CN114386290A - 基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，首先制作地层相似材料模型；然后布设纵横向地表监测点；安装盾构机模型，进行盾构施工；盾构机模型采用双盾体模式；盾构施工过程中进行五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；最后根据监测的数据，进行变形信息处理，进而实现五维数据采集。本方案通过相似材料模拟技术对盾构施工引起的地表沉降效应进行物理模拟，以确定盾构施工引起地表沉降的步长效应以及时间效应，为揭示和分析盾构隧道施工造成地表沉降的空间、时间特性，确定地表沉降在盾构步长影响下以及时间效应影响下的演化规律提供技术支持。
Description
技术领域
本发明属于盾构模型技术领域，具体涉及一种盾构施工引起地表沉降“五维”空间效应相似模拟试验方法。
背景技术
盾构机设备主要分为掘进硬岩区间的全断面硬岩隧道掘进机(TBM)，掘进软岩区间的土压平衡盾构机(EPB)，以及复杂地层条件下的双模盾构施工。然而无论是TBM法EPB法或者是双模盾构法施工，在其施工过程中都有共同的特点，即存在盾构机推进过程、管片安装过程。分析这两种具体工况可知，盾构机的推进过程会对地层土体产生扰动，例如某轨道交通线，采用的盾构推进步长为1.5m，不可避免的造成地表沉降。而在每步推进完成后的管片安装阶段，一般要停机40分钟左右，这段时间内地表沉降现象仍然在持续发生。
归纳上述具体工程情况，随着盾构隧道的不断掘进，地表会发生沉降现象，地表沉降不仅在X、Y、Z三个维度上展布，而且还随盾构隧道掘进步长(L)和时间(T)两个维度发生不断的演化。因此，将其定义为盾构隧道施工引起地表沉降的“五维”空间效应。
目前大多采用有限元软件或Peck公式对地表沉降的总量进行预测，其中有限元计算需要建立准确的模型，而真实的地层环境中各层岩的物理性质千变万化，所以建模会有很大的困难，Peck公式是一种简单的计算地表沉降的方法，其中有很多假定，因而计算结果会有很大误差。
传统的模型试验系统或方法，因为需要对原型进行简化，而且在相似材料、边界条件、测试设备的尺寸效应以及固结排水等方面均受限制，所以一般只能做定性的研究，难以准确的反应引起地表沉降的“五维”效应，对研究地表沉降槽的演化规律具有较大限制，在试验成果向原型转化以及直接用于施工控制等方面存在较大困难。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提出一种基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，以最大程度的模拟原型盾构机施工地表沉降情况，通过直观的观察沉降规律，并根据观测数据对实际工程的盾构机施工，地面建筑物及地下管线保护等提供指导。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，所述试验系统包括试验模型箱、试验监测系统和盾构机模型装置，模型试验箱用以模拟实际施工地质条件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤A、制作地层相似材料模型：获得待研究地区的地质勘探报告，根据地质勘探报告，结合相似比确定方法进行试验相似比的确定，进而根据相似比制作地层相似材料模型；
步骤B、布设纵横向地表监测点：对试验监测系统精度进行检验，以选择适合试验方案的分辨率，并进行试验监测系统布设；
步骤C、安装盾构机模型，进行盾构施工；
所述盾构机模型采用双盾体模式，包括嵌套的内盾体和外盾体，以及推力杆、顶推装置和渣土吸尘器，外盾体前部为局部镂空区，内盾体和外盾体之间设置类牛腿构件，推力杆的一端固定在类牛腿构件上，另一端与顶推装置相连，顶推装置同时连接至渣土吸尘器；
盾构机模型的前部设置有附带刀具的刀盘，刀盘通过扭矩杆与转动电机相连，转动电机与交流电源相连，通过转动电机的旋转带动扭矩杆，从而带动刀盘旋转切削土体；
