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專利名稱：模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明屬于地下工程實驗技術(shù)領(lǐng)域，可以模擬盾構(gòu)隧道施工引起地層變形的過程，簡單精確的描繪出地表沉降位移S與地層損失率P之間的關(guān)系，為設(shè)計與施工方案的優(yōu)化提供依據(jù)，對施工現(xiàn)場周圍已有建筑及構(gòu)筑物的安全隱患起到有效的預(yù)測作用。
背景技術(shù)：
:在現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道施工模型實驗技術(shù)中，多集中在盾構(gòu)掘進機模型技術(shù)、加載技術(shù)、模型變形的立體攝影測量技術(shù)、數(shù)字照相變形測量技術(shù)、隧道模型材料配比研究等方面。主要解決管片結(jié)構(gòu)的受力問題、隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用問題、開挖面的穩(wěn)定性問題、盾構(gòu)隧道與鄰近構(gòu)筑物相互作用問題，以及盾構(gòu)隧道滲透性、涌水、壁后注漿效應(yīng)等問題。而本發(fā)明主要是解決盾構(gòu)隧道施工對地層、地表及建筑物的影響問題。在現(xiàn)有的模擬裝置與方法中，存在一個共同的缺點，就是在模擬盾構(gòu)隧道施工時無法實現(xiàn)簡單精確的控制地層損失量，相應(yīng)的也就得不到地層損失率與上覆巖土體變形之間的確切關(guān)系。本發(fā)明研制了一種地層損失模擬系統(tǒng)，作為該模擬方法的核心部分，可較為準確地測量不同地層結(jié)構(gòu)下的隧道施工的地層損失量，與地層和地表的變形監(jiān)測值相結(jié)合，以探索和解決盾構(gòu)隧道施工對地層、地表及建筑物的影響問題
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明方法利用一套自主研發(fā)的能夠模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，可以獲得地表沉降位移S與地層損失率P之間的關(guān)系及地層破壞特征。主要解決了以下技術(shù)問題:(I)地層損失簡單精確的控制。本裝置通過在隧道模擬裝置周圍安裝地層損失模擬系統(tǒng)來代替隧道周圍擾動土體，將密閉水袋9中的水有步驟的排出，并通過止水閥門12和量桶15精確地控制排水量，由此模擬出地層損失的全過程。(2)模擬裝置的簡便安裝與操作。巖土工程領(lǐng)域的模擬實驗通常都需要體積比較龐大的模擬裝置來實現(xiàn)，因此，模擬裝置的制作、安裝與操作往往比較復雜、比較困難。本裝置采用模型箱框架I與鋼化玻璃塊2作為拼裝材料，實現(xiàn)了模擬裝置的簡單拼裝與拆卸，不僅操作簡易，而且能夠回收利用，節(jié)省試驗成本。本發(fā)明裝置的主要技術(shù)關(guān)鍵是將模型箱框架I與鋼化玻璃標準塊2拼裝成模型箱后，將相似材料土層6分層填入模型箱并夯實，期間將隧道模擬裝置與地層損失模擬系統(tǒng)在預(yù)先計算好的位置處植入，最后在表層處安裝地表沉降測量系統(tǒng)。地層損失模擬系統(tǒng)啟動，通過止水閥門12與量桶15精確控制地層損失量，相應(yīng)地層發(fā)生變形，地表沉降位移S通過地表沉降測量系統(tǒng)精確測出。因此可以簡易精確的測出地表沉降位移S與地層損失率P之間的關(guān)系。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:—種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，包括模型箱及地層系統(tǒng)、隧道模擬系統(tǒng)、地層損失模擬系統(tǒng)、地表沉降測量系統(tǒng)。
模型箱及地層系統(tǒng)，包括模型箱框架1、鋼化玻璃塊2、基準鋼梁5、相似材料土層
