CN107664600A - 盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置及方法，装置包括壳体、围压模拟机构、位移同步加载机构、至少两份填料和测量组件；壳体包括底壁、至少一部分透明的侧壁和顶壁；围压模拟机构包括加压板和至少两个升降机，底壁、侧壁与加压板围成填料箱体；各升降机的同步升降带动加压板上下移动；位移同步加载机构包括驱动机、圆柱形筒壁及封盖其内端的圆形挡板、半圆柱形筒壁及封盖其内端的半圆形挡板；驱动机驱动两个挡板同步移动；填料分层充填在填料箱体中，相邻层的颜色不同；测量组件包括圆形挡板上的土压力传感器、加压板上的围压传感器、采集仪和处理器。本发明对掘进面土体压力分布和土体滑移状态进行模型试验研究。

Description

盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道盾构的技术领域，特别是涉及一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置及方法。

背景技术

现有技术中，进行隧道盾构掘进面稳定性分析时，通常对土体进行纵切或横切，采用平面加载的方式进行试验，研究掘进面前方土体的土压力分布情况和掘进面失稳时前方土体的滑移情况，其中纵切面的研究较多，然而单纯研究隧道纵切面或者横切面并不能反映掘进面失稳时前方土体全部情况。即使在不同试验装置上同时研究隧道掘进面的纵剖面和横剖面，然后进行结合分析，同样存在应力环境差异，加载同步性不清晰等，导致隧道掘进面临界失稳时不能真实反映三维土体应力应变关系，分析结果的可靠性也存疑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为了提供一种能够反映隧道盾构掘进过程中掘进面临界失稳状态下土体在不同位移时应力变化情况的装置和方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，用于模拟隧道掘进面稳定性，所述盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置包括：

壳体，包括底壁、侧壁和顶壁，所述底壁封闭在所述侧壁的下端开口，所述顶壁能拆卸地连接在所述侧壁的上端，所述顶壁用于为模拟周围压力提供反力；所述侧壁的至少一部分由透明材质制成；

围压模拟机构，包括加压板、至少两个升降机和联轴器；所述加压板的外侧密封且滑动连接在所述侧壁的内侧，所述底壁、所述侧壁与所述加压板围合成填料箱体腔；各所述升降机的两端分别连接所述顶壁和所述加压板；通过所述联轴器的连接实现各所述升降机的同步升降，并带动所述加压板沿所述侧壁上下移动，实现围压模拟；

位移同步加载机构，包括驱动机、水平设置于所述填料腔箱体中的圆柱形筒壁、位于所述填料箱体腔中且与所述圆柱形筒壁平行的半圆柱形筒壁、封盖于所述圆柱形筒壁的内端开口处的圆形端盖挡板和封盖于所述半圆柱形筒壁的内端开口处的半圆形端盖挡板；所述圆柱形筒壁的外端和所述半圆柱形筒壁的外端均伸出所述壳体，且分别与所述驱动机连接，所述驱动机驱动所述圆柱形筒壁挡板和所述半圆柱形筒壁挡板向所述筒壁填料箱体腔的内部同步水平移动；

至少两份填料，从下至上分层充填在所述填料箱体腔中，相邻层中的所述填料的颜色不同；

测量组件，包括分别均匀布置在所述圆形挡板上的多个土压力传感器、和设置在两个挡板所述加压板上的多个力围压传感器设置在所述圆形端盖和所述半圆形端盖上的多个压力传感器、采集仪和处理器，所述采集仪与各所述土压力传感器、所述围压传感器分别电连接，并接收其发出的压力信号，所述处理器处理各所述压力信号。

进一步地，所述圆柱形筒壁的半径与所述半圆柱形筒壁的半径相同，处于同一高度，试验时处于同一应力环境，可以测试和模拟同一隧道的纵剖面和横剖面，展示其三维破坏位移应力情况。

进一步地，所述土压力传感器在所述圆形挡板端盖上沿其经线和纬线均匀布置，所述压力传感器在所述半圆形端盖上沿其经线和纬线均匀布置。

更进一步地，所述驱动机包括两根横向设置的螺杆、联轴器和手轮；

两根所述螺杆分别置于所述圆柱形筒壁内和所述半圆柱形筒壁内，并分别与所述圆形端盖挡板和所述半圆形挡板端盖能转动地连接；所述联轴器连接两根所述螺杆，所述手轮与所述联轴器连接；

