CN117030483A - 用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地下工程技术领域，尤其是提供了用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置和方法。该装置包括试验箱、隧道开挖始发板、电缆线、试验控制系统、电动液压千斤顶、反力支架、水位管、集水箱、导水管、位移示踪器、土压力传感器、孔压力传感器、电动油泵、水泵、油管，该装置制作成本低、操作简单，适用于隧道施工过程力学模型试验、地下硐室施工过程力学模型试验等海相软土地层中地下工程模型试验研究之中，能够满足科研分析要求，有效地模拟了海水水位改变引起孔隙水压力动态变化以及隧道结构的基本应力应变状态，为相关地下工程模型试验结果的准确性提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，尤其涉及用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置和方法。
背景技术
滨海城市地区广泛分布有不同埋藏深度和厚度(如埋深的范围为2m~20m，厚度范围为3m~30m)的饱和黏土、粉质黏土、淤泥质黏土等海相软土，其工程性质大致表现为压缩性高、抗剪强度低、灵敏度较高等特点。在这样的地质区域建设地下轨道交通工程，剧烈扰动极易导致隧道围岩变形大体积滑塌，危及建设者的生命安全，造成城市重大经济损失。因此，研究隧道施工扰动下海相软土变形破坏特征与规律，定义隧道围岩变形破坏时空演化模式，对于海相软土地层隧道设计与施工具有重要的理论意义和指导作用。
室内模型试验方法，作为重要的科学研究手段，已广泛应用于隧道、硐室等地下工程力学机理研究之中；然而，能够有效实现海水水位改变引起孔隙水压力动态变化的模型试验方法甚少。为此，针对滨海城市地区海相软土地层隧道施工力学机理，研发一种适用于海相软土地层孔隙水压力动态变化的隧道施工全过程模型试验装置，为海相软土地层隧道工程施工力学机理研究提供重要的试验数据和技术保障。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置和方法，用以有效地模拟海水水位改变引起孔隙水压力动态变化，精准地测量隧道施工引起的围岩应力应变状态，为相关地下工程模型试验结果的准确性提供保障。
第一方面，本发明提供了一种用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置，所述装置形状为长方体；所述装置包括：试验箱、隧道开挖始发板、电缆线、试验控制系统、电动液压千斤顶、反力支架、水位管、集水箱、导水管、位移示踪器、土压力传感器、孔压力传感器、电动油泵、水泵、油管，其中试验控制系统为数据采集与分析系统；
隧道开挖始发板设置于试验箱的前侧挡板上，在隧道开挖始发板上对隧道进行挖掘；试验箱的底部填充碎石垫层，集水箱设置于试验箱的底部位置，通过导水管与试验箱连接，试验控制系统控制水泵向集水箱内注水，水位管用于监测试验箱中水位位置；位移示踪器、土压力传感器和孔压力传感器用于采集填充材料的应力应变数据，试验控制系统通过电缆线获取应力应变数据；反力支架设置于试验箱的内部，位于试验箱的前部、后部、左部、右部、上部五个方向上，每个方向上的反力支架的不同位置安装有电动液压千斤顶；试验控制系统调整电动油泵的参数，电动油泵通过油管调整电动液压千斤顶的荷载值，电动液压千斤顶对试验箱内的填充材料施加压力，以在所述试验箱内进行隧道施工过程模型试验。
可选地，所述电动液压千斤顶为同步千斤顶，由电动油泵为每台电动液压千斤顶提供动力；
所述电动液压千斤顶的高度为450mm，油缸外径为69mm，油缸内径为50.8mm，鞍座直径为38mm，重量为11.8kg，有效行程为350mm，有效面积为20.3mm2，伸展高度为80.3mm。
可选地，所述装置的长、宽和高的尺寸分别为2m、2m、2.5m；所述试验箱的长、宽和高的尺寸分别为1.5m、1.5m、2m，在试验箱的前侧挡板预留隧道开挖口；所述集水箱的长、宽和高的尺寸分别为2 m、2 m、0.5m。
