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专利名称：模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置及方法
技术领域：
:本发明属于地下工程实验技术领域，可以模拟盾构隧道施工引起地层变形的过程，简单精确的描绘出地表沉降位移S与地层损失率P之间的关系，为设计与施工方案的优化提供依据，对施工现场周围已有建筑及构筑物的安全隐患起到有效的预测作用。
背景技术：
:在现有的盾构隧道施工模型实验技术中，多集中在盾构掘进机模型技术、加载技术、模型变形的立体摄影测量技术、数字照相变形测量技术、隧道模型材料配比研究等方面。主要解决管片结构的受力问题、隧道结构与围岩的相互作用问题、开挖面的稳定性问题、盾构隧道与邻近构筑物相互作用问题，以及盾构隧道渗透性、涌水、壁后注浆效应等问题。而本发明主要是解决盾构隧道施工对地层、地表及建筑物的影响问题。在现有的模拟装置与方法中，存在一个共同的缺点，就是在模拟盾构隧道施工时无法实现简单精确的控制地层损失量，相应的也就得不到地层损失率与上覆岩土体变形之间的确切关系。本发明研制了一种地层损失模拟系统，作为该模拟方法的核心部分，可较为准确地测量不同地层结构下的隧道施工的地层损失量，与地层和地表的变形监测值相结合，以探索和解决盾构隧道施工对地层、地表及建筑物的影响问题
发明内容
:本发明方法利用一套自主研发的能够模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，可以获得地表沉降位移S与地层损失率P之间的关系及地层破坏特征。主要解决了以下技术问题:(I)地层损失简单精确的控制。本装置通过在隧道模拟装置周围安装地层损失模拟系统来代替隧道周围扰动土体，将密闭水袋9中的水有步骤的排出，并通过止水阀门12和量桶15精确地控制排水量，由此模拟出地层损失的全过程。(2)模拟装置的简便安装与操作。岩土工程领域的模拟实验通常都需要体积比较庞大的模拟装置来实现，因此，模拟装置的制作、安装与操作往往比较复杂、比较困难。本装置采用模型箱框架I与钢化玻璃块2作为拼装材料，实现了模拟装置的简单拼装与拆卸，不仅操作简易，而且能够回收利用，节省试验成本。本发明装置的主要技术关键是将模型箱框架I与钢化玻璃标准块2拼装成模型箱后，将相似材料土层6分层填入模型箱并夯实，期间将隧道模拟装置与地层损失模拟系统在预先计算好的位置处植入，最后在表层处安装地表沉降测量系统。地层损失模拟系统启动，通过止水阀门12与量桶15精确控制地层损失量，相应地层发生变形，地表沉降位移S通过地表沉降测量系统精确测出。因此可以简易精确的测出地表沉降位移S与地层损失率P之间的关系。本发明采用如下技术方案:—种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，包括模型箱及地层系统、隧道模拟系统、地层损失模拟系统、地表沉降测量系统。
模型箱及地层系统，包括模型箱框架1、钢化玻璃块2、基准钢梁5、相似材料土层
6、标志线7、隧道孔洞18，进水管及排水管孔洞19 ;模型箱框架I与钢化玻璃块2连接形成模型箱，相似材料土层6分层填入模型箱并夯实，在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线7，最后钢梁5固定于模型箱顶部纵向中央部位，隧道孔洞18与进水管及排水管孔洞19位于模型箱底部；隧道模拟装置，包括聚氯乙烯隧道模型8、聚氯乙烯圆板支撑13 ;3道聚氯乙烯圆板支撑13等间距置于聚氯乙烯隧道模型8的圆孔中，然后用密闭水袋9将聚氯乙烯隧道模型8环向紧密包裹后植入隧道孔洞18中；地层损失模拟系统，包括密闭水袋9、进水管10、排水管11、止水阀门12、密闭水袋支撑14、量桶15、压力水泵16 ;密闭水袋支撑14均匀布置于密闭水袋9中，密闭水袋9紧密包围聚氯乙烯隧道模型8，进水管10与排水管11分别连接于密闭水袋9的一侧边缘，并通过进水管及排水管孔洞19引出，进水管10与排水管11上分别配置有一个止水阀门12，进水管10的进水口与压力水泵16连接，排水管11出水口处放置一个量桶15 ；地表沉降测量系统，包括百分表3，磁性座4。磁性座4固定于基准钢梁5上，百分表3安装在磁性座4上。模型箱框架I与钢化玻璃块2通过螺栓连接。所述的标志线7可换为标志层。方法所包括的具体步骤如下:I)确定实验方案及相似参数。本发明方法可以模拟多种地质条件下的隧道盾构施工过程。首先根据实际工程情况及地质勘察报告确定实验方案，然后根据相似理论确定相似参数，包括几何相似常数、重度相似常数、粘聚力相似常数、内摩擦角相似常数、压缩模量相似常数，时间相似常数。2)配比模型相似材料。根据实际工程地质情况及相似参数计算出模型相似材料的物理力学指标，包括几何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、压缩模量等。