CN108956935A - 一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法 - Google Patents

一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法，通过机械手控制加载杆带动隧道开挖面位移的方法，能够模拟隧道掌子面开挖过程，通过外部接水箱以及排水管路可以实现不同水位的模拟，且掌子面开挖模拟通过离心室电脑控制，水位控制可通过远程遥控控制，***整体上实现了离心试验过程的自动化控制，达到了富水富水软黏土盾构隧道掌子面开挖离心模拟的目的。本发明结构明确，各部分便于拆卸安装，可重复使用，且自动化控制程度高，可以较好的实现不同试验工况的模拟。

Description

一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法
技术领域
本发明属于离心模型试验领域，具体涉及一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法。
背景技术
随着我国交通网不断完善，越来越多的水底隧道开始修建，水底隧道施工一般采用沉管法和盾构法，尤其是盾构法，得益于其安全、快捷、方便等特点，应用更为广泛。对于盾构法施工主要问题就是掌子面稳定问题。水底地层多为富水软黏土地层，土体强度较低，工程地质条件复杂，采用盾构法施工时，水土压力共同作用于盾构掌子面，可能造成掌子面失稳破坏，威胁隧道施工安全。如何研究并评价富水软黏土隧道盾构开挖掌子面稳定问题对指导隧道安全施工具有重要意义。室内离心模型试验是一种岩土领域较好的研究手段，采用离心模型试验方法研究富水软黏土隧道开挖过程中掌子面稳定问题也是一种有效手段。但常规离心模型试验***没有提供水源模拟***，也没有提供传力***，因此目前的离心试验尚不能较好的模拟富水软黏土地层盾构开挖掌子面模拟过程，开发一套模拟富水软黏土隧道盾构开挖掌子面稳定的力学试验***与试验方法是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法，解决了在离心试验***中较好的模拟富水软黏土地层隧道盾构开挖掌子面不稳定的问题。
为了达到上述目的，一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，包括模型箱，模型箱内设置有通过盾构壳体，盾构壳体的端面上设置有开挖面，盾构壳体内设置有防水隔板，防水隔板将盾构壳体内分隔成两个腔体，盾构壳体内设置有贯穿两个内腔并与开挖面接触的光线光栅传感器，光线光栅传感器固定在加载杆上，加载杆伸出模型箱并连接机械手，机械手通过X、Y、Z轴平移机构和C向旋转机构驱动运动，模型箱底部设置有储水箱，储水箱通过排水管路接入盾构壳体内与开挖面相接触的腔体内；
光线光栅传感器连接解调仪，解调仪通过路由器连接下游设备。
模型箱底部设置有支撑块，盾构壳体固定在支撑块上。
排水管路上设置有溢流孔。
排水管路上设置有用于向模型箱内注水的电磁阀。
模型箱底部设置有排水口，排水口上设置有用于控制排水口开闭的电磁阀。
机械手通过机械手法兰连接加载杆。
模型箱外侧覆盖有有机玻璃。
一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤一，将部分土样装入模型箱内，然后安放隧道模型盾构壳体、加载杆以及光纤光栅传感器，进而继续填充土样至模型箱的预定高度，并加水浸湿到预定水位高度，在常重力下实现渗流；
步骤二，将加载杆、光纤光栅传感器和开挖面连接固定，并将导线引出，之后加载杆与机械手连接，并将机械手和模型箱一同调入离心机吊篮内；
步骤三，将储水箱固定在离心机的转臂上并将模型箱封顶，把储水箱排水管路接入模型箱顶部的入水孔；
步骤四，将光栅光纤传感器导线接入解调仪，并将解调仪固定在离心机转臂上，之后调试信号接收；
步骤五，开始进行离心，通过排水管路模拟水位变化；
步骤六，在水位变化过程中，逐步降低加载杆的加载力，模拟支护力不断减小的过程，当开挖面后撤距离大于阈值时，离心加速度逐步减小到0，完成试验。
步骤五中，离心加速度逐步提高到60G，并稳定10-20min。
步骤六中，开挖面后撤距离的阈值为10mm。
与现有技术相比，本发明的装置通过机械手控制加载杆带动隧道开挖面位移的方法，能够模拟隧道掌子面开挖过程，通过外部接水箱以及排水管路可以实现不同水位的模拟，且掌子面开挖模拟通过离心室电脑控制，水位控制可通过远程遥控控制，***整体上实现了离心试验过程的自动化控制，达到了富水富水软黏土盾构隧道掌子面开挖离心模拟的目的。本发明结构明确，各部分便于拆卸安装，可重复使用，且自动化控制程度高，可以较好的实现不同试验工况的模拟。
本发明的方法通过离心机带动模型箱转动模拟离心力，通过排水管路进行水循环来模拟不同水位下开挖面的压力，通过加载杆模拟开挖面的支护力，本方法流程简单，便于实施，能够有效的模拟富水软黏土地层盾构开挖掌子面模拟过程，为工程实施提供了有效的参考依据，提高了施工效率。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明中光纤光栅传感器的安装图；
