mm和450mm；Y坐标为3300mm，3600mm，3900mm，4200mm；Z坐标为600mm；Z坐标为0和300mm，共布设24个地中位移计(8)。

参照图5，为本发明一实施例模拟不同埋深下盾构隧道开挖的试验装置图。

参照图6，为为本发明一实施例模拟不同埋深下盾构隧道开挖的试验流程图，结合试验过程，其试验步骤如下：

①子装置1号、2号和3号通过连接螺栓快速拼接行成目标装置；②子装置1号、2号和3号分别填土至规定高度并布设地中位移计和地表位移计，静置24h，读取并记录地中位移计和地表位移计的初始读数；③首先使用盾构机(9)开挖子装置1号，子装置1号开挖完成后静置24h，待监测仪器数据稳定后，读取子装置1号内地中位移计和地表位移计；④开挖子装置2号，子装置2号开挖完成后静置24h，待监测仪器数据稳定后，读取子装置2号内地中位移计和地表位移计；⑤首先开挖子装置3号，子装置3号开挖完成后静置24h，待监测仪器数据稳定后，读取子装置3号内地中位移计和地表位移计。⑥目标装置拆除还原成3个子装置，放置原位，试验结束。

本发明提出了一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降连续试验的装置和方法，能够实现单一试验变量下盾构隧道的连续试验，研究盾构隧道开挖时地表沉降的变化规律。本发明实现在单一变量下，开展盾构隧道开挖对地表沉降影响的模型试验，提高试验结果的精确度。本发明采用了拼接装置，优化试验过程，可进行不间断的快速连续试验，探究盾构隧道开挖时地表沉降的变化规律，显著提高试验效率。本发明便于拆卸和移动，解决了箱体结构笨重难以移动的问题，不永久占据试验用地，节省试验空间。本发明可控制进水量与排水量，可模拟砂土、黏土、砂砾土在饱和及非饱和状态下盾构隧道开挖对地层及地表土体变形的规律研究。本发明可透过钢化玻璃观测板，对试验过程进行实时观测和记录，有利于探讨盾构隧道开挖过程中土体的变形规律。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续装置试验方法，实现该方法的装置是任意拼接长度的模型试验箱装置，根据实际试验目的的需求，由两个及以上独立的子装置通过连接装置（6）拼接形成目标装置；

所述子装置包括钢框架（1）、钢化玻璃观测板（2）、槽钢（3）、底部进水管（4）、移动滑轮（5）和连接装置（6）；槽钢（3）焊接在钢框架（1）上，为钢化玻璃观测板（2）的安装提供安装槽；钢化玻璃观测板（2）通过安装槽分别安装在钢框架（1）的两侧，形成四面包围的箱体结构；移动滑轮（5）安装在钢框架（1）的底部，便于模型箱位置的移动和调整；所述底部进水管（4）通过焊接分别安装在钢框架（1）底板左右两部分，进水管两侧留有出水孔，通过出水孔向土体加水直至达到饱和状态；所述连接装置（6）包括多个螺栓和螺栓杆，通过子装置两侧的螺栓孔将若干个独立的子装置连接在一起；

其特征在于：包括试验内容、监测方案，试验步骤和试验系统；

试验内容旨在研究1倍、2倍和3倍盾构隧道直径埋深下，地层及地表土体的变形规律；

监测方案包括：地表位移监测方案和地中位移监测方案；

试验步骤包括：设备安装及填土阶段，开挖及记录阶段和设备拆除还原阶段；

实现该试验方法的试验系统包括：地表位移计（7）和地中位移计（8）；试验方法中的监测内容包括土体的地表位移和地中位移；

地表位移计（7）布设地层表面，用于监测地表土体的位移；地表位移监测方案包含5个纵向监测断面，分布在隧道中心线和中心线两侧：-1.5D，-0.5D，0，1D和2D所对应位置的面上；11个横向监测断面：分别位于2D，3D，4D，6D，7D，8D，9D，11D，12D，13D和14D所对应位置的面上；3个竖向监测断面：分别位于盾壳上方1D，2D和3D所对应的土体表面； D为隧道直径；

地中位移计（8）布设在地层中间，用于监测地中土体的位移；地中位移监测方案包含5个纵向监测断面，分布在隧道中心线和中心线两侧：-2D，-1D，0，0.5D和1.5D所对应位置的面上；8个横向监测断面：分别位于6D，7D，8D，9D，11D，12D，13D和14D所对应位置的面上； 2个竖向断面，分别位于盾壳上方1D和2D所对应位置的面上；D为隧道直径；

该试验方法包括以下试验步骤：

Step1：子装置1号、2号和3号通过连接装置快速拼接形成目标装置；

Step 2：子装置1号、2号和3号分别填土至规定高度并布设地中位移计和地表位移计，静置24h，读取并记录地中位移计和地表位移计的初始读数；

Step 3：首先使用盾构机开挖子装置1号，子装置1号开挖完成后静置24h，待监测仪器数据稳定后，读取并记录子装置1号内地中位移计和地表位移计的读数；

Step 4：开挖子装置2号，子装置2号开挖完成后静置24h，待监测仪器稳定数据后，读取并记录子装置2号内地中位移计和地表位移计的读数；

Step 5：开挖子装置3号，子装置3号开挖完成后静置24h，待监测仪器稳定数据后，读取并记录子装置3号内地中位移计和地表位移计的读数；

Step 6：目标装置拆除还原成3个子装置，放置原位，试验结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续装置试验方法，其特征在于：所述钢框架（1）构成盾构隧道开挖装置的主体结构；多个槽钢（3）、钢化玻璃观测板（2）安装在钢框架（1）上，并且通过钢框架（1）底部连接移动滑轮（5）进行移动和调整。

3.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续装置试验方法，其特征在于：所述钢化玻璃观测板（2）包括前后两块观测板，通过安装槽固定在钢框架（1）上，与钢框架（1）一起构成四面封闭上方开口箱体结构，同时透过钢化玻璃观测板（2）便于对试验过程进行观测和记录。

4.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续装置试验方法，其特征在于：所述槽钢（3）包括底部槽钢和侧面槽钢，通过焊接固定在钢框架（1）上，为后续安装提供安装槽。

5.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道开挖诱发地表沉降研究的连续装置试验方法，其特征在于：所述移动滑轮（5）包括多个滑轮，通过焊接分别安装于钢框架底部的四个边角，便于钢框架（1）的移动和调整，同时避免钢框架（1）沉重不易移动的缺点，根据场地需要对钢框架位置进行调整。