第二方面，本发明提供了一种用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的方法，所述方法基于第一方面的用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置实现，所述方法包括以下步骤：
步骤一、在试验箱上的隧道开挖始发板选择隧道的形式，进行人工隧道的开挖，每次开挖深度为20cm，开挖完成后用石膏作为支护结构，支护隧道；
步骤二、在步骤一隧道的开挖施工过程中，通过试验控制系统调整水泵向集水箱内注入的注水量，以动态调整导水管的水流量和水位高度，进行孔隙水压力的动态变化模拟；
步骤三、在步骤二中完成孔隙水压力的动态变化模拟，通过试验控制系统调整电动油泵的参数，电动油泵根据调整后的参数动态调整试验箱内反力支架上的不同位置的电动液压千斤顶的荷载值，以进行外部荷载的动态变化模拟；
步骤四、由步骤三完成外部荷载的动态变化模拟后，通过预埋的不同位置处的位移示踪器、土压力传感器和孔压力传感器采集填充材料的应力应变数据，并通过电缆线将应力应变数据传输给试验控制系统，进行储存和分析；
步骤五、迭代步骤二至步骤四，不断采集填充材料的应力应变数据，并对应力应变数据进行储存和分析，以测量隧道施工引起的围岩应力应变状态。
可选地，在步骤一之前还包括以下步骤：
S1、根据试验要求，制作模型试验所需的填充材料；在试验箱的底部填充碎石垫层，其厚度为30cm；压实后在碎石垫层的上部填筑填充材料，分层填筑，逐层压实，其中，每层填筑厚度为10cm；
S2、在步骤S1填筑填充材料的过程中，按照模型试验设计要求，在试验设计位置埋深位移示踪器、土压力传感器、孔压力传感器；填筑完成后做好模型边缝的密封；
S3、由步骤S2做好模型边缝的密封后，试验控制系统通过电缆线向水泵发出指令，以供水泵向集水箱内注水；集水箱内水流顺着导水管上预留口流入试验箱中的填充材料之中，通过水位管确定试验箱中水位位置；按照模型试验所需设定不同地下水位，静止72小时；
S4、由步骤S3完成静止后，试验控制系统通过电缆线调控电动油泵的参数，电动油泵通过油管调整试验箱内反力支架上的电动液压千斤顶，对试验箱中的填充材料施加荷载作用。
可选地，试验箱内反力支架的上部方向的电动液压千斤顶所施加的荷载模拟自重与上部既有结构物荷载，试验箱内反力支架的前部、后部、左部和右部四个方向上的电动液压千斤顶所施加的荷载模拟水平侧压力，其中水平侧压力系数为0.5，满足模拟隧道周边环境荷载的要求，保持加载状态72小时。
本发明提供的技术方案中，该装置包括试验箱、隧道开挖始发板、电缆线、试验控制系统、电动液压千斤顶、反力支架、水位管、集水箱、导水管、位移示踪器、土压力传感器、孔压力传感器、电动油泵、水泵、油管，该装置制作成本低、操作简单，适用于隧道施工过程力学模型试验、地下硐室施工过程力学模型试验等海相软土地层中地下工程模型试验研究之中，能够满足科研分析要求，有效地模拟了海水水位改变引起孔隙水压力动态变化以及隧道结构的基本应力应变状态，为相关地下工程模型试验结果的准确性提供保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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人员来讲，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为本发明实施例提供的模型试验装置的外观示意图；
图2为本发明实施例提供的隧道开挖始发板示意图；
图3为本发明实施例提供的单洞隧道施工模型试验装置的剖视图；
图4为本发明实施例提供的单洞隧道施工模型试验装置的工作原理示意图；
