CN103278376A - 土压平衡盾构开挖面稳定性控制模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土压平衡盾构开挖面稳定性控制模型试验装置。包括土样舱，压力控制舱和蓄水箱；土样舱底部安装支撑块，支撑块上是半圆形盾壳，盾壳开口安装开挖面板，土样舱下部填土样，土样内埋设孔压传感器，表面布置竖向LVDT位移传感器，盾壳所在竖向隔板上布置溢流孔；压力控制舱位于土样舱左侧，压力控制舱底部放置支座，支座上安装液压油缸，液压油缸通过压力传感器与开挖面板连接，液压油缸上安装LVDT；蓄水箱位于土样舱和压力控制舱下方，与排水管相连。模拟不同埋深和水位，通过后退开挖面板导致开挖面失稳，监测面板位移和支护压力，探明土压平衡盾构开挖面失稳模式，揭示开挖面极限支护压力，指导土压平衡盾构施工。

Description

土压平衡盾构开挖面稳定性控制模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种土压平衡盾构模型试验装置，尤其是涉及一种土压平衡盾构开挖面稳定性控制模型试验装置。

背景技术

土压平衡盾构是城市地铁、过江通道等隧道的主要施工工法。盾构掘进过程中，由于密封舱内支护压力失控导致的开挖面失稳、地面***事故时有发生。盾构机作用在开挖面上支护压力的控制是维持稳定的重要途径。明确开挖面在压力过小时失稳机理，是实现开挖面支护力控制与防止开挖面失稳事故的关键。

但是目前工程中认为砂土中隧道开挖面失稳模式为扩展至地表的四边形棱柱和楔形体组成，由此计算出开挖面最小支护力。而现场实测难以获得开挖面的失稳时的破坏模式以及支护力大小，因此需要通过模型试验来明确开挖面失稳模式、支护力与开挖面向内位移的关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土压平衡盾构开挖面稳定性控制模型试验装置，通过监测开挖面位移和支护压力获得开挖面失稳机理。

本发明采用的技术方案如下：

包括土样舱，压力控制舱和蓄水箱，压力控制舱位于土样舱左侧，蓄水箱位于土样舱和压力控制舱下方；其中：土样舱：底部布置砂垫层，砂垫层上面有土工织物，土样舱底部靠近压力控制舱的有机玻璃一侧安装支撑块，支撑块上设有半圆形盾壳，半圆形盾壳的一端与竖向隔板连接第一排水管的一端与半圆形盾壳连接，第一排水管的另一端经过安装在压力控制舱底部的电磁阀与蓄水箱连接，半圆形盾壳开口安装半圆形开挖面板，土样舱从下至上填有土样和水，在半圆形开挖面板周围的土样内埋设12个孔压传感器，9个竖向LVDT位移传感器经水放置在半圆形开挖面板周围的土样表面上，土样舱上部侧壁布置供水管，半圆形盾壳一侧沿所在水位高度的竖向隔板上开有不同高度布置的6个溢流孔，水位面与溢流孔高度相同；压力控制舱：第二排水管一端与溢流孔相连，第二排水管另一端与蓄水箱相连，压力控制舱底部放置支座，支座上安装液压油缸，液压油缸通过压力传感器与半圆形开挖面板连接，液压油缸上安装横向LVDT位移传感器；蓄水箱：位于土样舱和压力控制舱下方，排水管与蓄水箱相连，蓄水箱内布置有通水孔。

所述半圆形挖面板为不开孔和均匀开孔的面板。

本发明具有的有益效果是：

本发明在不同埋深和水位条件下，通过后退开挖面板导致开挖面失稳，并监测面板位移和支护压力，探明土压平衡盾构开挖面失稳模式，揭示开挖面极限支护压力，推导开挖面合理支护压力设定公式，指导土压平衡盾构施工。

附图说明

图1是模型试验装置结构原理示意图。

图2是图1的A-A截面结构示意图。

图3是图1的B-B截面结构示意图。

图中：1、半圆形开挖面板，2、压力传感器，3、半圆形盾壳，4、第一排水管排水管，5、支撑块，6、土工织物，7、砂垫层，8、孔压传感器，9、竖向LVDT位移传感器，10、溢流孔，11、水位面，12、土样，13、供水管，14、支座，15、横向LVDT位移传感器，16、液压油缸，17、支撑杆，18、第二排水管排水管，19、电磁阀，20、竖向隔板，21、蓄水箱，22、通水孔，23、有机玻璃。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明放置于一个刚性模型箱内，包括土样舱，压力控制舱和蓄水箱21；土样舱底部布置砂垫层7，砂垫层7上面有土工织物6，以防止饱和时土样受扰动，同时避免放水时泥沙堵孔，土样舱底部靠近竖向隔板20和有机玻璃23一侧安装支撑块5，支撑块5上安装半圆形盾壳3，半圆形盾壳3的一端与竖向隔板20连接，第一排水管4的一端与半圆形盾壳3连接，第一排水管4的另一端经过安装在压力控制舱底部的电磁阀19与蓄水箱21连接，以实现试验时盾构开挖面由无渗流状态到有渗流状态的切换，半圆形盾壳3开口安装半圆形开挖面板1，土样舱由下向上填土样12和水，半圆形开挖面板1附近的土样12内埋设12个孔压传感器8，以监测开挖面前方孔压分布，9个竖向LVDT位移传感器9穿过水布置在半圆形开挖面板1附近的土样12表面，以监测地表沉降分布，土样舱上部侧壁布置供水管13，以维持水位面稳定，半圆形盾壳3一侧沿所在水位高度的竖向隔板20上开有不同高度布置的6个溢流孔10，水位面11与溢流孔10高度相同，以实现水位面的调节；压力控制舱位于土样舱左侧，压力控制舱布置6根横向支撑杆17，以保持竖向隔板不变形，第二排水管18一端与溢流孔10相连，第二排水管18另一端与蓄水箱21相连，压力控制舱底部安装支座14，支座14上安装液压油缸16，液压油缸16的活塞杆通过压力传感器2与开挖面板1连接，以实现开挖面板的进退和开挖面支护压力的监测，液压油缸16上安装横向LVDT位移传感器15，以监测开挖面的运动位移；蓄水箱21位于土样舱和压力控制舱下方，以储存从排水管流出的水，排水管18与蓄水箱21，蓄水箱21布有加强筋，每根加强筋底部有通水孔22。

