CN105353103A - 测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，包括箱体，所述箱体至少两个侧面透明，箱体的其中两个相对侧面上均设置有通孔，箱体侧面上设有钢块，两个通孔中一个通孔的直径比另一个通孔大，箱体上还设置有穿过两个通孔的第一钢管和穿过直径较大的通孔的第二钢管，第二钢管位于第一钢管外且与第一钢管活动连接，所述钢块内部为空心结构，钢块内部活动连接有活动块，所述箱体外设置有照相机。本发明利用实验设备模拟盾构施工过程，利用相机对全隧道的横断面和半隧道的纵断面摄影，利用图像处理技术实现变形计算与分析，对掌握土层内部变形场和的应力场特性及影响因素、扰动范围、土拱形成机理等的研究上具有突出的优越性。

Description

测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置

技术领域

本发明涉及测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置。

背景技术

盾构施工因应力扰动诱发隧道周边地层沉降，并进一步危及建筑物的安全，因此地层变形是盾构施工需严格控制的一项重要指标，国内外学者从多方面对其开展了研究，随着城市地铁建设的加快，这一课题近年来也受到越来越多学者的关注。

关于盾构施工对隧道周边地层变形影响的研究常用的方法有经验公式法、解析法、有限元法和室内模型试验法等。其中室内模型试验法是指根据工程实际情况，在实验室内依照相似理论建立模型，进行模型试验研究土体的变形规律。为节省试验费用，室内模型试验法往往基于相似理论，采用小比尺模型进行试验。因室内小模型试验法能较好地控制施工条件，试验周期短，见效快，结果直观，而受到国内外学者较多的关注。

盾构隧道施工室内小比尺模型进行试验能从多方面揭示盾构施工扰动机理、研究各施工因素对地层位移的影响，其已成为研究盾构隧道施工对环境影响的重要方法。但当前的研究对土体变形的测量多采用百分表等机械式位移传感器进行量测，这种方法采集的数据点极其有限；同时，传感器的安装常受到空间限制，而且只能对地表变形进行测量，对地层内部的测量很困难。

发明内容

本发明的目的是解决现有的室内模型试验法中，对土体变形的测量多采用百分表等机械式位移传感器进行量测，这种方法采集的数据点极其有限；同时，位移传感器的安装常受到空间限制，而且只能对地表变形进行测量，对地层内部的测量很困难的问题。

本发明采用的技术方案是：本发明是一种能够真实直观地反映盾构施工诱发隧道周边地层的变形场和应变场的试验装置，试验装置能够用于进行全隧道试验和半隧道试验，试验装置包括箱体为顶面敞口的长方形箱体，该长方形箱体由四块侧面和一块底面拼接构成，四块侧面最好均采用玻璃板，以便于观察和摄像。由于箱体需承担一定的土压，因此底板最好采用钢板，最好采用角钢在箱体周边进行连接加固。在箱体的其中两个相对侧面上对应开设有通孔，采用第一钢管和第二钢管进行全隧道实验，其中第一钢管模拟全隧道、第二钢管的一端模拟开挖面；采用钢块和活动块进行半隧道实验，钢块模拟半隧道、活动块的一端模拟开挖面。

全隧道试验用于研究地层损失引起的地层变形和应变，目的在于揭示盾构开挖注浆不及时或注浆量不足而导致地面沉降的机理。

半隧道试验用于研究隧道在不同埋深下施工时、开挖面前方地层的扰动变形和应变特征及盾构施工推力大小对土层的影响规律。

土层变形的测量采用高清数码相机，数码相机安装在牢固稳定的三角架上，布置于试验箱外适当距离处，镜头的高度与隧道轴线尽量等高，全隧道试验时对隧道横断面土体进行照相，半隧道试验时对隧道纵断面土体进行照相。

本发明的有益效果是：利用实验设备模拟盾构施工过程，利用相机作为数据采集设备对全隧道的横断面和半隧道的纵断面摄影，利用图像处理技术实现隧道周边土体变形和应变的计算与分析，对掌握土层内部变形场和的应力场特性及影响因素、扰动范围、土拱形成机理等的研究上具有突出的优越性。