图5为本发明实施例提供的隧道施工过程模型试验方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当明确，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性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。
图1为本发明实施例提供的模型试验装置的外观示意图，如图1所示，该装置形状为长方体，材料为钢板；该装置包括：试验箱1、隧道开挖始发板2、电缆线4、试验控制系统5，其中试验控制系统5为数据采集与分析系统，由电脑控制。
隧道开挖始发板2设置于试验箱1的前侧挡板上，在隧道开挖始发板2上对隧道3进行挖掘；试验控制系统5通过电缆线4传输数据。
图2为本发明实施例提供的隧道开挖始发板示意图，如图2所示，图中21为双洞隧道开挖始发板，即在隧道开挖始发板2上对双洞隧道3进行挖掘；图中22为单洞隧道开挖始发板，即在隧道开挖始发板2上对单洞隧道3进行挖掘。
图3为本发明实施例提供的单洞隧道施工模型试验装置的剖视图，如图3所示，该装置还包括电动液压千斤顶6、反力支架7、水位管8、集水箱9、导水管10、位移示踪器12、土压力传感器13、孔压力传感器14。
试验箱1的底部填充碎石垫层15；集水箱9设置于试验箱1的底部位置，通过导水管10与试验箱1连接；水位管8用于监测试验箱1中水位位置，其中导水管10的水流量由试验控制系统5调控；位移示踪器12、土压力传感器13和孔压力传感器14用于采集填充材料11的应力应变数据，填充材料为海相软土相似材料；试验控制系统5通过电缆线4获取应力应变数据；反力支架7设置于试验箱1的内部，位于试验箱1的前部、后部、左部、右部、上部五个方向上，每个方向上的反力支架7的不同位置安装有电动液压千斤顶6。
图4为本发明实施例提供的单洞隧道施工模型试验装置的工作原理示意图，如图4所示，该装置还包括电动油泵16、水泵17、油管18。
试验控制系统5控制水泵17向集水箱9内注水，集水箱9内水流顺着导水管10上预留口流入试验箱1中的填充材料11之中，并通过水位管8监测试验箱1中水位位置；试验控制系统5通过电缆线4调整电动油泵16的参数，电动油泵16通过油管18调整电动液压千斤顶6的荷载值，电动液压千斤顶6对试验箱1内的填充材料11施加压力，以在试验箱1内进行隧道施工过程模型试验。
本发明实施例中，电动液压千斤顶6为同步千斤顶，由电动油泵16为多台电动液压千斤顶6提供动力；电动液压千斤顶6的高度为450mm，油缸外径为69mm，油缸内径为50.8mm，鞍座直径为38mm，重量为11.8kg，有效行程为350mm，有效面积为20.3mm2，伸展高度为80.3mm。
本发明实施例中，该装置的长、宽和高的尺寸分别为2m、2m、2.5m；试验箱1的长、宽和高的尺寸分别为1.5m、1.5m、2m，在试验箱1的前侧挡板预留隧道开挖口；集水箱9的长、宽和高的尺寸分别为2 m、2 m、0.5m。
图5为本发明实施例提供的隧道施工过程模型试验方法的流程图，如图5所示，该方法基于用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置实现，该方法包括以下步骤：
步骤一、在试验箱1上的隧道开挖始发板2选择隧道3的形式，进行人工隧道3的开挖，每次开挖深度为20cm，开挖完成后用石膏作为支护结构，支护隧道3。
步骤二、在步骤一隧道3的开挖施工过程中，通过试验控制系统5调整水泵17向集水箱9内注入的注水量，以动态调整导水管10的水流量和水位高度，进行孔隙水压力的动态变化模拟。
步骤三、在步骤二中完成孔隙水压力的动态变化模拟，通过试验控制系统5调整电动油泵16的参数，电动油泵16根据调整后的参数动态调整试验箱1内反力支架7上的不同位置的电动液压千斤顶6的荷载值，以进行外部荷载的动态变化模拟。
步骤四、由步骤三完成外部荷载的动态变化模拟后，通过预埋的不同位置处的位移示踪器12、土压力传感器13和孔压力传感器14采集填充材料11的应力应变数据，并通过电缆线4将应力应变数据传输给试验控制系统5，进行储存和分析。
步骤五、迭代步骤二至步骤四，不断采集填充材料11的应力应变数据，并对应力应变数据进行储存和分析，以测量隧道施工引起的围岩应力应变状态。
