CN209838413U - 急弯曲隧道模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的急弯曲隧道模型试验装置，以期为急弯曲线盾构隧道在实际设计施工中的重要参数选取与工程病害规避，探索出地层荷载效应变化、并给出相应的合理建议。为实现上述设计目的，所述一种急弯曲隧道模型试验装置主要包括有以下组件：沙箱，用于在内部填充模拟试验的土层，在土层表面铺设有若干沉降观测点；模拟盾构机，包括具有不同曲率的外壳、以及电机驱动***，以模拟在沙箱中实施盾构作业；地表沉降监测***，包括激光位移传感器，以在盾构作业开挖过程中进行地表沉降数据监测、并获得土层沉降与急弯曲隧道曲率之间的对应关系、为后续现场施工提供指导。

Description

急弯曲隧道模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种急弯曲隧道模型试验装置，属于土木工程技术领域。

背景技术

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。

目前，隧道施工常见的与最主要方法是盾构法。由于城市地下工程大多埋深较浅，地下空间开发使城市地下管线、桩基密布，且开挖地段常伴有复杂的地面情况及地质条件，使得某些情况下隧道线路的规划不得不采取小曲率半径的急转弯方式来实现转向，而急转弯隧道的形式势必对隧道的设计施工带来极大的挑战。

因此，急弯曲隧道设计施工就显得尤为重要。

在现有已建成的盾构隧道当中，施工中可能造成的盾构机姿态调整难度大、盾构机被卡等问题层出不穷，在设计施工难度更大的急转弯盾构隧道工程中，如果处理不当，以上问题必然会更加频繁地出现，盾构隧道最小转弯半径的取值不仅与盾构机的尺寸有关，还与隧道曲率大小影响的地表沉降有关。

有鉴于此，特提出本专利申请。

实用新型内容

本实用新型所述的急弯曲隧道模型试验装置，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而提供一种急弯曲隧道模型试验装置、以及基于该装置实施的试验方法，以期为急弯曲线盾构隧道在实际设计施工中的重要参数选取与工程病害规避，探索出地层荷载效应变化、并给出相应的合理建议。

为实现上述设计目的，所述急弯曲隧道模型试验装置主要包括有以下组件：

沙箱，用于在内部填充模拟试验的土层，在土层表面铺设有若干沉降观测点；

模拟盾构机，包括具有不同曲率的外壳、以及电机驱动***，以模拟在沙箱中实施盾构作业；

地表沉降监测***，包括激光位移传感器，以在盾构作业开挖过程中进行地表沉降数据监测、并获得土层沉降与急弯曲隧道曲率之间的对应关系、为后续现场施工提供指导。

如上述基本方案，采用小型模拟盾构机在沙箱中进行开挖作业，通过模拟不同地层深度、不同转弯半径条件下的盾构隧道开挖过程，由地表沉降监测***分析出对地层破坏的影响，从而能够实现隧道现实工程与室内模型试验之间较高真实度的相似转化。

采用地表沉降监测***，以高精度激光位移传感器进行测量沙箱中土体的地表沉降情况，以最大限度地模拟急弯曲隧道施工过程中的地层荷载效应。

针对沙箱的进一步改进与优选方案是，沙箱具有箱体和活动连接的前箱板；

在前箱板设置有供模拟土压盾构机进出的圆形开口，圆形开口的尺寸与模拟土压盾构机最大直径的刀盘相同；

在前箱板两侧设置有数个螺栓孔，在沙箱的箱体前部对应地设置有数个定位口，在箱体前部设置有用以将前箱板***的滑槽；

在箱体顶部，设置有用于安装激光位移传感器的承重梁。

另外，可在所述圆形开口上，配置有模拟开挖断面尺寸的不同孔径的垫片。

针对模拟盾构机可采取以下细化方案，即模拟盾构机的外型结构与实际使用的盾构机等比例缩小；模拟盾构机配置有不同直径尺寸的刀盘和径向排列的刮刀；模拟盾构机电机驱动***，包括有电源、电动机、减速器和驱动刀盘大齿轮的小齿轮。

针对地表沉降监测***可采取以下细化方案，地表沉降监测***包括有安装于承重梁的激光位移传感器；所述的激光位移传感器，其发射端对准所铺设的地表沉降监测点，返回的激光信号由接收端接收。

综上内容，所述急弯曲隧道模型试验装置具有的优点是，能够在试验室条件下最大限度地模拟出盾构施工对于急弯曲线隧道地层的破坏与影响，以建立起现实工程与室内模型试验之间的高真实度相似性转化，达到获取实际设计施工重要参数、规避工程病害和提供实际作业合理化建议的目的。