附图说明

图1为箱体的示意图。

图2为本发明中模拟全隧道的示意图。

图3为本发明中模拟半隧道的示意图。

图4为钢块附近的局部示意图

图5为进行全隧道实验时的示意图。

图6为进行半隧道实验时的示意图。

图中所示：1箱体，2通孔，3钢块，4第一钢管，5第二钢管，6活动块，7照相机，8第一螺纹套筒，9摇柄，10传动杆，11基座，12第二螺纹套筒，13螺杆，14紧固螺母，15照明灯，16拉手，17填充物。

具体实施方式

下面结合图，对本发明做进一步的说明。

实施例1：测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，包括箱体1，所述箱体至少两个侧面透明，箱体的其中两个相对侧面上均设置有通孔2，箱体侧面上设有能够与该侧内侧壁接触的钢块3，钢块的轴线与设置有钢块的那个侧面平行，两个通孔中一个通孔的直径比另一个通孔大，箱体上还设置有穿过两个通孔的第一钢管4和穿过直径较大的通孔的第二钢管5，第二钢管套接于第一钢管外且与第一钢管活动连接、使得第一钢管与第二钢管能够相对滑动从而模拟开挖，所述钢块所在位置能够对第一钢管和第二钢管进行让位，所述钢块内部为空心结构使得钢块内部能够与箱体的内壁围成一个空间，钢块内部活动连接有活动块6且钢块的轴线方向上至少一侧设置有供该活动块穿出的结构，所述箱体外设置有照相机7。

本实施例中，模拟全隧道的第二钢管与第一钢管之间配合严密、防止砂或粘土进入。模拟半隧道的钢块形状有多种，最好其内部呈半圆柱体状，例如钢块是用一个无顶（或无底）的空心圆柱体从其底面（或顶面）的直径处切割使得空心圆柱体分成两半，将其中一半作为钢块使得钢快具有一个半圆形的底部（或顶部）、其他位置沿隧道横向的剖面是弧度为π的弧形。钢块内部能够与箱体的内壁围成一个空间的方式有多种，例如位于内部为空心的钢块一侧的钢块侧壁固连在箱体内壁、使得其内部与箱体的内壁围成一个空间，当然也可以采用其他方式。活动块的大小与钢块内部相适配，当钢块内部与箱体的内壁围成一个空间时，活动块与钢块内壁及箱体的内壁紧密接触。钢块内的活动块可以通过各种方式进行调节，例如在钢管内设置气缸或油缸、气缸或油缸的活塞杆与活动块固定连接，例如在箱体外设置带动活动块的传动机构等方式。钢块的轴线方向上至少一侧设置有供该活动块穿出的结构，这种结构可以是采用在轴线方向的侧壁上设置与活动块相适配的开口、也可以是不设置任何阻挡。具体的可以采用下述方式：钢块轴线方向一侧有侧壁，侧壁上开有小孔，小孔能够使得箱体外的传动机构与钢块内的活动块相连接；空心钢块轴线方向另一侧无侧壁，通过活动块的前进与后退模拟隧道开挖面。

模拟全隧道挖掘时，通过调节第二钢管的位置改变开挖面的位置，以研究盾构施工对开挖面前方土体的影响范围及不同范围内土体在隧道横断面上的变形规律；模拟半隧道挖掘时通过调节钢块内活动块的位置、以研究实践过程中经常出现的掌子面推力不足或推力过大时对土体的扰动情况以及在开挖面附近隧道纵断面上土体的变形规律。

实施例2，与实施例1的区别在于：与所述钢块轴线的延长线相交的箱体侧面的外壁上设置第一螺纹套筒8，第一螺纹套筒螺纹连接有摇柄9，钢块靠近设有第一螺纹套筒的箱体侧面的一端侧壁以及设有第一螺纹套筒的箱体侧面上均设置有开口（具体的可以是与钢块轴线相交的两个侧面中的一个上设置有开口），所述活动块上固定连接有传动杆10或连接绳，所述开口的大小与传动杆或连接绳相适配且第一螺纹套筒的内部空间能够容纳传动杆或连接绳，所述传动杆或连接绳远离活动块的一端穿过开口且伸入第一螺纹套筒且与摇柄伸入第一螺纹套筒的一端固定连接。