通过转动所述手轮，驱动所述联轴器转动，并带动两根所述螺杆同步做伸缩运动，两根所述螺杆的伸缩运动分别推动所述圆形挡板端盖和所述半圆形挡板端盖同步水平移动。

进一步地，充填在所述圆柱形筒壁上方的所述填料的厚度大于0，且小于或等于所述圆柱形筒壁直径的三倍。

作为一种可实施的方式，所述填料为砂土。

作为一种可实施的方式，所述侧壁全部由透明材质制成，并在其上张贴透明刻度纸，最小刻度为1毫米。

进一步地，所述侧壁包括四块壁板，四块所述壁板围成矩形筒；

所述圆柱形筒壁的外端和所述半圆柱形筒壁的外端均垂直穿过其中一块所述壁板。

本发明还提出一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验方法，用于模拟隧道掘进，采用上述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，所述盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验方法包括如下步骤：

步骤S10，将圆柱形筒壁的内端置于填料箱体腔中，其外端伸出壳体；将填料从下至上分层充填在所述填料箱体腔中；

步骤S20，围压模拟机构的升降机向加压板施加向下的压力，位移同步加载机构的驱动机驱动圆形挡板和半圆形挡板柱形筒壁向所述填料箱体腔的内部同步水平移动；

步骤S30，读取土压力传感器的初始压力读数和力围压传感器的初始围压读数，均匀摇动手柄所述驱动机使所述圆形挡板和所述半圆形挡板后移，采集所述土压力传感器和所述力围压传感器的变化，并通过透明材质制成的侧壁观察分层的填料在所述填料箱体腔中的变化，直至所述读数下降为0；

步骤S40，试验完毕后，卸下所述加压板，清空所述填料箱体中的所述填料砂土，准备下一组试验或者停止。

(三)有益效果

本发明提供的一种能够反映隧道盾构掘进过程中土体变化情况的装置及其方法，通过圆形挡板和半圆形挡板的水平位移、以及土压力传感器和围压传感器测得的压力信号，对盾构掘进面土体压力分布和掘进面临界滑移状态进行研究。在土体发生变形的过程中，观察隧道不同剖面处土体的位移情况，根据分层充填且颜色交替的填料，观察土体滑裂面的形状，根据土压力传感器和围压传感器测得的数据，确定在不同位移条件下圆形挡板和半圆形挡板上的压力分布情况。

建立半圆柱形筒壁可以观察到实际隧道掘进面纵剖面的土***移情况，建立圆柱形筒壁可以观察到掘进面横剖面土***移情况，从而本发明通过对纵剖面和横剖面的模拟，实现对盾构掘进面的三维分析。

附图说明

图1为本发明的盾构掘进面的三维试验装置(不含顶壁)的结构示意图；

图2为本发明的盾构掘进面的三维试验装置的壳体(不含顶壁)、圆柱形筒壁和半圆柱形筒壁的结构示意图；

图3为本发明的盾构掘进面的三维试验装置的圆形挡板上土压力传感器的分布示意图；

图4为本发明的盾构掘进面的三维试验装置的圆形挡板的竖轴上监测点土压力与挡板位移之间的关系；

图5为本发明的盾构掘进面的三维试验装置的圆形挡板的横轴上监测点土压力与挡板位移之间的关系。

附图标记：

10-壳体；12-底壁；14-侧壁；

22-圆柱形筒壁；24-圆形挡板；

32-半圆柱形筒壁；34-半圆形挡板；

40-位移同步加载机构；42-螺杆；

44-用于位移加载的联轴器；46-手轮；

50-围压模拟机构；52-加压板；54-升降机；

62-土压力传感器；64-采集仪；66-处理器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1和图2所示，本发明提出一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，用于模拟隧道掘进，盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置包括壳体10、围压模拟机构50、位移同步加载机构40、至少两份填料和测量组件。

壳体10包括底壁12、侧壁14和顶壁，底壁12封闭在侧壁14的下端开口，顶壁能拆卸地连接在侧壁14的上端，顶壁用于为模拟周围压力提供反力；侧壁14的至少一部分由透明材质制成。

围压模拟机构50包括加压板52、至少两个升降机54和联轴器；加压板52的外侧密封且滑动连接在侧壁14的内侧，底壁12、侧壁14与加压板52围合成填料箱体。各升降机54的两端分别连接顶壁和加压板52；通过联轴器的连接实现各升降机54的同步升降，并带动加压板52沿侧壁14上下移动，实现围压模拟。

