CN107560879A - 一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置及使用方法，该装置包括土工离心机和设于其上的模型箱，所述模型箱内设有用于承受箱内土体压力的盾壳，所述盾壳端部设有刚性支护面，所述刚性支护面上连有用于带动其移动的加载***，所述模型箱内还设有数据采集***，当加载***带动刚性支护面移动时，所述数据采集***能够检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据。本发明不仅能够模拟土体原型的自重、应力随深度的变化、自然状态下的土体分布，同时能够观察隧道开挖面支护阻力大小，模拟隧道开挖面的稳定与变形，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供理论指导，保证施工顺利进行。

Description

一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置及使用方法。

背景技术

随着城市的发展，轨道交通变化日新月异，越来越多的地下隐蔽工程被建设，隧道工程呈现多样化趋势。设计者如何确定在隧道开挖掘进过程中，对开挖面施加的支护条件，是保证施工安全的关键。当开挖面支护较小时，会引起隧道开挖面的失稳破坏，而开挖面支护较大时，则会引起地面***。

当前对掌子面的研究主要有理论推导、数值模拟和试验观察。现今数值模拟由于其简便、成本低、耗时少等特点，得到广泛应用。它通过软件建立隧道模型，添加边界条件模拟隧道开挖过程，分析不同支护条件下开挖面的变形破坏。然而数值模拟方法存在着一些明显不足。首先，土体作为自然材料，土体的物理参数及力学特性的测试是近似的，而测试值用于数值模拟的计算参数中必然会造成数值计算的结果同实际情况有较大出入；其次，土体是三相介质，在自然状态地层中是非均质分布的，然而数值计算过程中只能将土体视为均质分布，使得计算结果与实际结果有较大的出入。

为了准确描述开挖面的稳定与变形，以及开挖失稳引起的地表沉降同时描述开挖面支护与位移之间的关系，需要一种能够用于模拟隧道开挖面失稳的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前采用数值模拟隧道开挖过程，分析不同支护条件下开挖面的变形破坏时，存在数值计算的结果同实际情况有较大出入的问题，提供一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其不仅能够模拟原型的自重、应力随深度的变化、自然状态下的土体分布，同时能够通过观察隧道开挖面支护阻力大小，模拟隧道开挖面的稳定与变形。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置，包括土工离心机和设于其上的模型箱，所述模型箱内设有用于承受箱内土体压力的盾壳，所述盾壳端部设有刚性支护面，所述刚性支护面上连有用于带动其移动的加载***，所述模型箱内还设有数据采集***，当加载***带动刚性支护面移动时，所述数据采集***能够检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据。

本发明通过采用土工离心机以及模型箱，同时在模型箱内设置盾壳、刚性支护面、加载***以及数据采集***，使用时在模型箱内根据施工地层情况布置试验土体，采用土工离心机来模拟土体自重应力，采用加载***带动刚性支护面移动，同时利用数据采集***检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据，该装置不仅能够模拟原型的自重、应力随深度的变化、自然状态下的土体分布，同时能够通过观察隧道开挖面支护阻力大小，模拟隧道开挖面的稳定与变形。

作为本发明的优选方案，所述加载***包括与刚性支护面相连的加载杆，所述加载杆上连有用于带动其移动的动力组件。该加载***通过动力组件带动加载杆移动，进而带动刚性支护面移动，实现对刚性支护面的位移控制，从而改变支护阻力大小，模拟隧道开挖面失稳过程。

作为本发明的优选方案，所述动力组件包括依次连接的三相异步电机、无级变速器和涡轮减速器，所述涡轮减速器上连有动力丝杆，所述动力丝杆上设有与加载杆相连的丝杆螺母。由于该动力组件中设置了动力丝杆和丝杆螺母，丝杆螺母通过螺纹将动力丝杆的角速度转换成前后方向的线速度，并将该线速度传递给加载杆，进而带动刚性支护面移动。

作为本发明的优选方案，所述数据采集***包括轴力计、LVDT位移传感器以及激光位移传感器；所述轴力计连接在加载杆上，用于检测支护阻力；所述LVDT位移传感器连接在刚性支护面上，用于检测不同支护阻力条件下刚性支护面的位移；所述激光位移传感器设置在刚性支护面上方土体中，用于检测土体沉降。通过轴力计与LVDT位移传感器可以得到开挖面支护阻力与位移关系曲线，激光位移传感器可以得到开挖面地表沉降曲线，进而计算开挖面的极限支护力，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供理论指导，保证施工顺利进行。

作为本发明的优选方案，所述模型箱侧面设有透明材质的观察窗，所述观察窗外设有摄像装置。通过在透明材质的观察窗外设置摄像装置，该摄像装置传出的图像，经过颗粒图像测速技术可以看出开挖面失稳模式。

