CN104792966B - 一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置及方法，包括空洞模型、试验模型箱(8)、加热控制装置(7)、试验土体(9)、LVDT位移计(10)、带孔的钢制隧道模型(11)、开关阀门(13)、量筒(14)；所述空洞模型用于模拟不规则形状的地层空洞，空洞模型包括聚氨酯液囊(3)、电阻丝(4)、第一导管(5)和第二导管(6)，电阻丝(4)穿过聚氨酯液囊(3)上的第二导管(6)连接到加热控制装置(7)，由加热控制装置(7)对电阻丝进行加热控制。本发明模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置及方法能较好的解决现有模型试验中地层空洞难以模拟及空洞形状无法控制的问题。

Description

一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置及方法

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，可以模拟地铁盾构隧道施工所引发的不同形状及规模的地层空洞，为研究空洞坍落及扩展机制的模型试验提供了依据。

背景技术

在城市地铁建设中，盾构法由于其施工速度快、对周围环境影响小等特点得到了越来越广泛的应用。盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，虽然有了很大的进步，但仍然不可避免地引起周围地层扰动，引起周边土体的应力释放及地层变形，极易带来地表塌陷、既有建筑物变形等一系列问题，盾构开挖所造成的事故中，盾构施工诱发的地层空洞导致的地表塌陷事故占事故总数的60％，地层空洞诱发的地面塌陷事故由于其发生的不确定性、滞后性、突然性而导致发生事故后造成的危害较大。因此，针对盾构施工所诱发地层空洞的演变及扩展机理及其所引发的的地表沉降塌陷问题开展深入研究是非常必要的。

目前关于盾构施工所诱发地层空洞的演变及扩展机理及其所引发的的地表沉降塌陷的研究所采用的主要方法有现场测试法、数值计算法和室内模型试验法。室内模型试验基于相似理论，利用与原型在几何、材料等方面的相似的模型开展试验，具有可人为控制和改变试验条件，可进行重复性试验，效果直观清楚，周期短等特点，在隧道及地下工程研究领域得到了广泛的应用。

现有的模拟装置与方法中，存在一个共同的缺点，就是在对于地层空洞的模拟中，无法体现地层空洞在形状及规模上的不确定性，通常只是将地层空洞简化为某一特定的形状(如圆形或椭圆形)。然而，在实际工程中，盾构施工所引发的地层空洞形状是极不规则的，空洞规模亦存在很大的不确定性，将其近似为特定形状进行的研究，试验结果往往与实际情况偏差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供盾构施工引发地层空洞模型试验中不规则形状地层空洞的试验装置。该试验装置能较好的解决现有模型试验中地层空洞难以模拟及空洞形状无法控制的问题。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置，包括空洞模型、试验模型箱(8)、加热控制装置(7)、试验土体(9)、LVDT位移计(10)、带孔的钢制隧道模型(11)、开关阀门(13)、量筒(14)；所述空洞模型用于模拟不规则形状的地层空洞，空洞模型包括聚氨酯液囊(3)、电阻丝(4)、第一导管(5)和第二导管(6)，第一导管(5)和第二导管(6)设置在聚氨酯液囊(3)上并连通到聚氨酯液囊(3)内部，电阻丝(4)设置在聚氨酯液囊(3)内部，所述电阻丝(4)穿过聚氨酯液囊(3)上的第二导管(6)连接到加热控制装置(7)，由加热控制装置(7)对电阻丝进行加热控制，聚氨酯液囊(3)上的第一导管(5)用于向聚氨酯液囊(3)内输送包括水在内的液体介质，或者将该液体介质输送到聚氨酯液囊(3)外部的量筒(14)；试验模型箱(8)中填充试验土体(9)，填充至所需高度后在土层表面设置LVDT位移计以测量地表位移(10)。

所述的试验装置，所述空洞模型的制作方法为：根据需要采用聚氯乙烯塑料(1)制成所需要的内轮廓，钢丝网(2)铺衬在聚氯乙烯塑料(1)内部，聚氨酯液囊(3)外表面与钢丝网(2)紧密贴合在一起，在聚氨酯液囊(3)内设置电阻丝(4)并通过第二导管(6)将电阻丝(4)通到外部；将聚氯乙烯塑料(1)和钢丝网(2)设定为某一形状后，通过第一导管(5)向聚氨酯液囊(3)内注满水，然后将其放于冷冻箱(12)内，聚氨酯液囊(3)中的水固结成冰后，拆除聚氯乙烯塑料(1)和钢丝网(2)即可得用于模拟不同形态的地层空洞的空洞模型。