步骤D、五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；
步骤D1、通过盾构模型的连续推进观测推进步长对监测点的影响，并进行三维扫描记录；
步骤D2、对于时间维度的监测，采用变换盾构机模型停机时间来进行监测；
步骤E、根据步骤D监测的数据，进行变形信息处理，进而实现五维数据采集。
进一步的，所述步骤B中，所述试验监测系统采用三维激光扫描仪，在模型试验箱的模拟地层的表面布设多个地表监测点，地表监测点纵横向均布设，起始点和终止点与远离模型试验箱边界，且不受边界条件影响。
进一步的，所述步骤D1中，盾构机推进固定配速P，固定每步长尺寸Q，P、Q在一轮试验中为定值，记录纵向监测点步长影响下试验观测数据和横向监测点步长影响下试验观测数据。
进一步的，所述步骤D2中，具体包括以下方式：
时间效应采取停机的方式，进行两种不同时间效应采集：
其一：盾构机模型推进施工，选择盾构机模型停机位置，随后记录随着停机时间的延长，并记录该过程中不同监测点的沉降情况；
其二：盾构机模型推过所有监测点后，进行监测点的数据采集；试验过程中，盾构机推进固定配速P’，固定每步长尺寸Q’，P’、Q’在一轮试验中为定值，做出监测点时间影响下试验观测记录表记录相关数据。
进一步的，所述步骤C中，所述推力杆内部中空，且在靠近类牛腿构件一端的侧壁上设置孔洞，推力杆位于内盾体和外盾体之间，沿着圆周方向均匀设置有多个。
进一步的，所述内盾体和外盾体之间还设置有支撑推力杆的防失稳三角撑，相邻三角撑的支撑间距为盾构机模型长度的
进一步的，所述镂空区的镂空范围为盾构机模型长度的
至
进一步的，在盾构机模型前端
至
位置处设置挡渣板，挡渣板设置在内盾体和外盾体之间，且位于局部镂空区的后方，挡渣板前方空间形成一密封空间。
进一步的，所述步骤A中，制作的制作地层相似材料模型放置在试验模型箱内，试验模型箱包括一上部开口的箱体，在箱体内模拟相似地层，箱体的侧面采用钢化玻璃板，箱体的底部采用钢板，相邻钢化玻璃板之间通过双肢角钢连接，并通过密封胶提高密封性；
所述相似材料采用包括石英砂、云母、重晶石粉、河砂、水泥进行地层岩体材料的模拟，使其与实际地层情况相似，地层模型采用分层浇筑并进行人工振捣压实
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案通过相似材料模拟技术对盾构施工引起的地表沉降效应进行五个维度上的物理模拟，以此确定盾构施工引起地表沉降的步长效应以及时间效应，实现沉降效应五个维度方面的研究，可以从模型试验中直接提炼出所需要的“五维”规律，并进而研究地表沉降槽的演化规律，为揭示和分析盾构隧道施工造成地表沉降的空间、时间特性，确定地表沉降在盾构步长影响下以及时间效应影响下的演化规律提供技术支持。
附图说明
图1为本发明实施例盾构隧道施工造成地表沉降的五维效应相似模拟试验系统示意图；
图2为本发明实施例纵向沉降监测点平面布置图；
图3为本发明实施例横向沉降监测点平面布置示意图；
图4为本发明实施例三维扫描精度试验布置示意图；
图5为本发明实施例隧道施工模拟试验盾构开挖设备精确控制系统示意图；
图6为本发明实施例盾构机模型推力杆布置示意图；
图7为本发明实施例盾构机推进模型装置结构示意图；
图8为本发明实施例盾构机模型推力杆防失稳装置示意图；
图9为本发明实施例模型箱正视图地表监测探针示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
实施例、一种双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，如图1所示，为试验系统示意图，所述试验系统包括试验模型箱、试验监测系统和盾构机模型装置；本实施例提出的基于盾构隧道施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，具体包括以下步骤：
步骤A、制作地层相似材料模型；获得待研究地区的地质勘探报告，根据地质勘探报告，结合相似比确定方法进行试验相似比的确定，进而根据相似比制作地层相似材料模型；