然后选择相似材料进行土工试验，调整各物质的配合比，直至使材料的相似条件满足要求。所述I)中确定实验方案及相似参数与2)中配比模型相似材料本领域内的人员均熟知如何进行。3)组装模型装置；具体组装步骤如下:A、取标准块组合模型箱；B、根据实验室配比好的相似材料6按几何比例填入模型箱内。当相似材料6填埋到隧道孔洞18底边切线时，用密闭水袋9紧密包围聚氯乙烯隧道模型8后放入隧道孔洞18内，将进水管10与排水管11经进水管及排水管孔洞19引出，利用压力水泵16向密闭水袋9中注满高压水，关闭进水管10与排水管11上的止水阀门12。然后继续向模型箱中分层填入相似材料6并夯实，并在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线或标志层7，分别填撒一薄层滑石粉，供试验中观测使用。C、待相似材料6全部装入模型箱内后，用螺丝将钢梁5固定于模型箱顶部纵向中央部位；D、平整相似材料6的表面，然后在需要测量地表沉降的位置处，将磁性座4固定于基准钢梁5上，并将百分表3安装在磁性座4上。
4)模拟隧道开挖。待相似材料6 土体稳定之后，进行隧道开挖模拟。打开排水管11的止水阀门12，用量筒15收集密闭水袋9放出的水，排出水的体积与隧道模型总体积之比即为地层损失率。模拟过程按地层损失率1%的增量梯度分4-6步进行，并按I小时时间间隔记录百分表3的读数及观察土体破坏情况，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表3连续两次读数差值小于0.0lmm后即土体稳定后再进行；记录试验期间，记录时间、地层损失率、百分表读数及地层破坏情况，并绘制成表格。5)数据分析；根据上述步骤记录的数据绘制出以下两条关系曲线:A、地表沉降位移S与开挖时间t之间的S_t曲线；B、地表沉降位移S与地层损失率P之间的S-P曲线。以上两条曲线得到盾构隧道开挖造成的地表沉降位移S与开挖时间t及地层损失率P之间的对应关系，为实际工程提供有效的参考数据。本发明可以取得如下有益效果:1、本发明可以在模拟盾构隧道施工时简单精确的控制地层损失量，得到地层损失率与上覆岩土体变形之间的确切关系，为设计与施工方案的优化提供依据，对施工现场周围已有建筑及构筑物的安全隐患起到有效的预测作用。2、本发明装置不仅可以根据几何相似系数进行任何尺寸的拼装与拆卸，操作简易，而且能够回收利用，节省试验成本。


:图1:一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置的俯视图；图2: —种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置的正立面图；图3: —种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置的侧立面图；图4:一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置1-1的剖面图；图5:—种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置2-2的剖面图；图中:1.模型箱框架，2.钢化玻璃块，3.百分表，4.磁性座，5.基准钢梁，6.相似材料土层，7.标志线，8.聚氯乙烯隧道模型，9.密闭水袋，10.进水管，11.排水管，12.止水阀门，13.聚氯乙烯圆板支撑，14.密闭水袋网架，15.量桶16.压力水泵，17.加强肋板，18.隧道孔洞，19.进水管及排水管孔洞。
具体实施方式
:下面结合附图和具体实施方法对于本发明做进一步说明:如图1至图5所示为本方法所采用的核心装置，即一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，包括模型箱及地层系统、隧道模拟系统、地层损失模拟系统、地表沉降测量系统。模型箱及地层系统，包括模型箱框架1、钢化玻璃块2、基准钢梁5、相似材料土层6、标志线(层)7、隧道孔洞18，进水管及排水管孔洞19 ;模型箱框架I与钢化玻璃块2连接形成模型箱，相似材料土层6分层填入模型箱并夯实，在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线(层)7，最后钢梁5固定于模型箱顶部纵向中央部位，隧道孔洞18与进水管及排水管孔洞19位于模型箱底部；隧道模拟装置，包括聚氯乙烯隧道模型8、聚氯乙烯圆板支撑13 ;3道聚氯乙烯圆板支撑13等间距置于聚氯乙烯隧道模型8的圆孔中，然后用密闭水袋9将聚氯乙烯隧道模型8环向紧密包裹后植入隧道孔洞18中；地层损失模拟系统，包括密闭水袋9、进水管10、排水管11、止水阀门12、密闭水袋支撑14、量桶15、压力水泵16 ;密闭水袋支撑14均匀布置于密闭水袋9中，密闭水袋9紧密包围聚氯乙烯隧道模型8，进水管10与排水管11分别连接于密闭水袋9的一侧边缘，并通过进水管及排水管孔洞19引出，进水管10与排水管11上分别配置有一个止水阀门12，进水管10的进水口与压力水泵16连接，排水管11出水口处放置一个量桶15 ；地表沉降测量系统，包括百分表3，磁性座4。