位移同步加载机构40包括驱动机、水平设置于填料箱体中的圆柱形筒壁22、位于填料箱体中且与圆柱形筒壁22平行的半圆柱形筒壁32、封盖于圆柱形筒壁22的内端开口处的圆形挡板24和封盖于半圆柱形筒壁32的内端开口处的半圆形挡板34。圆柱形筒壁22的外端和半圆柱形筒壁32的外端均伸出壳体10，且分别与驱动机连接，驱动机驱动圆形挡板24和半圆形挡板34向填料箱体的内部同步水平移动。

填料从下至上分层充填在填料箱体中，相邻层中的填料的颜色不同。测量组件包括均匀布置在圆形挡板24上的多个土压力传感器62、设置在加压板52上的围压传感器、采集仪64和处理器66，采集仪64与土压力传感器62、围压传感器分别电连接，并接收其发出的压力信号，处理器66处理各压力信号。较优地，处理器66即为计算机。

本发明的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，适用于研究土体压力平衡时盾构掘进面的稳定性。盾构掘进时，圆柱形筒壁22上的圆形挡板24和半圆柱形筒壁32上的半圆形挡板34维持掘进面的稳定，这种支护模式可以简化为位移支护模式。

本发明通过圆形挡板24和半圆形挡板34的水平位移、以及土压力传感器62和围压传感器测得的压力信号，对盾构掘进面土体压力分布和掘进面临界滑移状态进行研究。当圆形挡板24和半圆形挡板34水平向内移动，作用于土体，土体发生变形，在发生塌陷时土体的支护力最小；在此过程中，观察隧道不同剖面处土体的位移情况，根据分层充填且颜色交替的填料，观察土体滑裂面的形状，根据土压力传感器62测得的数据，确定在不同位移条件下圆形挡板24和半圆形挡板34上的压力分布情况。另外，泥水盾构往往也装备有低开口率的面板，该面板对土体压力的支护作用也可以使用本发明的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置进行研究。

进一步地，圆柱形筒壁22的半径与半圆柱形筒壁32的半径相同，处于同一高度，试验时处于同一应力环境，可以测试和模拟同一隧道的纵剖面和横剖面，展示其三维位移应力情况。本实施例中，圆柱形筒壁22和半圆柱形筒壁32的半径均为150毫米，厚度均为20毫米。

同时采用圆柱形筒壁22和半圆柱形筒壁32，可以研究在相同的位移情况下，圆形挡板24和半圆形挡板34的受力分布的区别。

假定模拟试验土体的填料充填均匀，则试验土体的位移关于隧道纵剖面对称：隧道纵剖面上只有圆柱形筒壁22长度方向(即壳体10的长度方向)和壳体10高度方向的位移，没有圆柱形筒壁22水平径向(即壳体10宽度方向)的位移。由于隧道纵剖面两侧土***移关于纵剖面对称，根据几何对称性，只取一半即对半圆柱形筒壁32模拟的隧道进行分析即可。

为显示不同支护条件下掘进面前方土***移情况，选择掘进面的纵剖面(半圆柱形筒壁32)和横剖面(圆柱形筒壁22)两个典型断面，通过透明的侧壁进行视窗观察。由于圆形隧道受力的对称性，其一半土体的受力特性与整体一致。因此，建立半圆柱形筒壁32可以观察到实际隧道掘进面纵剖面的土***移情况，建立圆柱形筒壁22可以观察到掘进面横剖面土***移情况，从而本发明通过对纵剖面和横剖面的模拟，实现对盾构掘进面的三维分析。

进一步地，请参阅图3所示，土压力传感器62在圆形挡板24上沿其经线和纬线均匀布置，本实施例中，在圆形挡板24上，力传感器62设置在经线和纬线的各个交叉点上，共计37个。

更进一步地，如图2所示，驱动机包括两根横向设置的螺杆42、用于位移加载的联轴器44和手轮46。两根螺杆42分别置于圆柱形筒壁22内和半圆柱形筒壁32内，并分别与圆形挡板24和半圆形挡板34能转动地连接；用于位移加载的联轴器44连接两根螺杆42，手轮46与用于位移加载的联轴器44连接。

通过转动手轮46，驱动用于位移加载的联轴器44转动，并带动两根螺杆42同步做伸缩运动，两根螺杆42的伸缩运动分别推动圆形挡板24和半圆形挡板34同步水平移动。

进行加载试验时，在圆形挡板24上布置土压力传感器62，将圆柱形筒壁22和半圆柱形筒壁32(即圆形挡板24和半圆形挡板34)推进至预定位置。围压模拟机构50加载预定载荷，转动手轮46使得圆形挡板24和半圆形挡板34发生微小位移，然后采集圆形挡板24和加压板52上的压力读数，通过加压板52上的围压传感器控制围压，同时观察隧道在不同剖面中土***移情况，确定不同位移条件下圆形挡板24和半圆形挡板34上压力分布形式和土体滑裂面形状。