步骤B、布设纵横向地表监测点；对试验监测系统精度进行检验，以选择适合试验方案的分辨率，并进行试验监测系统布设；
步骤C、安装盾构机模型，进行盾构施工；
步骤D、五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；
步骤D1、通过盾构模型的连续推进观测推进步长对监测点的影响，并进行三维扫描记录；
步骤D2、对于时间维度的监测，采用变换盾构机模型停机时间来进行监测；
步骤E、根据步骤D监测的数据，进行变形信息处理。
具体的，下面对本方案的具体实施过程进行详细的说明：
步骤A中，在确定相似比时，比如，以国内城市地铁的区间盾构隧道为例，其大多属于浅埋隧道，埋深一般在15-30m。故设计试验模型箱中的隧道始发孔位置的可变埋深为0.45-0.55m，据此此模型试验系统的几何相似比Cl建议取值25-50。在使用此试验系统使可根据自身试验场地限制等因素在此范围内适当选择。
其余相似比的确定，可以参考下式：
Cσ＝Cl×Cγ
Cσ＝CECε＝CE
式中Cσ为应力相似比；Cl为几何相似比；Cγ为重度相似比；Cμ为泊松比相似比；
为摩擦角相似比；Cε为应变相似比；CE为弹性模量相似比。例如首先确定本次试验方案的重度相似比Cγ＝1，几何相似比Cl＝30，可得Cσ＝30，CE＝30
步骤B中，地表监测点布设如图2和图3所示，本实施例以纵向布设3行，横向布设3行为例进行说明，具体实施时，可根据具体的实验室场地要求进行布置。
具体内容为地表横向沉降监测点设置三排编号ai，j纵向监测点设置三排编号bm，n，用以观测地表沉降槽在横纵像演化规律，并在地表观测点上设置地表监测探针装置，具体如图9所示，其中，M为地表监测点探针在地表变形后的状态，N为地表监测点探针在地表变形前的状态，因为隧道施工引起的地表移动，在垂直位移方向较大，而在水平方向即隧道横截面x方向和隧道纵截面方向y，位移量微小，可能存在测量误差较大的情况，通过在地表埋设地表监测探针装置，在测量时监测针尖的位移，可以实现放大地表变形的作用，不过这也使得地表的水平位移和倾角造成的位移耦合在了一起，通过下式，可以进行分离。其功能为，通过三维激光扫描仪监测针尖位移可以实现其在x和y方向的在线监测，通过探针的长度可以实现以下三个功能，其一，将x、y方向的位移效果与地表倾角造成的位移效果耦合，然后通过公式Δy＝Δy测-Lsinθ去除倾角造成的位移，θ为移动后指针的位置与垂直方向的夹角，且此角度与地表移动产生的倾角相等，L为探针长度，即可以反求真实位移(x方向为隧道横向，y方向为隧道纵向)。其二，对探针的测量相较于对地表点的测量，更为容易，探针可以起到标识作用，其三，可以准确的反应地表倾角的变化的规律，这对于五维理论的进一步丰富和发展，是一个至关重要的量。
本实施例采用三维激光扫描仪，其精度检验方法和使用技术如下：
使用Focuss150扫描仪进行精度试验，分别在墙面黏贴0.16mX0.12m的四个平面靶纸，如图4所示。其次用全站仪测得AB、BC、BD距离，然后在据墙面10、20、30、40、50m分别设站扫描，每一站采用两种分辨率，即仪器默认分辨率4X1/4和高精度分辨率2X1/2，每种分辨率下扫描五次，并分别绘制不同分辨率下AB、BC、BD的测距中误差曲线。通过拟合中误差曲线对比仪器误差范围，选择适合试验方案的分辨率。
步骤C、安装模型盾构机，并进行推进施工：
本实施例提出的盾构机模型采用双盾体模式，包括嵌套的内盾体2和外盾体3，内盾体2、外盾体3均由强度和刚度满足盾构机掘进要求的冷弯薄壁钢板弯曲制成。外盾体3设置为盾构机前部一定范围内镂空(外盾体3前部为局部镂空区31)，优选镂空范围为盾构机模型长度的
至
内盾体2不设置镂空，全范围封闭，外盾体3设置镂空的目的在于模拟真实盾构施工过程中的地层损失。试验进行过程中，上覆土体受到扰动，部分土体可以通过盾构机外盾体3的镂空进入内盾体2。
另外，在盾构机模型前端
至
位置处设置密闭挡渣板15，挡渣板15设置在内盾体2和外盾体3之间，且位于局部镂空区31的后方，密闭挡渣板15的作用为：第一防止前端渣土漏至后端，以较好的模拟推进过程带来的沉降，方便土体损失的量测，第二提供密闭空间能有效提升渣土吸尘器的吸渣能力。