6、標志線7、隧道孔洞18，進水管及排水管孔洞19 ;模型箱框架I與鋼化玻璃塊2連接形成模型箱，相似材料土層6分層填入模型箱并夯實，在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線7，最后鋼梁5固定于模型箱頂部縱向中央部位，隧道孔洞18與進水管及排水管孔洞19位于模型箱底部；隧道模擬裝置，包括聚氯乙烯隧道模型8、聚氯乙烯圓板支撐13 ;3道聚氯乙烯圓板支撐13等間距置于聚氯乙烯隧道模型8的圓孔中，然后用密閉水袋9將聚氯乙烯隧道模型8環(huán)向緊密包裹后植入隧道孔洞18中；地層損失模擬系統(tǒng)，包括密閉水袋9、進水管10、排水管11、止水閥門12、密閉水袋支撐14、量桶15、壓力水泵16 ;密閉水袋支撐14均勻布置于密閉水袋9中，密閉水袋9緊密包圍聚氯乙烯隧道模型8，進水管10與排水管11分別連接于密閉水袋9的一側(cè)邊緣，并通過進水管及排水管孔洞19引出，進水管10與排水管11上分別配置有一個止水閥門12，進水管10的進水口與壓力水泵16連接，排水管11出水口處放置一個量桶15 ；地表沉降測量系統(tǒng)，包括百分表3，磁性座4。磁性座4固定于基準鋼梁5上，百分表3安裝在磁性座4上。模型箱框架I與鋼化玻璃塊2通過螺栓連接。所述的標志線7可換為標志層。方法所包括的具體步驟如下:I)確定實驗方案及相似參數(shù)。本發(fā)明方法可以模擬多種地質(zhì)條件下的隧道盾構(gòu)施工過程。首先根據(jù)實際工程情況及地質(zhì)勘察報告確定實驗方案，然后根據(jù)相似理論確定相似參數(shù)，包括幾何相似常數(shù)、重度相似常數(shù)、粘聚力相似常數(shù)、內(nèi)摩擦角相似常數(shù)、壓縮模量相似常數(shù)，時間相似常數(shù)。2)配比模型相似材料。根據(jù)實際工程地質(zhì)情況及相似參數(shù)計算出模型相似材料的物理力學指標，包括幾何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、壓縮模量等。然后選擇相似材料進行土工試驗，調(diào)整各物質(zhì)的配合比，直至使材料的相似條件滿足要求。所述I)中確定實驗方案及相似參數(shù)與2)中配比模型相似材料本領(lǐng)域內(nèi)的人員均熟知如何進行。3)組裝模型裝置；具體組裝步驟如下:A、取標準塊組合模型箱；B、根據(jù)實驗室配比好的相似材料6按幾何比例填入模型箱內(nèi)。當相似材料6填埋到隧道孔洞18底邊切線時，用密閉水袋9緊密包圍聚氯乙烯隧道模型8后放入隧道孔洞18內(nèi)，將進水管10與排水管11經(jīng)進水管及排水管孔洞19引出，利用壓力水泵16向密閉水袋9中注滿高壓水，關(guān)閉進水管10與排水管11上的止水閥門12。然后繼續(xù)向模型箱中分層填入相似材料6并夯實，并在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線或標志層7，分別填撒一薄層滑石粉，供試驗中觀測使用。C、待相似材料6全部裝入模型箱內(nèi)后，用螺絲將鋼梁5固定于模型箱頂部縱向中央部位；D、平整相似材料6的表面，然后在需要測量地表沉降的位置處，將磁性座4固定于基準鋼梁5上，并將百分表3安裝在磁性座4上。
4)模擬隧道開挖。待相似材料6 土體穩(wěn)定之后，進行隧道開挖模擬。打開排水管11的止水閥門12，用量筒15收集密閉水袋9放出的水，排出水的體積與隧道模型總體積之比即為地層損失率。模擬過程按地層損失率1%的增量梯度分4-6步進行，并按I小時時間間隔記錄百分表3的讀數(shù)及觀察土體破壞情況，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表3連續(xù)兩次讀數(shù)差值小于0.0lmm后即土體穩(wěn)定后再進行；記錄試驗期間，記錄時間、地層損失率、百分表讀數(shù)及地層破壞情況，并繪制成表格。5)數(shù)據(jù)分析；根據(jù)上述步驟記錄的數(shù)據(jù)繪制出以下兩條關(guān)系曲線:A、地表沉降位移S與開挖時間t之間的S_t曲線；B、地表沉降位移S與地層損失率P之間的S-P曲線。以上兩條曲線得到盾構(gòu)隧道開挖造成的地表沉降位移S與開挖時間t及地層損失率P之間的對應(yīng)關(guān)系，為實際工程提供有效的參考數(shù)據(jù)。本發(fā)明可以取得如下有益效果:1、本發(fā)明可以在模擬盾構(gòu)隧道施工時簡單精確的控制地層損失量，得到地層損失率與上覆巖土體變形之間的確切關(guān)系，為設(shè)計與施工方案的優(yōu)化提供依據(jù)，對施工現(xiàn)場周圍已有建筑及構(gòu)筑物的安全隱患起到有效的預(yù)測作用。2、本發(fā)明裝置不僅可以根據(jù)幾何相似系數(shù)進行任何尺寸的拼裝與拆卸，操作簡易，而且能夠回收利用，節(jié)省試驗成本。