磁性座4固定于基准钢梁5上，百分表3安装在磁性座4上。模型箱框架I与钢化玻璃块2通过螺栓连接。本发明方法的实验步骤如下:(I)确定实验方案及相似参数。本发明方法可以模拟多种地质条件下的隧道盾构施工过程，例如上硬下软地层模型实验方案，上软下硬地层模型实验方案，硬化地面模型实验方案等。首先根据实际工程情况及地质勘察报告确定实验方案，然后根据相似理论确定相似参数，包括几何相似常数、重度相似常数、粘聚力相似常数、内摩擦角相似常数、压缩模量相似常数，时间相似常数等。(2)配比模型相似材料。根据实际工程地质情况及相似参数计算出模型相似材料的物理力学指标，包括几何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、压缩模量等。然后选择相似材料进行土工试验,调整各物质的配合比,直至使材料的相似条件满足基本要求。(3)组装模型装置。由于本装置是由模型箱框架I与钢化玻璃块2 (ImX Im)拼装组成，所以可以简单快捷的模拟多种不同尺寸条件下的地层，例如3mXlmX2m (长X宽X高)、2mX ImX lm、2mX 2mX Im等。本例以3mX ImX 2m尺寸为例进行说明。A、取用19块ImX Im标准块，组合模型箱，组合后模型箱尺寸为3mX ImX 2m(长X宽X高)。B、根据实验室配比好的相似材料6按几何比例填入模型箱内。当相似材料6填埋到隧道孔洞18底边切线时，用密闭水袋9紧密包围聚氯乙烯隧道模型8后放入隧道孔洞18内，将进水管10与排水管11经进水管及排水管孔洞19引出，利用压力水泵16向密闭水袋9中注满高压水，关闭进水管10与排水管11上的止水阀门12。然后继续向模型箱中分层填入相似材料6并夯实，并在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线(层)7，分别填撒一薄层滑石粉，供试验中观测使用。C、待全部装入模型箱内后，用螺丝将钢梁5固定于模型箱顶部纵向中央部位，如图1所示。D、平整相似材料6的表面，然后在需要测量地表沉降的位置处，将磁性座4固定于基准钢梁5上，并将百分表3安装在磁性座4上。本例以隧道正上方地表处为中点布置第一个百分表3，然后分别向左右每隔0.36m等间距的各布置四个百分表3，如图4所示。(4)模拟隧道开挖。待相似材料6 土体稳定之后，进行隧道开挖模拟。打开排水管11的止水阀门12，用量筒15收集密闭水袋9放出的水，排出水的体积与隧道模型总体积之比即为地层损失率。模拟过程需分4-6步进行。本例我们以地层损失率1%的增量梯度分6步进行模拟，即按地层损失率分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%进行卸荷，并按I小时时间间隔记录百分表3的读数及观察土体破坏情况，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表3连续两次读数差值小于0.0lmm后(即土体稳定后)再进行。(5)数据分析。将上述步骤记录的数据填入表格，并绘制出以下两条关系曲线:A、地表沉降位移S与开挖时间t之间的S_t曲线；B、地表沉降位移S与地层损失率P之间的S-P曲线。根据以上两条曲线分析盾构隧道开挖造成的地表沉降位移S与开挖时间t及地层损失率P之间的具体关系，并总结规律，为实际工程提供有效的参考数据。
权利要求
1.一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，其特征在于:其包括模型箱及地层系统、隧道模拟系统、地层损失模拟系统、地表沉降测量系统； 模型箱及地层系统，包括模型箱框架(I)、钢化玻璃块(2)、基准钢梁(5)、相似材料土层(6)、标志线(7)、隧道孔洞(18)，进水管及排水管孔洞(19);模型箱框架(I)与钢化玻璃块2连接形成模型箱，相似材料土层(6)分层填入模型箱并夯实，在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线(7)，最后钢梁5固定于模型箱顶部纵向中央部位，隧道孔洞(18)与进水管及排水管孔洞(19)位于模型箱底部； 隧道模拟装置，包括聚氯乙烯隧道模型(8)、聚氯乙烯圆板支撑(13) ;3道聚氯乙烯圆板支撑(13)等间距置于聚氯乙烯隧道模型(8)的圆孔中，然后用密闭水袋(9)将聚氯乙烯隧道模型(8)环向紧密包裹后植入隧道孔洞(18)中； 