其中，1机械手、2机械手法兰、3加载杆、4光纤光栅传感器、5防水隔板、6盾构壳体、7开挖面、8支撑块、9排水管路、10电磁阀、11储水箱、12溢流孔、13模型箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图3，一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，包括模型箱13，模型箱13内设置有通过盾构壳体6，盾构壳体6的端面上设置有开挖面7，盾构壳体6内设置有防水隔板5，防水隔板5将盾构壳体6内分隔成两个腔体，盾构壳体6内设置有贯穿两个内腔并与开挖面7接触的光线光栅传感器4，光线光栅传感器4固定在加载杆3上，加载杆3伸出模型箱13并连接机械手1，机械手1通过机械手法兰2连接加载杆3，机械手1通过X、Y、Z轴平移机构和C向旋转机构驱动运动，模型箱13底部设置有储水箱11，储水箱11通过排水管路9接入盾构壳体6内与开挖面7相接触的腔体内，模型箱13底部设置有支撑块8，盾构壳体6固定在支撑块8上，排水管路9上设置有溢流孔12，排水管路9上设置有用于向模型箱13内注水的电磁阀10，模型箱13底部设置有排水口，排水口上设置有用于控制排水口开闭的电磁阀10，模型箱13外侧覆盖有有机玻璃。
光线光栅传感器4连接解调仪，解调仪通过路由器连接下游设备。
机械手1作为加载装置，各方向都由独立的电机驱动，依靠X、Y、Z轴平移机构和C向旋转机构可实现机械手四轴精确定位。机械手1电机下方安装有机械手法兰2，机械手1通过机械手法兰2连接加载杆3，实现对开挖面7位移的控制，机械手1的控制由离心机室的电脑操控，可对机械手1空间三维位移进行量化管理，可以自主设定位移速率。
靠近开挖面7处的加载杆3上设置有光纤光栅传感器4用来测量加载杆3作用的力，当离心机转动时，无法通过有线网络传输光纤光栅的信号，此时需要外接路由器进行无线信号传输，具体实现过程如下：将光栅光纤传感4有线信号连接到路由器上，在离心机顶部转轴处将无线路由器进行固定，路由器在离心机工作时将于转轴共同转动，再将另外一个路由器固定在地面处，并与离心机控制室内电脑相连，通过路由器的桥接功能将两个路由器进行无线对接，从而解决了离心机在转动时，转臂上数据难以传输的缺点。
光纤光栅传感器4采用两端进行螺纹处理，以便装卸，光纤光栅信号通过接入解调仪接受，再通过无线路由器传输到电脑上。解调仪先接收光纤光栅传感器4信号，解调仪连接离心机转轴上路由器，路由器通过桥接将信号无线传输出去。光纤光栅传感器4一端连加载杆3上，一端连接开挖面7上。当离心机转动起来时模型箱内土压作用在开挖面7上，在没有外力的作用情况下，开挖面将会后撤。然而开挖面受到来自加载杆上3的力，将会保持静力平衡。此时加载杆3上的轴力等于开挖面7所受到土压力减去开挖面与隧道模型盾构壳体6之间的摩擦力，盾构壳体6与开挖面7之间摩擦力试验前测得，开挖面7采用带孔铝板进行模拟。
为实现稳态渗流状态下开挖面7稳定性研究，将储水箱11绑在离心机转臂上，并进行遥控开关，对模型箱内注水，水流通过土颗粒间空隙，从开挖面7处小孔流入隧道模型内，并从隧道模型里的排水管路9流入到模型箱下部的水箱11内，从而实现渗流。模型箱13内的水位高度通过溢流孔12控制。设定三个溢流孔12，分别处于不同的高度，通过溢流孔12实现水位的高低。
隧道盾构壳体6模型置于模型箱13内支撑块8上，支撑块8放在模型箱内有机玻璃一侧并焊接固定，为固定隧道，可将隧道模型与支撑块8焊接。隧道模型接触周边加防水胶防水，光纤光栅传感器4在于开挖面和7加载杆3连接后整体穿过隧道模型，将开挖面与隧道模型口齐平，加载杆3与机械手法兰2相连，开挖面7与隧道模型之间填充有泡沫条固定。
模型箱13外侧壁使用有机玻璃，盾构隧道采取一半隧道模型都是为了能观察到开挖面破坏时的破坏形式。试验结束时能透过透明有机玻璃观测到隧道内部开挖面土体破坏特点。
一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤一，将部分土样装入模型箱13内，然后安放隧道模型盾构壳体6、加载杆3以及光纤光栅传感器4，进而继续填充土样至模型箱13的预定高度，并加水浸湿到预定水位高度，在常重力下实现渗流；
步骤二，将加载杆3、光纤光栅传感器4和开挖面7连接固定，并将导线引出，之后加载杆3与机械手1连接，并将机械手和模型箱13一同调入离心机吊篮内；
步骤三，将储水箱11固定在离心机的转臂上并将模型箱13封顶，把储水箱11排水管路9接入模型箱13顶部的入水孔；
步骤四，将光栅光纤传感器4导线接入解调仪，并将解调仪固定在离心机转臂上，之后调试信号接收；
步骤五，开始进行离心，离心加速度逐步提高到60G，并稳定10-20min，通过排水管路9模拟水位变化；
步骤六，在水位变化过程中，逐步降低加载杆3的加载力，模拟支护力不断减小的过程，当开挖面7后撤距离大于10mm时，离心加速度从60G逐步减小到0，完成试验。

