CN109932501A - 可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，包括土体模拟***、盾构模拟***、泥水***、空气加压***、监测***；盾构模拟***设置在土体模拟***中；盾构模拟***包括构成密闭室的模拟盾构机壳、模拟开挖面的柔性膜、第二刚性隔板；密闭室内设置有空气腔、以柔性膜为其中一个腔壁的泥水腔；盾构模拟***还包括分隔泥水腔、空气腔并可调整两者的体积的分隔件；泥水腔内填充由泥水***充入的泥浆；通过空气加压***和泥水***调整柔性膜的支护压力；监测***监测土体的变化。还涉及到可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法。属于隧道工程领域。能更真实地模拟实际开挖面受力和变形情况，预测稳定性更准确。

Description

可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置和试验方法

技术领域

本发明属于隧道工程领域，尤其涉及可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置和试验方法。

背景技术

近几年来，随着社会经济和城市化进程的不断发展，泥水平衡盾构修建隧道的技术已经越来越成熟，是我国重大交通等基础设施建设中不可缺少的关键技术。在盾构隧道开挖过程中，设置合理的开挖面支护压力，保证开挖面的稳定对安全施工至关重要。另外，在盾构隧道开挖过程中，不可避免的会穿越复杂的土层，开挖面支护压力过大或者过小都会引起开挖面前方土体的失稳破坏，造成地表沉降或***，严重时会出现不可挽回的工程事故。

泥水平衡盾构机掘进时需要在泥水舱中注入一定量的泥浆，形成泥浆压力以平衡开挖面前方土体的压力。目前，许多学者采用不同的方法实现模拟开挖面失稳的试验。但是，在泥水平衡盾构方面，大多是模拟泥水平衡盾构掘进；在模拟开挖面失稳方面，几乎都是通过液压加压***回拉开挖面(其开挖面由刚性板模拟)或减小压力来模拟开挖面的失稳过程，很少有模拟泥水平衡盾构开挖面失稳的模型试验装置。现有的模型试验中，泥水平衡盾构开挖面的受力和变形情况与实际的存在较大的差异。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供能更真实地模拟实际开挖面受力和变形情况的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置；并提供可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法，能更加真实地模拟实际开挖面的受力和变形情况，较准确地预测开挖面的稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，包括土体模拟***、盾构模拟***、泥水***、空气加压***、监测***；土体模拟***包括模型箱、填充在模型箱的土体；盾构模拟***设置在土体中；盾构模拟***包括模拟盾构机壳、模拟开挖面的竖向设置的柔性膜、第二刚性隔板；柔性膜固定封堵在模拟盾构机壳的前端；第二刚性隔板位于柔性膜的后侧，且周边与模拟盾构机壳内壁固接；模拟盾构机壳、柔性膜与第二刚性隔板之间形成密闭室，密闭室内设置有空气腔、以柔性膜为其中一个腔壁的泥水腔；盾构模拟***还包括分隔泥水腔、空气腔的分隔件；分隔件包括位置可调的移动部，移动部的位置控制泥水腔、空气腔的体积；泥水腔与泥水***相连通，泥水腔内填充由泥水***充入的泥浆；空气腔与空气加压***相连通，空气加压***控制空气腔的压力；监测***监测土体的变化。

其中，选取柔性膜时，需选用能挡住土体并且不能渗水的材料；柔性膜的柔软程度应能使泥水腔的泥浆的压力很好地作用在前方的土体上，即柔软地贴合前方土体；例如土工膜。采用这种结构后，使用柔性膜模拟开挖面，支护压力主要由泥水腔的泥浆压力提供，类似于实际中的泥水平衡盾构法，通过空气加压***、泥水***配合空气腔和泥水腔调整泥浆对柔性膜的压力；充分模拟泥水平衡盾构机对开挖面的加压，区别于土压平衡盾构机对开挖面的加压，相比于使用刚性板模拟开挖面支护压力的模型(支护压力为刚性板的压力)，能更真实地模拟实际的开挖面的受力和变形情况，更好地观察分析开挖面的支护压力与失稳情况。且结构简单，便于操作。