本发明实施例中，在步骤一之前还包括以下步骤：
S1、根据试验要求，制作模型试验所需的填充材料11；在试验箱1的底部填充碎石垫层15，其厚度为30cm；压实后在碎石垫层15的上部填筑填充材料11，分层填筑，逐层压实，其中，每层填筑厚度为10cm。
S2、在步骤S1填筑填充材料11的过程中，按照模型试验设计要求，在试验设计位置埋深位移示踪器12、土压力传感器13、孔压力传感器14；填筑完成后做好模型边缝的密封。
S3、由步骤S2做好模型边缝的密封后，试验控制系统5通过电缆线4向水泵17发出指令，以供水泵17向集水箱9内注水；集水箱9内水流顺着导水管10上预留口流入试验箱1中的填充材料11之中，通过水位管8确定试验箱1中水位位置；按照模型试验所需设定不同地下水位，静止72小时。
S4、由步骤S3完成静止后，试验控制系统5通过电缆线4调控电动油泵16的参数，电动油泵16通过油管18调整试验箱1内反力支架7上的超薄型电动液压千斤顶6，对试验箱1中的填充材料11施加荷载作用。
本发明实施例中，试验箱1内反力支架7的上部方向的电动液压千斤顶6所施加的荷载模拟自重与上部既有结构物荷载，试验箱1内反力支架7的前部、后部、左部和右部四个方向上的电动液压千斤顶6所施加的荷载模拟水平侧压力，其中水平侧压力系数为0.5，满足模拟隧道周边环境荷载的要求，保持加载状态72小时。
本发明提供的技术方案中，该装置包括试验箱、隧道开挖始发板、电缆线、试验控制系统、电动液压千斤顶、反力支架、水位管、集水箱、导水管、位移示踪器、土压力传感器、孔压力传感器、电动油泵、水泵、油管，该装置制作成本低、操作简单，适用于隧道施工过程力学模型试验、地下硐室施工过程力学模型试验等海相软土地层中地下工程模型试验研究之中，能够满足科研分析要求，有效地模拟了海水水位改变引起孔隙水压力动态变化以及隧道结构的基本应力应变状态，为相关地下工程模型试验结果的准确性提供保障。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置，其特征在于，所述装置形状为长方体；所述装置包括：试验箱（1）、隧道开挖始发板（2）、电缆线（4）、试验控制系统（5）、电动液压千斤顶（6）、反力支架（7）、水位管（8）、集水箱（9）、导水管（10）、位移示踪器（12）、土压力传感器（13）、孔压力传感器（14）、电动油泵（16）、水泵（17）、油管（18），其中试验控制系统（5）为数据采集与分析系统；
隧道开挖始发板（2）设置于试验箱（1）的前侧挡板上，在隧道开挖始发板（2）上对隧道（3）进行挖掘；试验箱（1）的底部填充碎石垫层（15），集水箱（9）设置于试验箱（1）的底部位置，通过导水管（10）与试验箱（1）连接，试验控制系统（5）控制水泵（17）向集水箱（9）内注水，水位管（8）用于监测试验箱（1）中水位位置；位移示踪器（12）、土压力传感器（13）和孔压力传感器（14）用于采集填充材料（11）的应力应变数据，试验控制系统（5）通过电缆线（4）获取应力应变数据；反力支架（7）设置于试验箱（1）的内部，位于试验箱（1）的前部、后部、左部、右部、上部五个方向上，每个方向上的反力支架（7）的不同位置安装有电动液压千斤顶（6）；试验控制系统（5）调整电动油泵（16）的参数，电动油泵（16）通过油管（18）调整电动液压千斤顶（6）的荷载值，电动液压千斤顶（6）对试验箱（1）内的填充（11）施加压力，以在所述试验箱（1）内进行隧道施工过程模型试验。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电动液压千斤顶（6）为同步千斤顶，由电动油泵（16）为每个电动液压千斤顶（6）提供动力；
所述电动液压千斤顶（6）的高度为450mm，油缸外径为69mm，油缸内径为50.8mm，鞍座直径为38mm，重量为11.8kg，有效行程为350mm，有效面积为20.3mm2，伸展高度为80.3mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的长、宽和高的尺寸分别为2m、2m、2.5m；所述试验箱（1）的长、宽和高的尺寸分别为1.5m、1.5m、2m，在试验箱1的前侧挡板预留隧道开挖口；所述集水箱（9）的长、宽和高的尺寸分别为2 m、2 m、0.5m。