所述一种土压平衡盾构开挖面压力控制的模型试验装置。半圆形挖面板1有不开孔和开孔两种型号，在进行渗透试验时，半圆形挖面板1使用有透水孔型，以模拟开挖面受渗透压力的情况。

所述LVDT压力，孔压和激光测距传感器的数据可以通过数采仪进行实时采集。

所述液压油缸可以通过数据线连接至PC，并通过软件设置行进参数。

所述模型箱盾构一侧侧壁为有机玻璃23，所以可以通过数码相机对土体摄像，并进行PIV图像分析。

本发明的工作过程如下：

试验时先在土样舱内制样、饱和并埋设传感器，开挖面板采用不开孔型，然后打开供水管保持一定水位，同时通过打开电磁阀让盾构内处于稳定渗流状态，即孔压传感器保持稳定值。所述LVDT, 压力，孔压，激光测距传感器和液压油缸通过数据线连接至PC，并通过软件设置液压油缸行进参数。接着以一定速度使开挖面板向后退，从而开挖面支护压力逐渐减小，然后通过LVDT、压力和激光位移传感器监测开挖面位移、支护压力和地表沉降；实验过程中通过数采仪采集LVDT、压力和激光位移传感器数据，并传送至PC端。通过盾构开挖面板后布置的压力传感器和LVDT的读数，可得开挖面支护压力随位移变化的规律。通过布置在土体表面的激光位移传感器的读数，可得开挖面前方地表沉降分布规律。通过开挖面前方土体内孔压传感器读数，可得开挖面失稳时前方土体孔压变化情况。通过数码相机对土体摄像，并对开挖面失稳模式进行PIV图像分析，可以得到盾构开挖面所在土体剖面的位移矢量图和应变云图，并探明开挖面失稳时前方土体的失稳模式。

无渗透试验时，使用均匀开孔型开挖面板和干砂进行试验，不必埋设孔压传感器和饱和，试验时供水管关闭不供水，其他试验过程与有渗透试验相同。

Claims (2)

1.一种土压平衡盾构开挖面压力控制的模型试验装置，其特征在于：包括土样舱，压力控制舱和蓄水箱（21），压力控制舱位于土样舱左侧，蓄水箱（21）位于土样舱和压力控制舱下方；其中：土样舱：底部布置砂垫层（7），砂垫层（7）上面有土工织物（6），土样舱底部靠近压力控制舱的有机玻璃（23）一侧安装支撑块（5），支撑块（5）上设有半圆形盾壳（3），半圆形盾壳（3）的一端与竖向隔板（20）连接，第一排水管（4）的一端与半圆形盾壳（3）连接，第一排水管（4）的另一端经过安装在压力控制舱底部的电磁阀（19）与蓄水箱（21）连接，半圆形盾壳（3）开口安装半圆形开挖面板（1），土样舱从下至上填有土样（12）和水，在半圆形开挖面板（1）周围的土样（12）内埋设12个孔压传感器（8），9个竖向LVDT位移传感器（9）经水放置在半圆形开挖面板（1）周围的土样（12）表面上，土样舱上部侧壁布置供水管（13），半圆形盾壳（3）一侧沿所在水位高度的竖向隔板（20）上开有不同高度布置的6个溢流孔（10），水位面（11）与溢流孔（10）高度相同；压力控制舱：第二排水管（18）一端与溢流孔（10）相连，第二排水管（18）另一端与蓄水箱（21）相连，压力控制舱底部安装支座（14），支座（14）上安装液压油缸（16），液压油缸（16）通过压力传感器（2）与半圆形开挖面板（1）连接，液压油缸（16）上安装横向LVDT位移传感器（15）；蓄水箱（21）：位于土样舱和压力控制舱下方，排水管（18）与蓄水箱（21）相连，蓄水箱（21）内布置有通水孔（22）。

2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构开挖面压力控制的模型试验装置，其特征在于：所述半圆形挖面板（1）为不开孔和均匀开孔的面板。

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