作为本发明的优选方案，所述盾壳内设有用于支撑加载杆的隔板，可以确保试验加载时，加载杆能稳定地带动刚性支护面移动，使轴力计检测支护阻力时更加准确可靠。

作为本发明的优选方案，所述激光位移传感器的数量为五个，并排布置在刚性支护面上方土体中。

本发明还提供一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置的使用方法，包括以下步骤：

a、向模型箱内添加试验土体；

b、将模型箱置于土工离心机上；

c、开启数据采集***和摄像装置，将离心加速度提高到50g并稳定10min；

d、通过加载***控制刚性支护面按要求移动。

本方法通过在模型箱内设置试验土体，采用土工离心机来模拟土体自重应力，采用加载***带动刚性支护面移动，同时利用数据采集***和摄像装置对试验相关数据进行检测，该方法能够模拟隧道开挖面的稳定与变形情况，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供理论指导，保证施工顺利进行。

作为本发明的优选方案，在步骤a中，在向模型箱内添加试验土体时，应参照实际地质勘查报告的地层分布情况布置，且取施工现场地基土作为实验用土，从而使试验土体更加接近实际施工地质情况，有利于进一步提高该模拟试验的准确性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用土工离心机以及模型箱，同时在模型箱内设置盾壳、刚性支护面、加载***以及数据采集***，使用时在模型箱内根据施工地层情况布置试验土体，采用土工离心机来模拟土体自重应力，采用加载***带动刚性支护面移动，同时利用数据采集***检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据，该装置不仅能够模拟原型的自重、应力随深度的变化、自然状态下的土体分布，同时能够通过观察隧道开挖面支护阻力大小，模拟隧道开挖面的稳定与变形；

2、本发明通过轴力计与LVDT位移传感器可以得到开挖面支护阻力与位移关系曲线，激光位移传感器可以得到开挖面地表沉降曲线，进而计算开挖面的极限支护力，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供理论指导，保证施工顺利进行；

3、本发明通过在透明材质的观察窗外设置摄像装置，该摄像装置传出的图像，经过颗粒图像测速技术可以看出开挖面失稳模式。

附图说明

图1为本发明中的模拟隧道开挖面失稳的试验装置的结构示意图。

图2为本发明中的模拟隧道开挖面失稳的试验装置的侧视图。

图3为本发明中的动力组件局部结构示意图。

图中标记：1-模型箱，2-三相异步电机，3-无级变速器，4-涡轮减速器，5-电机固定挡板，6-盾壳，7-加载杆，8-隔板，9-LVDT位移传感器，10-轴力计，11-刚性支护面，12-激光位移传感器，13-高强度透明特种玻璃，14-照相机，15-动力丝杆，16-丝杆螺母。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明提供一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置；

如图1-图3所示，本实施例中的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，包括土工离心机和设于其上的模型箱1，该土工离心机设置在实验室，用于模拟重力，使试验土体在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致；该模型箱内填装按照原型的几何形状比例缩小，物理性状相似的土体；所述模型箱1内设有用于承受箱内土体压力的盾壳6，其为镀锌铁薄壁圆筒结构，所述盾壳6端部设有刚性支护面11，其为开挖面提供支护阻力，所述刚性支护面11上连有用于带动其移动的加载***，所述模型箱1内还设有数据采集***，当加载***带动刚性支护面移动时，所述数据采集***能够检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据。

本实施例中，所述加载***包括与刚性支护面11相连的加载杆7，所述加载杆7上连有用于带动其移动的动力组件。该加载***通过动力组件带动加载杆移动，进而带动刚性支护面移动，实现对刚性支护面的位移控制，从而改变支护阻力大小，模拟隧道开挖面失稳过程。

本实施例中，所述动力组件包括依次连接的三相异步电机2、无级变速器3和涡轮减速器4，所述涡轮减速器4上连有动力丝杆15，所述动力丝杆15上设有与加载杆7相连的丝杆螺母16，由于该动力组件中设置了动力丝杆和丝杆螺母，丝杆螺母通过螺纹将动力丝杆的角速度转换成前后方向的线速度，并将该线速度传递给加载杆，进而带动刚性支护面移动；所述三相异步电机2安装在电机固定挡板5上，所述盾壳6内设有用于支撑加载杆7的隔板8，可以确保试验加载时，加载杆能稳定地带动刚性支护面移动，使轴力计检测支护阻力时更加准确可靠。另外，本实施例中的三相异步电机与电机控制开关连接，该电机控制开关设有正转、反转和停止档位，可以通过改变电流输入方向来控制电机的正转、反转及停止；所述涡轮减速器可以根据需要设置为1～5个。

本实施例中，所述数据采集***包括轴力计10、LVDT位移传感器9以及激光位移传感器12；所述轴力计10与隔板8连接固定在加载杆7上，所述LVDT位移传感器9有两个，设置在盾壳6内，分别与刚性支护面11以及电机固定挡板5连接；所述激光位移传感器12有五个，并排设置在刚性支护面11上方土体中。所述数据采集***与外部的数据分析单元连接，其中，轴力计10用于检测支护阻力；LVDT位移传感器9用于检测不同支护阻力条件下刚性支护面的位移；激光位移传感器12用于检测土体沉降。通过轴力计与LVDT位移传感器可以得到开挖面支护阻力与位移关系曲线，激光位移传感器可以得到开挖面地表沉降曲线，进而计算开挖面的极限支护力，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供理论指导，保证施工顺利进行。