4.一种用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1的用于海相软土地层隧道施工过程模型试验的装置实现，所述方法包括以下步骤：
步骤一、在试验箱（1）上的隧道开挖始发板（2）选择隧道（3）的形式，进行人工隧道（3）的开挖，每次开挖深度为20cm，开挖完成后用石膏作为支护结构，支护隧道（3）；
步骤二、在步骤一隧道（3）的开挖施工过程中，通过试验控制系统（5）调整水泵（17）向集水箱（9）内注入的注水量，以动态调整导水管（10）的水流量和水位高度，进行孔隙水压力的动态变化模拟；
步骤三、在步骤二中完成孔隙水压力的动态变化模拟，通过试验控制系统（5）调整电动油泵（16）的参数，电动油泵（16）根据调整后的参数动态调整试验箱（1）内反力支架（7）上的不同位置的电动液压千斤顶（6）的荷载值，以进行外部荷载的动态变化模拟；
步骤四、由步骤三完成外部荷载的动态变化模拟后，通过预埋的不同位置处的位移示踪器（12）、土压力传感器（13）和孔压力传感器（14）采集填充材料（11）的应力应变数据，并通过电缆线（4）将应力应变数据传输给试验控制系统（5），进行储存和分析；
步骤五、迭代步骤二至步骤四，不断采集填充材料（11）的应力应变数据，并对应力应变数据进行储存和分析，以测量隧道施工引起的围岩应力应变状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤一之前还包括以下步骤：
S1、根据试验要求，制作模型试验所需的填充材料（11）；在试验箱（1）的底部填充碎石垫层（15），其厚度为30cm；压实后在碎石垫层（15）的上部填筑填充材料（11），分层填筑，逐层压实，其中，每层填筑厚度为10cm；
S2、在步骤S1填筑填充材料（11）的过程中，按照模型试验设计要求，在试验设计位置埋深位移示踪器（12）、土压力传感器（13）、孔压力传感器（14）；填筑完成后做好模型边缝的密封；
S3、由步骤S2做好模型边缝的密封后，试验控制系统（5）通过电缆线（4）向水泵（17）发出指令，以供水泵（17）向集水箱（9）内注水；集水箱（9）内水流顺着导水管（10）上预留口流入试验箱（1）中的填充材料（11）之中，通过水位管（8）确定试验箱（1）中水位位置；按照模型试验所需设定不同地下水位，静止72小时；
S4、由步骤S3完成静止后，试验控制系统（5）通过电缆线（4）调控电动油泵（16）的参数，电动油泵（16）通过油管（18）调整试验箱（1）内反力支架（7）上的电动液压千斤顶（6），对试验箱（1）中的填充材料（11）施加荷载作用。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，试验箱（1）内反力支架（7）的上部方向的电动液压千斤顶（6）所施加的荷载模拟自重与上部既有结构物荷载，试验箱（1）内反力支架（7）的前部、后部、左部和右部四个方向上的电动液压千斤顶（6）所施加的荷载模拟水平侧压力，其中水平侧压力系数为0.5，满足模拟隧道周边环境荷载的要求，保持加载状态72小时。
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2023
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| CN117419943B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-04-05 | 武汉理工大学三亚科教创新园 | 一种海洋地下空间模型试验装置及方法 |
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