:圖1:一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置的俯視圖；圖2: —種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置的正立面圖；圖3: —種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置的側(cè)立面圖；圖4:一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置1-1的剖面圖；圖5:—種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置2-2的剖面圖；圖中:1.模型箱框架，2.鋼化玻璃塊，3.百分表，4.磁性座，5.基準鋼梁，6.相似材料土層，7.標志線，8.聚氯乙烯隧道模型，9.密閉水袋，10.進水管，11.排水管，12.止水閥門，13.聚氯乙烯圓板支撐，14.密閉水袋網(wǎng)架，15.量桶16.壓力水泵，17.加強肋板，18.隧道孔洞，19.進水管及排水管孔洞。
具體實施方式
:下面結(jié)合附圖和具體實施方法對于本發(fā)明做進一步說明:如圖1至圖5所示為本方法所采用的核心裝置，即一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，包括模型箱及地層系統(tǒng)、隧道模擬系統(tǒng)、地層損失模擬系統(tǒng)、地表沉降測量系統(tǒng)。模型箱及地層系統(tǒng)，包括模型箱框架1、鋼化玻璃塊2、基準鋼梁5、相似材料土層6、標志線(層)7、隧道孔洞18，進水管及排水管孔洞19 ;模型箱框架I與鋼化玻璃塊2連接形成模型箱，相似材料土層6分層填入模型箱并夯實，在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線(層)7，最后鋼梁5固定于模型箱頂部縱向中央部位，隧道孔洞18與進水管及排水管孔洞19位于模型箱底部；隧道模擬裝置，包括聚氯乙烯隧道模型8、聚氯乙烯圓板支撐13 ;3道聚氯乙烯圓板支撐13等間距置于聚氯乙烯隧道模型8的圓孔中，然后用密閉水袋9將聚氯乙烯隧道模型8環(huán)向緊密包裹后植入隧道孔洞18中；地層損失模擬系統(tǒng)，包括密閉水袋9、進水管10、排水管11、止水閥門12、密閉水袋支撐14、量桶15、壓力水泵16 ;密閉水袋支撐14均勻布置于密閉水袋9中，密閉水袋9緊密包圍聚氯乙烯隧道模型8，進水管10與排水管11分別連接于密閉水袋9的一側(cè)邊緣，并通過進水管及排水管孔洞19引出，進水管10與排水管11上分別配置有一個止水閥門12，進水管10的進水口與壓力水泵16連接，排水管11出水口處放置一個量桶15 ；地表沉降測量系統(tǒng)，包括百分表3，磁性座4。磁性座4固定于基準鋼梁5上，百分表3安裝在磁性座4上。模型箱框架I與鋼化玻璃塊2通過螺栓連接。本發(fā)明方法的實驗步驟如下:(I)確定實驗方案及相似參數(shù)。本發(fā)明方法可以模擬多種地質(zhì)條件下的隧道盾構(gòu)施工過程，例如上硬下軟地層模型實驗方案，上軟下硬地層模型實驗方案，硬化地面模型實驗方案等。首先根據(jù)實際工程情況及地質(zhì)勘察報告確定實驗方案，然后根據(jù)相似理論確定相似參數(shù)，包括幾何相似常數(shù)、重度相似常數(shù)、粘聚力相似常數(shù)、內(nèi)摩擦角相似常數(shù)、壓縮模量相似常數(shù)，時間相似常數(shù)等。(2)配比模型相似材料。根據(jù)實際工程地質(zhì)情況及相似參數(shù)計算出模型相似材料的物理力學指標，包括幾何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、壓縮模量等。然后選擇相似材料進行土工試驗,調(diào)整各物質(zhì)的配合比,直至使材料的相似條件滿足基本要求。(3)組裝模型裝置。由于本裝置是由模型箱框架I與鋼化玻璃塊2 (ImX Im)拼裝組成，所以可以簡單快捷的模擬多種不同尺寸條件下的地層，例如3mXlmX2m (長X寬X高)、2mX ImX lm、2mX 2mX Im等。本例以3mX ImX 2m尺寸為例進行說明。A、取用19塊ImX Im標準塊，組合模型箱，組合后模型箱尺寸為3mX ImX 2m(長X寬X高)。B、根據(jù)實驗室配比好的相似材料6按幾何比例填入模型箱內(nèi)。