地层损失模拟系统，包括密闭水袋(9)、进水管(10)、排水管(11)、止水阀门(12)、密闭水袋支撑(14)、量桶(15)、压力水泵(16);密闭水袋支撑(14)均匀布置于密闭水袋(9)中，密闭水袋(9)紧密包围聚氯乙烯隧道模型(8)，进水管(10)与排水管(11)分别连接于密闭水袋(9)的一侧边缘，并通过进水管及排水管孔洞(19)引出，进水管(10)与排水管(11)上分别配置有一个止水阀门(12)，进水管(10)的进水口与压力水泵(16)连接，排水管(11)出水口处放置一个量桶(15); 地表沉降测量系统，包括百分表(3)，磁性座(4);磁性座(4)固定于基准钢梁(5)上，百分表(3)安装在磁性座(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，其特征在于:模型箱框架(I)与钢化玻璃块(2)通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，其特征在于:所述的标志线(7)可换为标志层。
4.基于权利要求1所述一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置的模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的室内模型实验方法，其特征在于:方法所包括的具体步骤如下: 1)确定实验方案及相似参数；本发明方法可以模拟多种地质条件下的隧道盾构施工过程；首先根据实际工程情况及地质勘察报告确定实验方案，然后根据相似理论确定相似参数，包括几何相似常数、重度相似常数、粘聚力相似常数、内摩擦角相似常数、压缩模量相似常数，时间相似常数； 2)配比模型相似材料；根据实际工程地质情况及相似参数计算出模型相似材料的物理力学指标，包括几何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、压缩模量等；然后选择相似材料进行土工试验，调整各物质的配合比，直至使材料的相似条件满足要求； 3)组装模型装置；具体组装步骤如下: A、取标准块组合模型箱； B、根据实验室配比好的相似材料(6)按几何比例填入模型箱内；当相似材料(6)填埋到隧道孔洞(18)底边切线时，用密闭水袋(9)紧密包围聚氯乙烯隧道模型⑶后放入隧道孔洞(18)内，将进水管(10)与排水管 (11)经进水管及排水管孔洞(19)引出，利用压力水泵(16)向密闭水袋(9)中注满高压水，关闭进水管(10)与排水管(11)上的止水阀门(12)；然后继续向模型箱中分层填入相似材料(6)并夯实，并在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线或标志层(7)，分别填撒一薄层滑石粉，供试验中观测使用； C、待相似材料(6)全部装入模型箱内后，用螺丝将钢梁(5固定于模型箱顶部纵向中央部位； D、平整相似材料 (6)的表面，然后在需要测量地表沉降的位置处，将磁性座(4)固定于基准钢梁(5)上，并将百分表(3)安装在磁性座(4)上； 4)模拟隧道开挖；待相似材料(6)土体稳定之后，进行隧道开挖模拟；打开排水管(11)的止水阀门(12)，用量筒(15)收集密闭水袋(9)放出的水，排出水的体积与隧道模型总体积之比即为地层损失率；模拟过程按地层损失率1%的增量梯度分4-6步进行，并按I小时时间间隔记录百分表(3)的读数及观察土体破坏情况，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表(3)连续两次读数差值小于0.0lmm后即土体稳定后再进行；记录试验期间，记录时间、地层损失率、百分表读数及地层破坏情况，并绘制成表格； 5)数据分析；根据上述步骤记录的数据绘制出以下两条关系曲线: A、地表沉降位移S与开挖时间t之间的S-t曲线； B、地表沉降位移S与地层损失率P之间的S-P曲线； 以上两条曲线得到盾构隧道开挖造成的地表沉降位移S与开挖时间t及地层损失率P之间的对应关系。
全文摘要
模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置及方法，属于地下工程实验技术领域，本发明用相似材料模拟土层结构，隧道模拟装置模拟隧道结构，地层损失模拟系统模拟隧道周围扰动土体及地层损失的全过程。装置安装完毕后，地层损失模拟系统启动，将事先已经用压力水泵充满水的密闭水袋通过排水管分步排水，并通过止水阀门与量桶精确地控制排水量，并记录排水量，模拟地层损失，与之相应地层发生变形，地表随之发生沉降，地表沉降通过百分表精确测出，记录测量值。通过换算计算出地层损失率，并与沉降测量值一同制成表格和图像，从而可以简便精确的测出不同地层结构下地层损失率与地表沉降之间关系。
文档编号G01N33/24GK103105310SQ20131002381
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者姚爱军, 王成, 房师军, 彭虎, 翟玉新 申请人:北京工业大学