利用所述实验装置进行地层空洞诱发地表沉降模型试验的方法，具体实施步骤是：

A1、制作空洞模型：首先将电阻丝(4)放入聚氨酯液囊(3)中并通过导管(6)与外部连接，同时将导管(5)与聚氨酯液囊(3)连接；将干瘪状态下的聚氨酯液囊(3)外部包围钢丝网(2)与聚氯乙烯塑料(1)，将钢丝网(2)与聚氯乙烯塑料组成的外部模型设定为所需特定形状，通过第一导管(5)向聚氨酯液囊(3)中注水，直到聚氨酯液囊(3)的囊壁与钢丝网(2)紧贴为止；将装置放入冷冻箱(12)中冷冻，聚氨酯液囊(3)中水全部固结成冰后取出，拆除钢丝网(2)与聚氯乙烯塑料(1)，即得不规则形状地层空洞模型；

A2、安装空洞模型：将空洞模型置于试验模型箱(8)中进行安装固定，第二导管(6)通过钢制隧道模型(11)上的小孔与外界连接，其内的电阻丝(4)连接加热控制装置(7)；第一导管(5)通过钢制隧道模型(11)另一个小孔通到量筒(14)，并在第一导管(5)端部设置开关阀门(13)，实验开始前保持开关阀门(13)关闭及量筒(14)中水量为零；在模型箱中填充试验土体(9)并压实，在土层表面设置LVDT位移计(10)；

A3、实验过程：打开开关阀门(13)，通过加热控制装置(7)控制聚氨酯液囊(3)中冰块的融化速度，冰块完全融化后，空洞形成，此时记录量筒(14)中水的体积，通过计算换算为空洞体积，LVDT位移计持续监测地表位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用液态水形状易改变的特点，将盛有液态水的容器预先设定形状，充满水后将其冷冻为固态的冰，可在一定时间内保持形状不变，此方法可有效解决形状不规则地层空洞难以模拟的问题。

2、以往的模型试验中，地层空洞一般只能一次性生成，本发明通过液囊内设置的电阻丝控制冰块融化时间，从而达到控制地层空洞形成时间的目的，可用于研究地层空洞形成的时间快慢对于地表沉降的影响。

3、本发明通过在隧道模型上设置孔道将出水导管和电阻丝加热装置与外界连接，有效的避免了导管埋设在土体中对土体所造成的扰动问题，使模型试验更接近于工程实际情况。

附图说明

图1为本发明所述用于模拟不规则形状地层空洞装置图；

图2为发明所述模型箱及地层空洞模拟***装置正视图；

其中，1、聚氯乙烯塑料；2、钢丝网；3、聚氨酯液囊；4、电阻丝；5、第一导管；6、第二导管；7、加热控制装置；8、试验模型箱；9、试验土体；10、LVDT位移计；11、钢制隧道模型；12、冷冻箱；13、开关阀门；14、量筒。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置，包括空洞模型、试验模型箱8、加热控制装置7、试验土体9、LVDT位移计10、带孔的钢制隧道模型11、开关阀门13、量筒14；所述空洞模型用于模拟不规则形状的地层空洞，空洞模型包括聚氨酯液囊3、电阻丝4、第一导管5和第二导管6，电阻丝4穿过聚氨酯液囊3上的第二导管6连接到加热控制装置7，由加热控制装置7对电阻丝进行加热控制，聚氨酯液囊3上的第一导管5用于向聚氨酯液囊3内输送包括水在内的液体介质，或者将该液体介质输送到聚氨酯液囊3外部的量筒14中。

空洞模型的制作方法为：根据需要采用聚氯乙烯塑料1制成所需要的内轮廓，钢丝网2铺衬在聚氯乙烯塑料1内部，聚氨酯液囊3外表面与钢丝网2紧密贴合在一起，在聚氨酯液囊3内设置电阻丝4并通过第二导管6将电阻丝4通到外部；将聚氯乙烯塑料1和钢丝网2设定为某一形状后，通过第一导管5向聚氨酯液囊3内注满水，然后将其放于冷冻箱12内，一段时间后，聚氨酯液囊3中的水固结成冰，拆除聚氯乙烯塑料1和钢丝网2即可得用于模拟不同形态的地层空洞的空洞模型。

试验模型箱8中填充试验土体9，填充至所需高度后在土层表面设置LVDT位移计以测量地表位移10。

试验中需通过量筒14来测量空洞的体积，初始状态下聚氨酯液囊3中水的状态为固体的冰，经电阻丝4加热融化后成为液态水进入量筒14中，由于水结冰之后，体积增大，不能简单的用量筒14中水的体积作为空洞的体积，空洞的体积测量公式可有下面的分析得到。

ρ_水＝1g/cm³ρ_冰＝0.9g/cm³

m_水＝m_冰

由 $v=\frac{m}{p}$

可得

v_空-------空洞的体积；

v_冰-----液囊3中冰块的体积；

v_水------量筒14中水的体积；

利用所述不规则形状地层空洞模拟***进行地层空洞诱发地表沉降模型试验，具体实施步骤是：

1、制作空洞模型：首先将电阻丝4放入聚氨酯液囊3中并通过导管6与外部连接，同时将导管5与聚氨酯液囊3连接；将干瘪状态下的聚氨酯液囊3外部包围钢丝网2与聚氯乙烯塑料1，将钢丝网2与聚氯乙烯塑料组成的外部模型设定为所需特定形状，通过第一导管5向聚氨酯液囊3中注水，直到聚氨酯液囊3的囊壁与钢丝网2紧贴为止；将装置放入冷冻箱12中冷冻，聚氨酯液囊3中水全部固结成冰后取出，拆除钢丝网2与聚氯乙烯塑料1，即得不规则形状地层空洞模型。