當相似材料6填埋到隧道孔洞18底邊切線時，用密閉水袋9緊密包圍聚氯乙烯隧道模型8后放入隧道孔洞18內(nèi)，將進水管10與排水管11經(jīng)進水管及排水管孔洞19引出，利用壓力水泵16向密閉水袋9中注滿高壓水，關(guān)閉進水管10與排水管11上的止水閥門12。然后繼續(xù)向模型箱中分層填入相似材料6并夯實，并在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線(層)7，分別填撒一薄層滑石粉，供試驗中觀測使用。C、待全部裝入模型箱內(nèi)后，用螺絲將鋼梁5固定于模型箱頂部縱向中央部位，如圖1所示。D、平整相似材料6的表面，然后在需要測量地表沉降的位置處，將磁性座4固定于基準鋼梁5上，并將百分表3安裝在磁性座4上。本例以隧道正上方地表處為中點布置第一個百分表3，然后分別向左右每隔0.36m等間距的各布置四個百分表3，如圖4所示。(4)模擬隧道開挖。待相似材料6 土體穩(wěn)定之后，進行隧道開挖模擬。打開排水管11的止水閥門12，用量筒15收集密閉水袋9放出的水，排出水的體積與隧道模型總體積之比即為地層損失率。模擬過程需分4-6步進行。本例我們以地層損失率1%的增量梯度分6步進行模擬，即按地層損失率分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%進行卸荷，并按I小時時間間隔記錄百分表3的讀數(shù)及觀察土體破壞情況，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表3連續(xù)兩次讀數(shù)差值小于0.0lmm后(即土體穩(wěn)定后)再進行。(5)數(shù)據(jù)分析。將上述步驟記錄的數(shù)據(jù)填入表格，并繪制出以下兩條關(guān)系曲線:A、地表沉降位移S與開挖時間t之間的S_t曲線；B、地表沉降位移S與地層損失率P之間的S-P曲線。根據(jù)以上兩條曲線分析盾構(gòu)隧道開挖造成的地表沉降位移S與開挖時間t及地層損失率P之間的具體關(guān)系，并總結(jié)規(guī)律，為實際工程提供有效的參考數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，其特征在于:其包括模型箱及地層系統(tǒng)、隧道模擬系統(tǒng)、地層損失模擬系統(tǒng)、地表沉降測量系統(tǒng)； 模型箱及地層系統(tǒng)，包括模型箱框架(I)、鋼化玻璃塊(2)、基準鋼梁(5)、相似材料土層(6)、標志線(7)、隧道孔洞(18)，進水管及排水管孔洞(19);模型箱框架(I)與鋼化玻璃塊2連接形成模型箱，相似材料土層(6)分層填入模型箱并夯實，在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線(7)，最后鋼梁5固定于模型箱頂部縱向中央部位，隧道孔洞(18)與進水管及排水管孔洞(19)位于模型箱底部； 隧道模擬裝置，包括聚氯乙烯隧道模型(8)、聚氯乙烯圓板支撐(13) ;3道聚氯乙烯圓板支撐(13)等間距置于聚氯乙烯隧道模型(8)的圓孔中，然后用密閉水袋(9)將聚氯乙烯隧道模型(8)環(huán)向緊密包裹后植入隧道孔洞(18)中； 地層損失模擬系統(tǒng)，包括密閉水袋(9)、進水管(10)、排水管(11)、止水閥門(12)、密閉水袋支撐(14)、量桶(15)、壓力水泵(16);密閉水袋支撐(14)均勻布置于密閉水袋(9)中，密閉水袋(9)緊密包圍聚氯乙烯隧道模型(8)，進水管(10)與排水管(11)分別連接于密閉水袋(9)的一側(cè)邊緣，并通過進水管及排水管孔洞(19)引出，進水管(10)與排水管(11)上分別配置有一個止水閥門(12)，進水管(10)的進水口與壓力水泵(16)連接，排水管(11)出水口處放置一個量桶(15); 地表沉降測量系統(tǒng)，包括百分表(3)，磁性座(4);磁性座(4)固定于基準鋼梁(5)上，百分表(3)安裝在磁性座(4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，其特征在于:模型箱框架(I)與鋼化玻璃塊(2)通過螺栓連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，其特征在于:所述的標志線(7)可換為標志層。