作为一种优选，模型箱的侧面为透明材质，上部开口，优选用有机透明玻璃；土体为透明土。采用这种结构后，实现可视化，便于监测观察分析。

作为一种优选，模拟盾构机壳的形状为半圆柱曲面；安装时，半圆柱曲面的两条直边紧固在模型箱的侧面上，并与模型箱构成开口朝前后方向的半圆柱筒；柔性膜、第二刚性隔板与半圆柱筒围成密闭室。采用这种结构后，半圆柱筒模拟一半的隧道，再利用对称性考虑整体的情况，且便于观察盾构的加载情况和开挖面的变形、位移和失稳过程。

作为一种优选，盾构模拟***还包括第三刚性隔板；分隔件包括第一刚性隔板、作为移动部的水平的活塞板；第一刚性隔板设置在柔性膜与第二刚性隔板之间；第三刚性隔板的前、后端分别与第一、第二刚性隔板密闭固接，上、下端皆与模拟盾构机壳的内壁密闭固接；活塞板分别与第一、第二、第三刚性隔板以及模型箱的内壁垂直且紧密接触；活塞板沿第三刚性隔板上下移动，活塞板上侧的腔室为空气腔。采用这种结构后，可通过空气腔的空气压力调整活塞板的上下位置，进而调整泥水腔泥浆对开挖面的压力，达到调节支护压力的目的。

作为一种优选，第一刚性隔板的边缘与密闭室的室壁紧密固接，第一刚性隔板的下方与模拟盾构机壳之间留有连通泥水腔前部和泥水腔后部的孔隙。采用这种结构后，泥水腔前部和泥水腔后部之间形成连通器，能有效通过空气腔的压力调控支护压力。

作为一种优选，第二刚性隔板上，作为空气腔腔壁的部分设有与空气加压***相接的空气口，作为泥水腔腔壁的部分设有与泥水***相接的泥水口。采用这种结构后，结构紧凑。

作为一种优选，监测***包括位移传感器、压力传感器；柔性膜所在面的土体上端表面沿左右方向均匀设置有位移传感器，柔性膜前方的土体中沿前后方向均匀设置有位移传感器；压力传感器设置在柔性膜的中间位置上。采用这种结构后，能较全面地监测收集到土体的失稳变形的信息。

作为一种优选，透明土中设置有示踪粒子，监测***还包括激光器、高精度摄像机；激光器和高精度摄像机布置在模型箱周围。采用这种结构后，使用粒子图像测速技术，利用计算机将拍摄到的图像刻画成矢量图，可研究分析开挖面前方土体失稳过程中的位移矢量场变化过程。

作为一种优选，还设置了地下水模拟***；地下水模拟***包括水泵、水箱、出水管及对土体喷灌的喷头；出水管一端连接水箱，另一端安装有喷头；喷头设置在模型箱的上方。采用这种结构后，可以模拟地下水***，可以模拟多种土体状况的工作环境。

可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法，使用所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置；试验步骤包括：

(1)试验前，泥水腔与模型箱皆为未填充状态；配置泥浆并将配置好的泥浆充入泥水***；

(2)根据需填充的土体，启动泥水***、空气加压***将泥浆填充到泥水腔中，并以压力传感器辅助，通过泥水***、空气加压***、空气腔调整泥浆的填充状态，将泥浆对柔性膜的压力调至能平衡柔性膜前方待填土体的压力；

(3)在模型箱中填充好土体；在需要模拟地下水情况下，启动地下水模拟***将水注入土体中，至水到达目标高度后停止；

(4)通过空气加压***调整空气腔的压力以调整活塞板的位置，逐渐减小泥浆对柔性膜的压力，直至前方土体压破柔性膜，模拟土体失稳过程，并通过位移传感器、压力传感器实时监测收集数据；通过激光器、高精度摄像机收集图像信息；