2、安装空洞模型：将空洞模型置于试验模型箱8中进行安装固定，第二导管6通过钢制隧道模型11上的小孔与外界连接，其内的电阻丝4连接加热控制装置7；第一导管5通过钢制隧道模型11另一个小孔通到量筒14，并在第一导管5端部设置开关阀门13，实验开始前保持开关阀门13关闭及量筒14中水量为零；在模型箱中填充试验土体9并压实，在土层表面设置LVDT位移计10。

3、实验过程：打开开关阀门13，通过加热控制装置7控制聚氨酯液囊3中冰块的融化速度，冰块完全融化后，空洞形成，此时记录量筒14中水的体积，通过上述公式换算为空洞体积，LVDT位移计持续监测地表位移。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置，其特征在于，包括空洞模型、试验模型箱(8)、加热控制装置(7)、试验土体(9)、LVDT位移计(10)、带孔的钢制隧道模型(11)、开关阀门(13)、量筒(14)；所述空洞模型用于模拟不规则形状的地层空洞，空洞模型包括聚氨酯液囊(3)、电阻丝(4)、第一导管(5)和第二导管(6)，第一导管(5)和第二导管(6)设置在聚氨酯液囊(3)上并连通到聚氨酯液囊(3)内部，电阻丝(4)设置在聚氨酯液囊(3)内部，所述电阻丝(4)穿过聚氨酯液囊(3)上的第二导管(6)连接到加热控制装置(7)，由加热控制装置(7)对电阻丝进行加热控制，聚氨酯液囊(3)上的第一导管(5)用于向聚氨酯液囊(3)内输送包括水在内的液体介质，或者将该液体介质输送到聚氨酯液囊(3)外部的量筒(14)；试验模型箱(8)中填充试验土体(9)，填充至所需高度后在土层表面设置LVDT位移计(10)以测量地表位移。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述空洞模型的制作方法为：根据需要采用聚氯乙烯塑料(1)制成所需要的内轮廓，钢丝网(2)铺衬在聚氯乙烯塑料(1)内部，聚氨酯液囊(3)外表面与钢丝网(2)紧密贴合在一起，在聚氨酯液囊(3)内设置电阻丝(4)并通过第二导管(6)将电阻丝(4)通到外部；将聚氯乙烯塑料(1)和钢丝网(2)设定为某一形状后，通过第一导管(5)向聚氨酯液囊(3)内注满水，然后将其放于冷冻箱(12)内，聚氨酯液囊(3)中的水固结成冰后，拆除聚氯乙烯塑料(1)和钢丝网(2)即可得用于模拟不同形态的地层空洞的空洞模型。

3.利用权利要求1或2所述试验装置进行地层空洞诱发地表沉降模型试验的方法，其特征在于，具体实施步骤是：

A1、制作空洞模型：首先将电阻丝(4)放入聚氨酯液囊(3)中并通过第二导管(6)与外部连接，同时将第一导管(5)与聚氨酯液囊(3)连接；将干瘪状态下的聚氨酯液囊(3)外部包围钢丝网(2)与聚氯乙烯塑料(1)，将钢丝网(2)与聚氯乙烯塑料组成的外部模型设定为所需特定形状，通过第一导管(5)向聚氨酯液囊(3)中注水，直到聚氨酯液囊(3)的囊壁与钢丝网(2)紧贴为止；将装置放入冷冻箱(12)中冷冻，聚氨酯液囊(3)中水全部固结成冰后取出，拆除钢丝网(2)与聚氯乙烯塑料(1)，即得不规则形状地层空洞模型；

A2、安装空洞模型：将空洞模型置于试验模型箱(8)中进行安装固定，第二导管(6)通过钢制隧道模型(11)上的小孔与外界连接，其内的电阻丝(4)连接加热控制装置(7)；第一导管(5)通过钢制隧道模型(11)另一个小孔通到量筒(14)，并在第一导管(5)端部设置开关阀门(13)，实验开始前保持开关阀门(13)关闭及量筒(14)中水量为零；在模型箱中填充试验土体(9)并压实，在土层表面设置LVDT位移计(10)；

A3、实验过程：打开开关阀门(13)，通过加热控制装置(7)控制聚氨酯液囊(3)中冰块的融化速度，冰块完全融化后，空洞形成，此时记录量筒(14)中水的体积，通过计算换算为空洞体积，LVDT位移计持续监测地表位移。