进一步地，充填在圆柱形筒壁22上方的填料的厚度大于0，且小于或等于圆柱形筒壁22直径的三倍。较优地，使圆柱形筒壁22和半圆柱形筒壁32与底壁12的距离均为350毫米。

作为一种可实施的方式，填料为砂土。较优地，砂土采用细砂和粉砂。

作为一种可实施的方式，侧壁14全部由透明材质制成,并在其上张贴透明刻度纸，最小刻度为1毫米。较优地，顶壁也可以由透明材质制成，本实施例中侧壁14采用有机玻璃制成，从而方便试验者从各个角度观察各层填料的位移和边界线的形状变化。有机玻璃的厚度为50毫米，并在侧壁14上，沿长度方向每隔0.4米、高度方向每隔0.5米，设置宽100毫米加强钢梁。

进一步地，侧壁14包括四块壁板，四块壁板围成矩形筒；圆柱形筒壁22的外端和半圆柱形筒壁32的外端均垂直穿过其中一块壁板。此时，使该侧面及与其相对的另一侧面由透明材质制成，即可满足观察土***移的要求。

较优地，壳体10为长1.2米、宽1.0米、高1.5米，为保证强度要求，底壁12、侧壁14和加压板52均使用20毫米的厚钢板，并在底壁12和加压板52上，分别沿长度方向每隔0.4米、高度方向每隔0.5米设置宽100毫米、厚20毫米的加强肋。

作为另一种可实施的方式，侧壁14的横截面还可以为圆形。此时，使侧壁14上圆柱形筒壁22的外端和半圆柱形筒壁32的外端垂直穿过的部分区域有透明材质制成，即可满足观察土***移的要求。

较优地，围压模拟机构50包括四套升降机54，分别作用于加压板52，其作用点分别靠近加压板52的四个顶点，使用联轴器使升降机54同步加载。设计轴向应力正常负荷400kPa，极限负荷600kPa，即升降机54正常加载48吨，极限加载72吨。本实施例中，采用四套20吨的升降机54在加压板52上均匀布置。加压板52与升降机54之间可以连接传感器，传感器的量程为20吨，精度为1％，围压模拟机构50加载的应力由传感器测量并反馈，可以实现应力环境的集中控制。围压模拟机构50向下施力，可以模拟30米以下的地层。

本实施例的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置的组装过程如下：布置土压力传感器62，37个土压力传感器62沿经线和纬线均匀布置，并分别编号，同时对填料进行染色。将圆柱形筒壁22和半圆柱形筒壁32分别安装到填料箱体中。连接测量组件中土压力传感器62、采集仪64和处理器66之间的线路，进行土压力传感器62的路桥平衡后导出路桥平衡文件，将传感器初始化作为本次试验的数据初始参考值。

在填料箱体中分层铺设砂土，每层的厚度大约在0.5厘米，相邻的砂土层采用不同的颜色，以便观察土体的变化。安装围压模拟机构50及相应的反力机构。起吊围压模拟机构50至安装位置，然后安装到填料箱体中。

本发明还提出一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验方法，用于模拟隧道掘进，采用上述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验方法包括如下步骤：

步骤S10，将圆柱形筒壁22的内端置于填料箱体中，其外端伸出壳体10；将填料从下至上分层充填在填料箱体中；

步骤S20，围压模拟机构50的升降机54向加压板52施加向下的压力，位移同步加载机构40的驱动机驱动圆形挡板24和半圆形挡板34向填料箱体的内部同步水平移动；

步骤S30，读取土压力传感器62的初始压力读数和围压传感器的初始围压读数，驱动机使圆形挡板24和半圆形挡板34后移，采集土压力传感器62和围压传感器的变化，并通过透明材质制成的侧壁14观察分层的填料在填料箱体中的变化，直至读数下降为0；

步骤S40，试验完毕后，卸下加压板52，清空填料箱体中的填料，准备下一组试验或者停止。

较优地，围压模拟机构50包括电动机，启动电动机，推行加压板52到预定位置，观察轴力计示数进行施加荷载控制。本实施例中，手轮46转动时产生微小的位移变化，每3分钟转动1/6圈，使得圆形挡板24和半圆形挡板34移动0.05毫米(手轮行程为7mm/24r)，摇动手轮46直至力传感器62的示数接近为零，此时土体到达一个稳定的状态。然后每次转动3圈，观察成层砂土的位移变化。试验完毕后，先将砂土从填料箱体中清除。