附图说明

图1为沙箱的前箱板示意图；

图2为不同孔径的垫片示意图；

图3为前箱板与垫片组装示意图；

图4为沙箱的箱体示意图；

图5为组装前箱板的示意图；

图6为更换不同孔径圆形开口的示意图；

图7为在沙箱中预埋监测点的示意图；

图8为激光位移传感器工作原理图；

图9-1为模拟盾构机的剖面示意图；

图9-2为模拟盾构机外型不同曲率的示意图；

图10为模拟盾构机的电机驱动***示意图；

图11为地表沉降与隧道曲率对应关系图；

图12为独立设计研发的土压平衡盾构试验***示意图；

图13为试验使用的不同土质示意图；

图14为沙箱中土层示意图；

图15为监测点布设的俯视图；

图16至图20为不同曲率条件下的沉降槽曲线分析图；

如图中所示，前箱板1，圆形开口2，螺栓孔3，垫片4，前箱板与垫片的组合5，箱体6，滑槽7，定位口8，螺栓9，承重梁10，监测点11，发射端12，接收端13，模拟盾构机14，刀盘15，刮刀16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1至图10所示，所述急弯曲隧道模型试验装置主要包括有：

沙箱，用于在内部填充模拟试验的土层，在土层表面铺设有若干沉降观测点；

模拟盾构机，包括具有不同曲率的外壳、以及电机驱动***，以模拟在沙箱中实施盾构作业；

地表沉降监测***，包括激光位移传感器，以在盾构作业开挖过程中进行地表沉降数据监测、并获得土层沉降与急弯曲隧道曲率之间的对应关系、为后续现场施工提供指导。

其中，沙箱具有箱体6和活动连接的前箱板1；

在前箱板1设置有供模拟土压盾构机进出的圆形开口2，圆形开口2的尺寸与模拟土压盾构机最大直径的刀盘相同；在圆形开口2上，配置有模拟开挖断面尺寸的不同孔径的垫片4；

在前箱板1两侧设置有数个螺栓孔3，在沙箱的箱体6前部对应地设置有数个定位口8，在箱体6前部设置有用以将前箱板1***的滑槽7；在箱体6顶部，设置有用于安装激光位移传感器的承重梁10。

所述的模拟盾构机，其外型结构与实际使用的盾构机等比例缩小；模拟盾构机配置有不同直径尺寸的刀盘15和径向排列的刮刀16；模拟盾构机电机驱动***，包括有电源、电动机、减速器和驱动刀盘大齿轮的小齿轮。

所述的地表沉降监测***，包括有安装于承重梁10的激光位移传感器；激光位移传感器的发射端12对准所铺设的地表沉降监测点11，返回的激光信号由接收端13接收。

应用上述结构的模型试验装置而实现的急弯曲隧道试验方法，采用模拟盾构机在沙箱中开挖以模拟在隧道中掘进作业，通过多种地层深度、不同转弯半径的模拟，由激光位移传感器测量沙箱中土体的地表沉降情况，模拟出急弯曲隧道施工过程中的地层荷载效应，实现急弯曲隧道现实施工与室内模型试验的相似性转化。

具体地，沙箱采用亚克力材料制作，尺寸为0.8m×0.6m×0.6m。

如图1所示，前箱板1设计有方便盾构机进入的圆形开口2，此圆形开口2的尺寸是与最大盾构机刀盘15的直径尺寸按相同比例缩小，可以通过***不同孔径的垫片4来模拟不同的开挖断面尺寸。

如图1和图3所示，前箱板1底部有两排螺栓孔3，其与图4中箱体6的定位口8进行结合，将前箱板1沿滑槽7***，通过螺栓9将前箱板1紧固，从而可以上下调节前箱板1的高度，以模拟盾构机在不同深度地层中施工。箱体6上部的承重梁10可以安装激光位移传感器，以便后续进行地表沉降监测。

模拟盾构机14，其外形与常见的盾构机按相同比例缩小，尺寸参照地层缩小比例对盾构机进行等比例缩小。模拟盾构机的刀盘15、刮刀16也按照实际比例进行设计，并模拟不同隧道曲率半径。

制作1台直线盾构机和4台不同轴线偏移盾构机，如图9所示，在实际现场中可以根据急弯曲段曲率大小选择合适的轴线偏移盾构机。

如图10所示，是模拟盾构机驱动***模块示意图，电动机带动减速器，减速器带动小齿轮，小齿轮带动刀盘进行盾构推进。

使用激光位移传感器对地表沉降进行监测，以监测试验过程中土体地表沉降变化规律，在地表设置地表沉隆监测点，对试验进行了如下总体设计。监测点11布设俯视图如图7所示。在沙箱的承重梁10上安装激光位移传感器。

如图8所示，其发射端12对准铺设的地表沉降监测点11，返回的激光信号由接收端13接收。直线盾构机从模型箱开口处进入，打开电机进行盾构掘进，刀盘切削土体的同时，注意及时人工清理盾构机内的渣土，控制掘进速度保持匀速，盾构掘进过程中每通过一道监测断面，激光位移传感器实时读取地表沉降数据；改组试验完成后，拆除模型箱内的盾构机、传感器等，重新填土，准备进行下一组试验。激光位移传感器运用三角测量法，激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