(5)结合理论分析所收集的数据，并处理图像信息得到相关矢量场，分析失稳过程，预测开挖面稳定性。

采用这种方法后，能更加真实地模拟实际开挖面的受力和变形情况，较准确地预测开挖面的稳定性。

总的说来，本发明具有如下优点：

1)用柔性膜模拟开挖面，区别于常用的刚性板模拟开挖面面，能更真实地模拟泥水盾构开挖面实际情况；

2)通过控制空气腔和泥水腔内的压力，来模拟开挖面前方土体的失稳，区别于常用的液压杆回拉刚性板模拟开挖面前方土体失稳；

3)通过监测手段与理论分析相结合，实现对泥水平衡盾构开挖面稳定性的预测；

4)所用试验装置简单方便，准确度高。

附图说明

图1是可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置的整体结构示意图。

图2是可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置的柔性膜所在断面的前侧视图。

图3是模拟盾构机壳内部的结构示意图。

图中所示：

1-模型箱，2-透明土，3-模拟盾构机壳，4-空气管道开关，5-空气加压***，6-泥水***，7-固定支座，8-泥水管道开关，9-第二刚性隔板，10-第三刚性隔板，11-第一刚性隔板，12-压力传感器，13-柔性膜前方的位移传感器，14-柔性膜，15-泥水腔，16-第四刚性隔板，17-空气腔，18-可伸缩杆，19-活塞板，20-水泵，21-水箱，22-出水管，23-喷头，24-土体表面的位移传感器，25-高精度摄像机，26-激光器，27-计算机。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。特别说明，文中前侧为图1的左侧。

(一)可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置

可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，包括土体模拟***、盾构模拟***、泥水***、空气加压***、监测***、固定支座、固定支架。

土体模拟***包括上方为开口的模型箱、填充在模型箱的土体；模型箱的前后左右四个侧面为有机透明玻璃；土体为透明土；透明土内附有失踪粒子，示踪粒子选用硅灰石颗粒。

盾构模拟***设置在土体中。盾构模拟***包括模拟盾构机壳、模拟开挖面的竖向设置的柔性膜、第一刚性隔板、第二刚性隔板、横向设置的活塞板。

模拟盾构机壳是形状为半圆柱曲面的钢材；安装时，半圆柱曲面的两条直边紧固在模型箱的侧面上，模拟盾构机壳与模型箱构成开口朝前后方向的半圆柱筒，模拟一半的隧道。

选用能挡住土体且不能渗水的、能柔软地贴合前方土体的柔性膜。

柔性膜粘贴固定封堵在模拟盾构机壳与模型箱构成的半圆柱筒的前端面；第二刚性隔板固定在模拟盾构机壳与模型箱构成的半圆柱筒的中部。第二刚性隔板、柔性膜、模拟盾构机壳与模型箱构成的半圆柱筒共同围成一个密闭的空间，该密闭空间内设置有密闭的空气腔、以柔性膜为其中一个腔壁的密闭的泥水腔。泥水腔与空气腔之间由竖向的第一刚性隔板、水平的活塞板分隔。

第一刚性隔板设置在柔性膜与第二刚性隔板之间，第一刚性隔板、第二刚性隔板均与活塞板相垂直；活塞板上侧的腔室为空气腔。在泥水腔的下部，以第一刚性隔板相隔的泥水腔前部、泥水腔后部之间相通。

盾构模拟***还包括第三刚性隔板、第四刚性隔板、可伸缩杆；第三刚性隔板竖向设置在模拟盾构机壳的腹部，第三刚性隔板的前端、后端分别与第一刚性隔板、第二刚性隔板密闭固接，上端、下端皆与模拟盾构机壳的内壁密闭固接。活塞板的四边分别与第三刚性隔板、第一刚性隔板、第二刚性隔板、模型箱的内壁紧密接触；活塞板沿第三刚性隔板上下移动。设置第三刚性隔板主要用于保证活塞板上下运动时，空气腔与泥水腔始终为相分隔的两个腔室。

第四刚性隔板设置在空气腔内并与活塞板平行，第四刚性隔板上侧的空气腔上部与其下侧的空气腔下部连通；可伸缩连接杆垂直于第四刚性隔板、活塞板，且两端分别与第四刚性隔板、活塞板固定连接。

第一刚性隔板的下部延伸至泥水腔的下部，第一刚性隔板的下端与模拟盾构机壳留有孔隙，使以第一刚性隔板相隔的泥水腔前部、泥水腔后部之间相通。第一刚性隔板除下端边缘之外，第一刚性隔板其余位置的边缘紧接模拟盾构机壳与模型箱构成的半圆柱筒的内壁。