模拟半隧道挖掘时，可能会遇到掌子面推力不足或推力过大的情况，为了模拟掌子面推力不足或推力过大的状况，实施例2具体的采用了一种设置简单、成本低易于实现的方式：设置传动机构，传动机构包括第一螺纹套筒、摇柄和连接绳（或传动杆）。旋转摇柄通过连接绳或传动杆牵动活动块向后滑动，从而模拟掌子面推力不足的情况；旋转摇柄通过传动杆将力传递至活动块使其向前推进，从而模拟掌子面推力过大的情况。

实施例3，与实施例1的区别在于：它还包括基座11，基座上设置有第二螺纹套筒12，第二螺纹套筒内设置有螺杆13，所述螺杆远离基座的一端与所述钢块上朝向箱体底壁的一侧固定连接，需要调节钢块所在高度时在箱体外通过第二螺纹套筒内的螺杆进行调节、调节好后如需进行半隧道实验则将基座放置于箱体底壁靠近箱体侧面处，进行全隧道实验时最好不将基座及钢块放入箱体内，这样便能够方便的调节钢块的埋深从而模拟半隧道的埋深。当然调节钢块所在高度还可以采用别的方法。

实施例4，与实施例1的区别在于：所述第一钢管在直径较小的通孔一端穿过通孔在箱体外部固定连接有与箱体外壁相贴的紧固螺母14，这样能够保证第二钢管与第一钢管相对滑移时第一钢管不发生滑动。

实施例5，与实施例4的区别在于：所述第二钢管与箱体内壁间以及紧固螺母与箱体外壁间均设置有密封圈，这样增强了设备的密封性、实验时防止砂或粘土漏出。

实施例6，与实施例1的区别在于：所述箱体外设置有照明灯15，这样能够在亮度较暗时补光，提高拍摄的清晰度。

实施例7，与实施例1的区别在于：第二钢管位于箱体外且远离直径较小的通孔的一侧固定连接有拉手16，这样方便实验人员手握拉手调节第二钢管的位置。

本发明中，具体的箱体的尺寸可以是1000×600×600mm（长×宽×高），在箱体采用这种尺寸的前提下：四块侧面均采用10mm厚的玻璃板，底板最好采用5mm厚的钢板，采用大小至少为60×40×2mm（长×宽×高）的方钢在箱体周边进行连接加固，在箱体两块面积较大的相对侧面上（即1000×600mm的面）对应开设有通孔，通孔大小分别为Φ60mm和Φ55mm、两通孔中心点的连线长600mm，在一较小的侧板上（即尺寸600×600mm的面）设置Φ6mm的开口，开口与面积较大的侧面距离30mm，离底板300mm。

模拟全隧道的第一钢管的尺寸有多种，例如为Φ60mm×700mm（Φ60mm指外直径，700mm指钢管长度，下同）、Φ55mm×700mm、Φ50mm×700mm、Φ45mm×700mm、Φ40mm×700mm，总之第一钢管的长度要大于等于两通孔之间的距离，第二钢管尺寸有多种，例如为Φ65mm×700mm、Φ60mm×700mm、Φ55mm×700mm、Φ50mm×700mm、Φ45mm×700mm。第一钢管可以是实心也可以是空心，也可以是所准备的第一钢管中尺寸最小的那个是实心（例如Φ40mm×700mm的第一钢管是实心的）、其他第一钢管的内部空心且厚度为2.5mm（即在第一钢管非实心的前提下，如果外直径为Φ60mm则内直径为Φ55mm）。当进行使用需要安装时，模拟隧道第二钢管所选用的大小是大于第一钢管的、从而能够使得第二钢管内壁位于第一钢管外壁外，全隧道及开挖面的厚度的调整方法有多种，例如将管道从箱体上拆卸下换上另外一种大小的管道、例如通过将两个管道进行叠加以改变总厚度（例如将尺寸为Φ50mm×700mm的第二钢管套在尺寸为Φ45mm×700mm的第二钢管外，假设钢管的厚度为2.5mm则套接后相当于得到了一个5mm厚的开挖面）。