本实施例中，所述模型箱1侧面设有透明材质的观察窗，其为高强度透明特种玻璃13，方便观察模型箱内土体变化，所述观察窗外设有摄像装置，其为照相机14。通过在透明材质的观察窗外设置摄像装置，该摄像装置传出的图像，经过颗粒图像测速技术可以看出开挖面失稳模式。

本实施例通过采用土工离心机以及模型箱，同时在模型箱内设置盾壳、刚性支护面、加载***以及数据采集***，使用时在模型箱内根据施工地层情况布置试验土体，采用土工离心机来模拟土体自重应力，采用加载***带动刚性支护面移动，同时利用数据采集***检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据，该装置不仅能够模拟原型的自重、应力随深度的变化、自然状态下的土体分布，同时能够通过观察隧道开挖面支护阻力大小，模拟隧道开挖面的稳定与变形。

实施例2

本发明提供上述模拟隧道开挖面失稳的试验装置的使用方法，包括以下步骤：

a、向模型箱内添加试验土体；

b、将模型箱置于土工离心机上；

c、开启数据采集***和摄像装置，将离心加速度提高到50g并稳定10min；

d、通过加载***控制刚性支护面按要求移动。

本实施例中，在步骤a中，在向模型箱内添加试验土体时，应参照实际地质勘查报告的地层分布情况布置，且取施工现场地基土作为实验用土，从而使试验土体更加接近实际施工地质情况，有利于进一步提高该模拟试验的准确性。

模拟某埋深比为0.5的隧道，地基土为密实砂土地层，盾构开挖面失稳过程，获得相关数据，具体的操作如下：

选用ZJU400离心机，刚性模型箱内尺寸为1m×0.45m×1m，由4块侧板和一块底板组成，其中前侧板由高强度铝框内镶高强度透明特种玻璃制成，其余箱板由高强度铝材料制成，模型盾构主要包括盾壳、刚性支护面和隔板，盾壳内径100mm，采用不锈钢线制成，隔板为一块直径100mm、厚5mm的铝板，其与盾壳通过螺丝固定，模型试验地基土参照实际地质勘查报告的地层分布情况布置，且取施工现场地基土作为实验用土。制作模型箱，将制作好的模型装置放入离心机吊篮，通过电机控制开关控制刚性支护面位置保持不变，开启数据采集***和照相机后，控制离心加速度提高到50g并稳定10min。此时，可通过电机开关控制刚性支护面安装试验方案所设计的方向移动，试验结束后，保存实验数据。

实验过程中，通过轴力计与LVDT位移传感器可以得到开挖面支护力与位移关系曲线；通过照相机传出的图像，经过颗粒图像测速技术可以看出开挖面失稳模式；激光位移传感器可以得带开挖面地表沉降曲线；通过实验所得数据，可以计算开挖面的极限支护力，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供了理论指导，保证了施工的顺利进行。

本方法通过在模型箱内设置试验土体，采用土工离心机来模拟土体自重应力，采用加载***带动刚性支护面移动，同时利用数据采集***和摄像装置对试验相关数据进行检测，该方法能够模拟隧道开挖面的稳定与变形情况，为实际开挖过程中所遇到的具体情况提供理论指导，保证施工顺利进行。

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，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，包括土工离心机和设于其上的模型箱，所述模型箱内设有用于承受箱内土体压力的盾壳，所述盾壳端部设有刚性支护面，所述刚性支护面上连有用于带动其移动的加载***，所述模型箱内还设有数据采集***，当加载***带动刚性支护面移动时，所述数据采集***能够检测刚性支护面的位移、支护阻力以及上方土体沉降数据。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，所述加载***包括与刚性支护面相连的加载杆，所述加载杆上连有用于带动其移动的动力组件。

3.根据权利要求2所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，所述动力组件包括依次连接的三相异步电机、无级变速器和涡轮减速器，所述涡轮减速器上连有动力丝杆，所述动力丝杆上设有与加载杆相连的丝杆螺母。

4.根据权利要求3所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，所述数据采集***包括轴力计、LVDT位移传感器以及激光位移传感器；所述轴力计连接在加载杆上，用于检测支护阻力；所述LVDT位移传感器连接在刚性支护面上，用于检测不同支护阻力条件下刚性支护面的位移；所述激光位移传感器设置在刚性支护面上方土体中，用于检测土体沉降。

5.根据权利要求1-4之一所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，所述模型箱侧面设有透明材质的观察窗，所述观察窗外设有摄像装置。

6.根据权利要求2-4之一所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，所述盾壳内设有用于支撑加载杆的隔板。

7.根据权利要求4所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，所述激光位移传感器的数量为五个，并排布置在刚性支护面上方土体中。

8.一种如权利要求1-7任一所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、向模型箱内添加试验土体；

b、将模型箱置于土工离心机上；

c、开启数据采集***和摄像装置，将离心加速度提高到50g并稳定10min；

d、通过加载***控制刚性支护面按要求移动。

9.根据权利要求8所述的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，其特征在于，在步骤a中，在向模型箱内添加试验土体时，应参照实际地质勘查报告的地层分布情况布置，且取施工现场地基土作为实验用土。