继续参考图5和图6，内盾体2和外盾体3之间设置类牛腿构件4，其焊接在盾构机外盾体3的内侧，类牛腿构件4如图6所示，中间设置嵌入孔41，嵌入孔41用于固定金属推力杆5，推力杆5内部中空，且在靠近类牛腿构件4一端的侧壁上设置孔洞；推力杆5位于内盾体2和外盾体3之间，沿着圆周四个方向每90度设置一个，推力杆5的另一端与顶推装置6相连，顶推装置6同时连接至渣土吸尘器7，以保证盾构机掘进时推力的均匀，避免造成盾构机掘进偏离预定轨迹。
其中，推力杆5有两个功能，一方面通过与外部顶推装置6相连，为盾构机的掘进提供向前的推力，一方面推力杆5端部同时与渣土吸尘器7相连，可以及时通过金属推力杆5前部孔洞，将内外盾体之间的渣土通过渣土吸尘器7吸出，渣土吸尘器7置于电子秤8上，通过电子秤8的示数可以精确的控制盾构推进每环的地层损失率，同时也可以起到及时排除内外盾体间渣土的功能，避免在推进若干环后，内外盾体间被土体塞满，造成后续的地层损失无法模拟。
特别的，因为此盾构机模型推力的施加依靠四根带有孔洞的金属推力杆5进行，为防止推进力受到压力过大而出现欧拉屈服，在盾体内设置金属推力杆5的防失稳三角撑9，如图8所示，三角撑9的支撑间距取盾构机模型长度的
盾构机前部设置能旋转的刀盘10，刀盘10上面附带刀具，刀盘10的旋转切削土体依靠扭矩杆实现，盾构机刀盘与扭矩杆12焊接，扭矩杆12端部与转动电机13相连，转动电机13与交流电源14相连，通过转动电机13的旋转带动扭矩杆12，从而带动刀盘10旋转切削土体。
步骤D、五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；
首先通过盾构模型的连续推进观测推进步长对监测点的影响，试验过程中，盾构机推进固定配速P，固定每步长尺寸Q，P、Q在一轮试验中为定值，记录纵向监测点步长影响下试验观测数据和横向监测点步长影响下试验观测数据。
对于时间维度的监测，采用变换盾构机模型停机时间来进行监测；具体包括：
时间效应则采用设计两种盾构机停机工况的方式，进行两种不同时间效应采集，
其一：盾构机推进至a2,3或其余中间位置后停机，选择盾构机模型停机位置，所述停机位置为盾构机没有完全通过所设置监测点时，进行停机，主要为模拟实际施工进程中的管片拼装环节，为消除边界条件影响，优选选择中间位置作为模型停机位置，随后记录随着停机时间的延长，不同监测点的沉降情况。进行监测点的数据采集，
其二：为盾构机推过所有监测点后，进行监测点的数据采集。试验过程中，盾构机推进固定配速P’，固定每步长尺寸Q’，P’、Q’在一轮试验中为定值，做出监测点时间影响下试验观测记录表记录相关数据。
步骤E、根据步骤D监测的数据，进行变形信息处理，最后通过变形云图进行五维信息的表格整理，获取针对五维的试验数据；
扫描后在Scene软件中导入扫描点云；使用过滤器对点云进行配置处理，删除多余点云进行数据精简和去噪，并将去噪后的点云转换为通用格式，完成前处理过程；
在3DReshaper中打开转换格式后的点云，依照监测点布置规则，使用添加标签功能选取监测点坐标，后坐标配置；
利用RPS配准(参考点系统注册配准)功能，使用四点标注法将不同时刻的点云数据进行匹配，最后进行点云的对比分析并生成变形云图，进而获得针对五维的时间数据，以进行后期分析处理与利用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，所述试验系统包括试验模型箱、试验监测系统和盾构机模型装置，模型试验箱用以模拟实际施工地质条件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤A、制作地层相似材料模型：获得待研究地区的地质勘探报告，根据地质勘探报告，结合相似比确定方法进行试验相似比的确定，进而根据相似比制作地层相似材料模型；
步骤B、布设纵横向地表监测点：对试验监测系统精度进行检验，以选择适合试验方案的分辨率，并进行试验监测系统布设；
步骤C、安装盾构机模型，进行盾构施工；