Claims (10)

1.一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，包括模型箱(13)，模型箱(13)内设置有盾构壳体(6)，盾构壳体(6)的端面上设置有开挖面(7)，盾构壳体(6)内设置有防水隔板(5)，防水隔板(5)将盾构壳体(6)内分隔成两个腔体，盾构壳体(6)内设置有贯穿两个内腔并与开挖面(7)接触的光线光栅传感器(4)，光线光栅传感器(4)固定在加载杆(3)上，加载杆(3)伸出模型箱(13)并连接机械手(1)，机械手(1)通过X、Y、Z轴平移机构和C向旋转机构驱动运动，模型箱(13)底部设置有储水箱(11)，储水箱(11)通过排水管路(9)接入盾构壳体(6)内与开挖面(7)相接触的腔体内；
光线光栅传感器(4)连接解调仪，解调仪通过路由器连接下游设备。
2.根据权利要求1所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，模型箱(13)底部设置有支撑块(8)，盾构壳体(6)固定在支撑块(8)上。
3.根据权利要求1所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，排水管路(9)上设置有溢流孔(12)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，排水管路(9)上设置有用于向模型箱(13)内注水的电磁阀(10)。
5.根据权利要求1所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，模型箱(13)底部设置有排水口，排水口上设置有用于控制排水口开闭的电磁阀(10)。
6.根据权利要求1所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，机械手(1)通过机械手法兰(2)连接加载杆(3)。
7.根据权利要求1所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，其特征在于，模型箱(13)外侧覆盖有有机玻璃。
8.一种基于权利要求1所述的模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将部分土样装入模型箱(13)内，然后安放隧道模型盾构壳体(6)、加载杆(3)以及光纤光栅传感器(4)，进而继续填充土样至模型箱(13)的预定高度，并加水浸湿到预定水位高度，在常重力下实现渗流；
步骤二，将加载杆(3)、光纤光栅传感器(4)和开挖面(7)连接固定，并将导线引出，之后加载杆(3)与机械手(1)连接，并将机械手和模型箱(13)一同调入离心机吊篮内；
步骤三，将储水箱(11)固定在离心机的转臂上并将模型箱(13)封顶，把储水箱(11)排水管路(9)接入模型箱(13)顶部的入水孔；
步骤四，将光栅光纤传感器(4)导线接入解调仪，并将解调仪固定在离心机转臂上，之后调试信号接收；
步骤五，开始进行离心，通过排水管路(9)模拟水位变化；
步骤六，在水位变化过程中，逐步降低加载杆(3)的加载力，模拟支护力不断减小的过程，当开挖面(7)后撤距离大于阈值时，离心加速度逐步减小到0，完成试验。
9.根据权利要求8所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置的试验方法，其特征在于，步骤五中，离心加速度逐步提高到60G，并稳定10-20min。
10.根据权利要求8所述的一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置的试验方法，其特征在于，步骤六中，开挖面(7)后撤距离的阈值为10mm。
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