第二刚性隔板上，作为空气腔腔壁的部分设有与空气加压***相接的空气口，作为泥水腔腔壁的部分设有与泥水***相接的泥水口。

泥水***与泥水口通过进浆管相接通，进浆管上设置有泥水管道开关；空气加压***与空气口通过进气管相接通，进气管上设置有空气管道开关。空气加压***、泥水***固定在固定支座上。

监测***包括位移传感器、压力传感器。

位移传感器包括12个位移计；7个位移计沿左右方向均匀布置在柔性膜所在横断面的土体上表面上，5个位移计沿前后方向预埋在柔性膜前方的土体中；用以监测失稳过程土体的塌陷情况并收集数据。压力传感器设置在柔性膜的中心位置上，用以实时监测泥水腔内的泥浆压力。

监测***还包括至少一个激光器、至少一个高精度摄像机；激光器和高精度摄像机布置在模型箱周围。在失稳过程中，土体示踪粒子可在激光器的照射下成像并通过高精度摄影机进行快速拍摄，最后利用计算机将拍摄到的图像刻画成矢量图，可研究分析开挖面前方土体失稳过程中的位移矢量场的变化过程。

可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置还包括地下水模拟***；地下水模拟***包括水泵、水箱、出水管及对土体喷灌的喷头；出水管一端连接水箱，另一端安装有喷头；喷头设置在模型箱的上方。水箱固定在固定支架的上端；水泵固定在固定支架上。

工作原理：泥水***向泥水腔中注入泥浆，空气加压***通过改变空气腔的压力控制泥浆对柔性面的支护压力；之后通过空气加压***逐渐减小泥浆对柔性面的支护压力，从而模拟泥水平衡盾构开挖面前方土体的失稳过程；并使用监测***监测并收集分析所需要的信息。

(二)可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法

可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法：使用实施例中的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置；其具体操作步骤如下：

(1)试验前安装好试验装置；其中，泥水腔与模型箱皆为未填充状态；配置泥浆并将配置好的泥浆充入泥水***；

(2)根据需填充的土体的情况，启动泥水***、空气加压***将泥浆填充到泥水腔中，并通过压力传感器辅助，通过泥水***、空气加压***调整泥浆的填充情况以调整泥水对柔性膜的压力，用以在填充模型箱的土体后平衡柔性膜前方土体的压力，即支护压力；

(3)在模型箱中填充土体；在需要模拟地下水情况时，启动地下水模拟***将水注入土体中，至水到达目标高度后停止；

(4)通过空气加压***调整空气腔的压力，逐渐减小泥浆对柔性膜的压力，直至前方土体压破柔性膜，模拟土体失稳过程，并通过位移传感器和压力传感器实时监测收集数据，结合理论分析数据；

(5)在模拟土体失稳过程中，同时通过激光器、高精度摄影机、土体的示踪粒子共同作用收集到图像信息，经计算机处理得到矢量场，分析土体失稳过程。

其中(4)步骤中，通过监测收集到的数据实现对开挖面稳定性预测，预测包括以下理论：

(1)荷载因子(Load Factor，简写LF)，用来表征隧道开挖面的稳定程度，该参数定义式为：

式中，N_c为开挖面塌陷破坏时的临界稳定系数；N为任意状态下的稳定系数，可通过下式计算：

式中，σ_s和σ_T分别为地面超载和开挖面支护压力；γ为土体容重；s_u为土体不排水抗剪强度；Z₀为隧道轴线埋深。

(2)地层损失率计算式为：

式中，S_max为地表最大竖向位移；μ为地层损失率；R为模型盾构半径；i为沉降槽宽度系数；Z₀为隧道埋深；为土的内摩擦角。

(3)地层损失率与荷载因子的关系：

μ=0.23e^4.4LF

通过监测地表竖向沉降，计算得到地层损失率μ，从而得到荷载因子LF的值，又通过监测开挖面中心处的压力，计算得到任意状态下的稳定系数N，最后计算得到得出开挖面坍塌破坏时的临界支护压力，预测开挖面的稳定性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：包括土体模拟***、盾构模拟***、泥水***、空气加压***、监测***；