4.基于權(quán)利要求1所述一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置的模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的室內(nèi)模型實驗方法，其特征在于:方法所包括的具體步驟如下: 1)確定實驗方案及相似參數(shù)；本發(fā)明方法可以模擬多種地質(zhì)條件下的隧道盾構(gòu)施工過程；首先根據(jù)實際工程情況及地質(zhì)勘察報告確定實驗方案，然后根據(jù)相似理論確定相似參數(shù)，包括幾何相似常數(shù)、重度相似常數(shù)、粘聚力相似常數(shù)、內(nèi)摩擦角相似常數(shù)、壓縮模量相似常數(shù)，時間相似常數(shù)； 2)配比模型相似材料；根據(jù)實際工程地質(zhì)情況及相似參數(shù)計算出模型相似材料的物理力學指標，包括幾何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、壓縮模量等；然后選擇相似材料進行土工試驗，調(diào)整各物質(zhì)的配合比，直至使材料的相似條件滿足要求； 3)組裝模型裝置；具體組裝步驟如下: A、取標準塊組合模型箱； B、根據(jù)實驗室配比好的相似材料(6)按幾何比例填入模型箱內(nèi)；當相似材料(6)填埋到隧道孔洞(18)底邊切線時，用密閉水袋(9)緊密包圍聚氯乙烯隧道模型⑶后放入隧道孔洞(18)內(nèi)，將進水管(10)與排水管 (11)經(jīng)進水管及排水管孔洞(19)引出，利用壓力水泵(16)向密閉水袋(9)中注滿高壓水，關(guān)閉進水管(10)與排水管(11)上的止水閥門(12)；然后繼續(xù)向模型箱中分層填入相似材料(6)并夯實，并在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線或標志層(7)，分別填撒一薄層滑石粉，供試驗中觀測使用； C、待相似材料(6)全部裝入模型箱內(nèi)后，用螺絲將鋼梁(5固定于模型箱頂部縱向中央部位； D、平整相似材料 (6)的表面，然后在需要測量地表沉降的位置處，將磁性座(4)固定于基準鋼梁(5)上，并將百分表(3)安裝在磁性座(4)上； 4)模擬隧道開挖；待相似材料(6)土體穩(wěn)定之后，進行隧道開挖模擬；打開排水管(11)的止水閥門(12)，用量筒(15)收集密閉水袋(9)放出的水，排出水的體積與隧道模型總體積之比即為地層損失率；模擬過程按地層損失率1%的增量梯度分4-6步進行，并按I小時時間間隔記錄百分表(3)的讀數(shù)及觀察土體破壞情況，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表(3)連續(xù)兩次讀數(shù)差值小于0.0lmm后即土體穩(wěn)定后再進行；記錄試驗期間，記錄時間、地層損失率、百分表讀數(shù)及地層破壞情況，并繪制成表格； 5)數(shù)據(jù)分析；根據(jù)上述步驟記錄的數(shù)據(jù)繪制出以下兩條關(guān)系曲線: A、地表沉降位移S與開挖時間t之間的S-t曲線； B、地表沉降位移S與地層損失率P之間的S-P曲線； 以上兩條曲線得到盾構(gòu)隧道開挖造成的地表沉降位移S與開挖時間t及地層損失率P之間的對應(yīng)關(guān)系。
全文摘要
模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置及方法，屬于地下工程實驗技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明用相似材料模擬土層結(jié)構(gòu)，隧道模擬裝置模擬隧道結(jié)構(gòu)，地層損失模擬系統(tǒng)模擬隧道周圍擾動土體及地層損失的全過程。裝置安裝完畢后，地層損失模擬系統(tǒng)啟動，將事先已經(jīng)用壓力水泵充滿水的密閉水袋通過排水管分步排水，并通過止水閥門與量桶精確地控制排水量，并記錄排水量，模擬地層損失，與之相應(yīng)地層發(fā)生變形，地表隨之發(fā)生沉降，地表沉降通過百分表精確測出，記錄測量值。通過換算計算出地層損失率，并與沉降測量值一同制成表格和圖像，從而可以簡便精確的測出不同地層結(jié)構(gòu)下地層損失率與地表沉降之間關(guān)系。
文檔編號G01N33/24GK103105310SQ20131002381
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者姚愛軍, 王成, 房師軍, 彭虎, 翟玉新 申請人:北京工業(yè)大學