采取三角测量法的激光位移传感器最高线性度可达1μm，分辨率更是可达到0.1μm的水平。比如ZLDS100类型的传感器，它可以达到0.01％高分辨率，0.1％高线性度，9.4KHz高响应，适应恶劣环境。

由图11可知，模型试验得到地表沉降变形趋势与数值模拟类似，即：曲线半径越小，即盾尾间隙越大，地表沉降最大值随隧道曲率半径的减小而增大。模型试验得到地表沉降变形结果采集并在计算机上进行处理，从中可以分析出急弯曲段隧道曲率大小与地表沉降的关系。

如图12所示，在模型试验过程中，用独立设计研发的土压平衡盾构试验***进行，包括沙箱、模拟盾构机及其推力***、测试***组成等。

根据某口岸站详勘报告可知，场地地层由上至下分别为素填土、淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、细砂、粉砂，盾构穿越的地层为淤泥和淤泥质黏土。

本实施例中，采用与现场原状土物理力学性质类似的淤泥、淤泥质黏土、粉砂进行现场地层条件的模拟。试验用淤泥、淤泥质黏土和细沙来自开挖场地。

土层在试验沙箱中的分层情况如图14所示。

模拟盾构机采用聚酸乙酯3D打印制作，缩小后的盾构机刀盘15外直径为8cm。

为了模拟不同隧道曲率半径，制作了1台直线盾构机和4台不同轴线偏移盾构机，曲率半径分别为100m、150m、200m、300m，对应施工作业的隧道偏移量分别是3.33cm、2.24cm、1.68cm、1.12cm。

如图15所示，进行地表沉降监测的示意图。

试验方法包括以下执行步骤：

(1)在沙箱中进行分层填土，填土后固结24小时，然后可进行接下来的操作；

(2)根据要求埋置粉笔，调试激光位移传感器；

(3)将模拟盾构机从沙箱开口处进入，用手扶稳，打开电机进行盾构掘进，刀盘切削土体的同时，注意及时人工清理盾构机内的渣土，控制掘进速度保持匀速；

(4)盾构掘进过程中每通过一道监测断面，激光位移传感器自动读取地表沉降数据一次；

(5)改组试验完成后，拆除模型箱内的盾构机、传感器等，重新填土，准备进行下一组试验；

(6)依照步骤(1)～(5)进行操作，依次完成模拟曲率半径分别为100m、150m、200m、300m的曲线盾构隧道的模拟试验。

通过模拟试验，对比分析直线盾构隧道与不同曲线半径盾构隧道掘进引起地表横向沉降变化，如图16～图20可知，模型试验得到地表沉降变形趋势与数值模拟类似，即：曲线半径越小，即盾尾间隙越大，地表沉降最大值随隧道曲率半径的减小而增大。

图16是转弯半径100m沉降槽示意；图17是转弯半径150m沉降槽示意；图18是转弯半径200m沉降槽示意；图19是转弯半径300m沉降槽示意；图20是直线隧道沉降槽示意。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种急弯曲隧道模型试验装置，其特征在于：包括有以下试验组件，

沙箱，用于在内部填充模拟试验的土层，在土层表面铺设有若干沉降观测点；

模拟盾构机，包括具有不同曲率的外壳、以及电机驱动***，以模拟在沙箱中实施盾构作业；

地表沉降监测***，包括激光位移传感器，以在盾构作业开挖过程中进行地表沉降数据监测、并获得土层沉降与急弯曲隧道曲率之间的对应关系、为后续现场施工提供指导。

2.根据权利要求1所述的急弯曲隧道模型试验装置，其特征在于：所述的沙箱，具有箱体(6)和活动连接的前箱板(1)；

在前箱板(1)设置有供模拟土压盾构机进出的圆形开口(2)，圆形开口(2)的尺寸与模拟土压盾构机最大直径的刀盘相同；

在前箱板(1)两侧设置有数个螺栓孔(3)，在沙箱的箱体(6)前部对应地设置有数个定位口(8)，在箱体(6)前部设置有用以将前箱板(1)***的滑槽(7)；

在箱体(6)顶部，设置有用于安装激光位移传感器的承重梁(10)。

3.根据权利要求2所述的急弯曲隧道模型试验装置，其特征在于：在所述的圆形开口(2)上，配置有模拟开挖断面尺寸的不同孔径的垫片(4)。

4.根据权利要求1、2或3所述的急弯曲隧道模型试验装置，其特征在于：所述的模拟盾构机，其外型结构与实际使用的盾构机等比例缩小；

模拟盾构机配置有不同直径尺寸的刀盘(15)和径向排列的刮刀(16)；

模拟盾构机电机驱动***，包括有电源、电动机、减速器和驱动刀盘大齿轮的小齿轮。

5.根据权利要求4所述的急弯曲隧道模型试验装置，其特征在于：所述的地表沉降监测***，包括有安装于承重梁(10)的激光位移传感器；

所述的激光位移传感器，其发射端(12)对准所铺设的地表沉降监测点(11)，返回的激光信号由接收端(13)接收。