模拟半隧道的钢块外径60mm、内径55mm、钢块长度200mm，活动块的外径55mm、长度120mm，钢块与基座之间的距离在200～400mm的范围内进行调节以改变半隧道的埋深。在进行半隧道试验时两个通孔采用100cm²的玻璃临时封闭，将基座放入箱体使得钢块与箱体内壁接触从而围成一个空间。

当然根据箱体尺寸的不同、可以对数据进行相应调整，Φ60mm和Φ55mm的通孔也可以是在两块面积较小的相对侧面上开设（即600×600mm的面，当然此时两通孔中心点的连线长1000mm、第一钢管也要相应的加长）。

本发明的使用步骤如下：

①根据所需要进行的实验对设备进行安装；

②往箱体中装填充物（砂或粘土等），加压或在重力下固结，初步稳定后，安装百分表，待固结完成后且百分表读数稳定后，拍摄土层在隧道开挖前的照片作为基准照片；

③进行隧道开挖模拟试验，根据需要调节第二钢管或活动块的位置,第二钢管的钢管与第一钢管相互间的滑动来模拟地层损失、采用活动块的滑动来模拟盾构开挖。待百分表读数稳定后，用数码相机第一钢管轴向靠近较大通孔的一侧或钢块径向能够观测到钢块内部的一侧，对土体变形场进行照相测量进行拍摄；也可以在开挖过程中连续拍摄，研究土层变形随时间的变化规律；

④将所拍摄的土层变形照片输入计算机，利用数字照相分析软件处理图像，获取土体的变形场和应力场。

本领域技术人员应当知晓，本发明的保护方案不仅限于上述的实施例，还可以在上述实施例的基础上进行各种排列组合与变换，在不违背本发明精神的前提下，对本发明进行的各种变换均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于包括箱体，所述箱体至少两个侧面透明，箱体的其中两个相对侧面上均设置有通孔，箱体侧面上设有能够与该侧内侧壁接触的钢块，钢块的轴线与设置有钢块的那个侧面平行，两个通孔中一个通孔的直径比另一个通孔大，箱体上还设置有穿过两个通孔的第一钢管和穿过直径较大的通孔的第二钢管，第二钢管位于第一钢管外且与第一钢管活动连接，所述钢块所在位置能够对第一钢管和第二钢管进行让位，所述钢块内部为空心结构使得钢块内部能够与箱体的内壁围成一个空间，钢块内部活动连接有活动块且钢块的轴线方向上至少一侧设置有供该活动块穿出的结构，所述箱体外设置有照相机。

2.根据权利要求1所述的测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于：与所述钢块轴线的延长线相交的箱体侧面的外壁上设置第一螺纹套筒，第一螺纹套筒螺纹连接有摇柄，钢块靠近设有第一螺纹套筒的箱体侧面的一端设置以及有设有第一螺纹套筒的箱体侧面上均设置有开口，所述活动块上固定连接有传动杆或连接绳，所述开口的大小与传动杆或连接绳相适配且第一螺纹套筒的内部空间能够容纳传动杆或连接绳，所述传动杆或连接绳远离活动块的一端穿过开口且伸入第一螺纹套筒且与摇柄伸入第一螺纹套筒的一端固定连接。

3.根据权利要求1所述的测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于它还包括基座，基座上设置有第二螺纹套筒，第二螺纹套筒内设置有螺杆，所述螺杆远离基座的一端与所述钢块上朝向箱体底壁的一侧固定连接，需要调节钢块所在高度时在箱体外通过第二螺纹套筒内的螺杆进行调节、调节好后将基座放置于箱体底壁靠近箱体侧面处。

4.根据权利要求1所述的测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于所述第一钢管远离直径较大的通孔的一端位于箱体外部且该端固定连接有与箱体外壁相贴的紧固螺母。

5.根据权利要求4所述的测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于所述第二钢管与箱体内壁间以及紧固螺母与箱体外壁间均设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于所述箱体外设置有照明灯。

7.根据权利要求1所述的测量盾构施工临近地层变形和应变的试验装置，其特征在于第二钢管位于箱体外且远离直径较小的通孔的一侧固定连接有拉手。