通过圆形挡板24上设置的土压力传感器62，测得填料箱体内填充的填料模拟的土体的压力，并分别测得在圆形挡板24的不同位移条件下的压力值，试验结果土压力分布如图4、5所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，用于模拟隧道掘进，其特征在于，所述盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置包括：

壳体，包括底壁、侧壁和顶壁，所述底壁封闭在所述侧壁的下端开口，所述顶壁能拆卸地连接在所述侧壁的上端，所述顶壁用于为模拟周围压力提供反力；所述侧壁的至少一部分由透明材质制成；

围压模拟机构，包括加压板、至少两个升降机和联轴器；所述加压板的外侧密封且滑动连接在所述侧壁的内侧，所述底壁、所述侧壁与所述加压板围合成填料箱体；各所述升降机的两端分别连接所述顶壁和所述加压板；通过所述联轴器的连接实现各所述升降机的同步升降，并带动所述加压板沿所述侧壁上下移动，实现围压模拟；

位移同步加载机构，包括驱动机、水平设置于所述填料箱体中的圆柱形筒壁、位于所述填料箱体中且与所述圆柱形筒壁平行的半圆柱形筒壁、封盖于所述圆柱形筒壁的内端开口处的圆形挡板和封盖于所述半圆柱形筒壁的内端开口处的半圆形挡板；所述圆柱形筒壁的外端和所述半圆柱形筒壁的外端均伸出所述壳体，且分别与所述驱动机连接，所述驱动机驱动所述圆形挡板和所述半圆形挡板向所述填料箱体的内部同步水平移动；

至少两份填料，从下至上分层充填在所述填料箱体中，相邻层中的所述填料的颜色不同；

测量组件，包括分别均匀布置在所述圆形挡板上的多个土压力传感器、设置在所述加压板上的围压传感器、采集仪和处理器，所述采集仪与所述土压力传感器、所述围压传感器分别电连接，并接收其发出的压力信号，所述处理器处理各所述压力信号。

2.如权利要求1所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，所述圆柱形筒壁的半径与所述半圆柱形筒壁的半径相同，处于同一高度，试验时处于同一应力环境，可以测试和模拟同一隧道的纵剖面和横剖面，展示其三维位移应力情况。

3.如权利要求1所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，所述土压力传感器在所述圆形挡板上沿其经线和纬线均匀布置。

4.如权利要求2所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，所述驱动机包括两根横向设置的螺杆、联轴器和手轮；

两根所述螺杆分别置于所述圆柱形筒壁内和所述半圆柱形筒壁内，并分别与所述圆形挡板和所述半圆形挡板能转动地连接；所述联轴器连接两根所述螺杆，所述手轮与所述联轴器连接；

通过转动所述手轮，驱动所述联轴器转动，并带动两根所述螺杆同步做伸缩运动，两根所述螺杆的伸缩运动分别推动所述圆形挡板和所述半圆形挡板同步水平移动。

5.如权利要求1所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，充填在所述圆柱形筒壁上方的所述填料的厚度大于0，且小于或等于所述圆柱形筒壁直径的三倍。

6.如权利要求1至5任一项所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，所述填料为砂土。

7.如权利要求1至5任一项所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，所述侧壁全部由透明材质制成，并在其上张贴透明刻度纸，最小刻度为1毫米。

8.如权利要求1所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，其特征在于，所述侧壁包括四块壁板，四块所述壁板围成矩形筒；

所述圆柱形筒壁的外端和所述半圆柱形筒壁的外端均垂直穿过其中一块所述壁板。

9.一种盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验方法，用于模拟隧道掘进，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验装置，所述盾构掘进面稳定性分析的位移加载三维试验方法包括如下步骤：

步骤S10，将圆柱形筒壁的内端置于填料箱体中，其外端伸出壳体；将填料从下至上分层充填在所述填料箱体中；

步骤S20，围压模拟机构的升降机向加压板施加向下的压力，位移同步加载机构的驱动机驱动圆形挡板和半圆形挡板向所述填料箱体的内部同步水平移动；

步骤S30，读取土压力传感器的初始压力读数和围压传感器的初始围压读数，所述驱动机使所述圆形挡板和所述半圆形挡板后移，采集所述土压力传感器和所述围压传感器的变化，并通过透明材质制成的侧壁观察分层的填料在所述填料箱体中的变化，直至所述读数下降为0；

步骤S40，试验完毕后，卸下所述加压板，清空所述填料箱体中的所述填料，准备下一组试验或者停止。