土体模拟***包括模型箱、填充在模型箱的土体；盾构模拟***设置在土体中；盾构模拟***包括模拟盾构机壳、模拟开挖面的竖向设置的柔性膜、第二刚性隔板；

柔性膜固定封堵在模拟盾构机壳的前端；第二刚性隔板位于柔性膜的后侧，且周边与模拟盾构机壳内壁固接；模拟盾构机壳、柔性膜与第二刚性隔板之间形成密闭室，密闭室内设置有空气腔、以柔性膜为其中一个腔壁的泥水腔；

盾构模拟***还包括分隔泥水腔、空气腔的分隔件；分隔件包括位置可调的移动部，移动部的位置控制泥水腔、空气腔的体积；泥水腔与泥水***相连通，泥水腔内填充由泥水***充入的泥浆；空气腔与空气加压***相连通，空气加压***控制空气腔的压力；监测***监测土体的变化。

2.按照权利要求1所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：模型箱的侧面为透明材质，土体为透明土。

3.按照权利要求2所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：模拟盾构机壳的形状为半圆柱曲面；安装时，半圆柱曲面的两条直边紧固在模型箱的侧面上，并与模型箱构成开口朝前后方向的半圆柱筒；柔性膜、第二刚性隔板与半圆柱筒围成密闭室。

4.按照权利要求1所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：盾构模拟***还包括第三刚性隔板；分隔件包括第一刚性隔板、作为移动部的水平的活塞板；第一刚性隔板设置在柔性膜与第二刚性隔板之间；第三刚性隔板的前、后端分别与第一、第二刚性隔板密闭固接，上、下端皆与模拟盾构机壳的内壁密闭固接；活塞板分别与第一、第二、第三刚性隔板以及模型箱的内壁垂直且紧密接触；活塞板沿第三刚性隔板上下移动，活塞板上侧的腔室为空气腔。

5.按照权利要求4所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：第一刚性隔板的边缘与密闭室的室壁紧密固接，第一刚性隔板的下方与模拟盾构机壳之间留有连通泥水腔前部和泥水腔后部的孔隙。

6.按照权利要求4所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：第二刚性隔板上，作为空气腔腔壁的部分设有与空气加压***相接的空气口，作为泥水腔腔壁的部分设有与泥水***相接的泥水口。

7.按照权利要求2所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：监测***包括位移传感器、压力传感器；柔性膜所在面的土体上端表面沿左右方向均匀设置有位移传感器，柔性膜前方的土体中沿前后方向均匀设置有位移传感器；压力传感器设置在柔性膜的中间位置上。

8.按照权利要求7所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：透明土中设置有示踪粒子，监测***还包括激光器、高精度摄像机；激光器和高精度摄像机布置在模型箱周围。

9.按照权利要求1所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：还包括地下水模拟***；地下水模拟***包括水泵、水箱、出水管及对土体喷灌的喷头；出水管一端连接水箱，另一端安装有喷头；喷头设置在模型箱的上方。

10.可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法，其特征在于：使用权利要求1-9任一项所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置；试验步骤包括：

1)试验前，泥水腔与模型箱皆为未填充状态；配置泥浆并将配置好的泥浆充入泥水***；

2)根据需填充的土体，启动泥水***、空气加压***将泥浆填充到泥水腔中，并以压力传感器辅助，通过泥水***、空气加压***、空气腔调整泥浆的填充状态，将泥浆对柔性膜的压力调至能平衡柔性膜前方待填土体的压力；

3)在模型箱中填充土体；若需要模拟地下水情况，启动地下水模拟***将水注入土体中，至水到达目标高度后停止；

4)通过空气加压***调整空气腔的压力以调整活塞板的位置，逐渐减小泥浆对柔性膜的压力，模拟土体失稳过程，并通过位移传感器、压力传感器实时监测收集数据；通过激光器、高精度摄像机收集图像信息；

5)结合理论分析所收集的数据，并处理图像信息得到相关矢量场，分析失稳过程，预测开挖面稳定性。