所述盾构机模型采用双盾体模式，包括嵌套的内盾体(2)和外盾体(3)，以及推力杆(5)、顶推装置(6)和渣土吸尘器(7)，外盾体(3)前部为局部镂空区(31)，内盾体(2)和外盾体(3)之间设置类牛腿构件(4)，推力杆(5)的一端固定在类牛腿构件(4)上，另一端与顶推装置(6)相连，顶推装置(6)同时连接至渣土吸尘器(7)；
盾构机模型的前部设置有附带刀具的刀盘(10)，刀盘(10)通过扭矩杆(12)与转动电机(13)相连，转动电机(13)与交流电源(14)相连，通过转动电机(13)的旋转带动扭矩杆(12)，从而带动刀盘(10)旋转切削土体；
步骤D、五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；
步骤D1、通过盾构模型的连续推进观测推进步长对监测点的影响，并进行三维扫描记录；
步骤D2、对于时间维度的监测，采用变换盾构机模型停机时间来进行监测；
步骤E、根据步骤D监测的数据，进行变形信息处理，进而实现五维数据采集。
2.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤B中，所述试验监测系统采用三维激光扫描仪，在模型试验箱的模拟地层的表面布设多个地表监测点，地表监测点纵横向均布设，起始点和终止点与远离模型试验箱边界，且不受边界条件影响。
3.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤D1中，盾构机推进固定配速P，固定每步长尺寸Q，P、Q在一轮试验中为定值，记录纵向监测点步长影响下试验观测数据和横向监测点步长影响下试验观测数据。
4.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤D2中，具体包括以下方式：
时间效应采取停机的方式，进行两种不同时间效应采集：
其一：盾构机模型推进施工，选择盾构机模型停机位置，随后记录随着停机时间的延长，并记录该过程中不同监测点的沉降情况；
其二：盾构机模型推过所有监测点后，进行监测点的数据采集；试验过程中，盾构机推进固定配速P’，固定每步长尺寸Q’，P’、Q’在一轮试验中为定值，做出监测点时间影响下试验观测记录表记录相关数据。
5.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤C中，所述推力杆(5)内部中空，且在靠近类牛腿构件(4)一端的侧壁上设置孔洞，推力杆(5)位于内盾体(2)和外盾体(3)之间，沿着圆周方向均匀设置有多个。
6.根据权利要求5所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述内盾体(2)和外盾体(3)之间还设置有支撑推力杆(5)的防失稳三角撑(9)，相邻三角撑(9)的支撑间距为盾构机模型长度的
7.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述镂空区(31)的镂空范围为盾构机模型长度的
至
8.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：在盾构机模型前端
至
位置处设置挡渣板(15)，挡渣板(15)设置在内盾体(2)和外盾体(3)之间，且位于局部镂空区(31)的后方，挡渣板(15)前方空间形成一密封空间。
9.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤A中，制作的制作地层相似材料模型放置在试验模型箱内，试验模型箱包括一上部开口的箱体(1)，在箱体内模拟相似地层，箱体的侧面采用钢化玻璃板，箱体的底部采用钢板，相邻钢化玻璃板之间通过双肢角钢(11)连接，并通过密封胶提高密封性；
所述相似材料采用包括石英砂、云母、重晶石粉、河砂、水泥进行地层岩体材料的模拟，使其与实际地层情况相似，地层模型采用分层浇筑并进行人工振捣压实。
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