一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置及方法，包括试验箱、盾构开挖装置、支撑架和量测系统；支撑架与试验箱通过底板连接，在试验箱相对的两壁面上预制有孔洞；盾构开挖装置包括刀盘、盾构机身、固定电机和外管；支撑架包括反力支座、工作台、螺纹钢柱。量测系统包括沉降杆、位移传感器、压力盒。本发明专利技术解决了实际工程中监测工作难，量测项目不全面的问题。为建立不同工况下的隧道开挖的力学模型，全面研究岩溶地区盾构隧道开挖对土体的影响、周围土体变形机理提供了更多的数据基础。由于本发明专利技术是基于相似原理进行试验设计，因此得到的试验结果对实际岩溶地区隧道周围土体变形及地层位移的预测具有一定的参考意义。

An experimental device and method for simulating excavation of shield tunnels in Karst Areas

The invention discloses a test device and a method for simulating shield tunnel excavation in Karst area, including a test box, a shield excavation device, a support frame and a measuring system; a support frame is connected with a test box through a bottom plate, and a hole is prefabricated on the two opposite walls of the test box; and a shield excavation device comprises a cutter head and a shield machine body. The supporting frame comprises a counterforce support, a worktable and a threaded steel column. The measuring system includes a settlement rod, a displacement sensor and a pressure box. The invention solves the problems of difficult monitoring work and incomplete measurement items in actual projects. In order to establish the mechanical model of tunnel excavation under different working conditions, more data are provided to study the influence of shield tunnel excavation on Soil and deformation mechanism of surrounding soil in Karst area. Because the method is based on the similarity principle, the test results obtained have certain reference significance for the prediction of soil deformation and stratum displacement around the tunnel in the actual karst area.

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置及方法
本专利技术属于土木工程领域的地下工程岩土盾构
，具体涉及一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置及方法。技术背景岩溶问题是世界性难题，也是各国地铁工程建设中都难以逃避的问题，国内外众多学者和工程人员对岩溶发育机理、岩溶勘察方法、岩溶施工处理以及风险评估方法进行了大量的探讨与研究。针对盾构施工过程的研究，对于了解盾构隧道本身结构特性及其对周边环境影响具有重要意义，其中利用试验手段进行相关研究可获得较为直观的结果。限于施工环境影响及测量手段不足，基于现场的盾构隧道开挖过程试验较难实现，因此可通过模型试验完成对岩溶地区盾构隧道开挖的工程模拟。国内外学者针对盾构隧道开挖的相关问题进行了一系列的模型试验，然而针对岩溶地区的模型试验较少，且大部分实验装置对于转移挖掘土体的问题解决不彻底，没有考虑到土压平衡。土体超挖导致的盾构机整体姿态下沉，土体欠挖导致残余土堆积造成隧道上方土体隆起，所以如何转移土体是模型试验中的关键问题。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置及方法，能够对不同位置、大小的溶洞条件进行模拟和对相关工况下土体的变形特性和力学行为进行监测，为研究岩溶地区盾构隧道开挖影响提供充足的数据资料，实现对具体盾构隧道施工影响的预测。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置，包括试验箱、盾构开挖装置、支撑架和量测系统，所述支撑架与试验箱通过底板连接；所述试验箱带底、敞口，试验箱内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面，溶洞置于土体中，在试验箱相对的两壁面上预制有孔洞，在两壁面外侧孔洞的周边外设置有环形钢管孔道，用于保障盾构开挖装置进入试验箱进行掘进和土体稳定；所述盾构开挖装置包括刀盘、外管、盾构机身和电机，刀盘可拆卸，盾构机身的直径小于刀盘的直径，盾构机身内部设有螺旋钢片，外侧嵌套有外管(外管的外径与刀盘的直径相同)，外管模拟隧道的砌衬，电机一端通过固定钢环与盾构机身相连，另一端通过固定钢环与水平千斤顶的顶部相连；支撑架包括反力支座、工作台和滑动钢扣，反力支座垂直设于工作台上，与水平千斤顶的基座相连，工作台上设有滑道，滑道与滑动钢扣滑动连接，固定钢环与滑动钢扣固定连接；所述量测系统包括若干根沉降杆、若干组压力盒、数据采集仪和计算机，所述沉降杆上端与位移传感器连接，下端固定在土体中，所述位移传感器布置在土体表层上，所述若干组压力盒沿预开挖隧道外侧上、下、左、右四个方向间隔布置；所述位移传感器和压力盒分别通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接。螺旋钢片的中心设有旋转轴，旋转轴一端与电机相连，另一端与刀盘中心相连。螺旋钢片的轴向长度与盾构机身的长度相同。工作台的高度通过螺纹钢柱调节。螺纹钢柱与底板连接。优选刀盘设有八扇刀面。所述土体按照相似比配制，土内埋置石蜡用以预制土洞，或埋置冰块预制富水溶洞。溶洞位置大小可自由控制。反力支座焊接在工作台上。优选试验箱为可视化钢化玻璃箱，四壁玻璃上预制有刻度标记线，便于观测土体位移沉降。为防止实验箱体变形，实验箱四壁外设有钢板框架，进行保护。环形钢管孔道设于钢板框架上。实验箱还设有钢管支撑，通过钢管支撑将实验箱体固定在底板上，防止试验箱倾斜。优选所述外管为PVC管或钢管。优选间隔10cm布置一组压力盒，可以根据需要进行水平测量或竖向测量。所述沉降杆沿隧道横向间隔10cm布置一根。更进一步地，每组设有4个压力盒。本专利技术还提供一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置的使用方法，包括如下步骤：A.配置好所需土体，然后将量测装置按实验设计要求布置到位；B.进行掘进时，首先将外管嵌套在盾构机身外侧，调整高度使刀盘与洞口处与同一位置，接通电源开动电机，电机带动刀盘和螺旋钢片转动，开动千斤顶提供水平推进力，使盾构开挖装置通过钢管孔道进入试验箱；C.当盾构机贯穿箱体后，停止钻进，关闭电机，拆除刀盘，收回水平千斤顶，将盾构机身抽出，土体随螺旋钢片排出，将外管留于试验箱内，所留外管为模拟的盾构管片；D.通过监测沉降杆来推算出地层沉降和地表沉降，通过压力盒来测量土体周围压力的变化，记录不同情况时土压力的变化规律。本专利技术还适用于地铁工程。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、通过模型试验测量土体压力与位移沉降预测实际工程可能出现的情况，本专利技术能够对岩溶地区盾构开挖过程中周围土体的变形特性和力学特征进行全面的监测，解决了实际工程中监测工作难，量测项目不全面的问题。2、本专利技术可通过改变不同溶洞性质下，隧道周围土体变形特性和力学行为的研究，为建立不同工况下的隧道开挖的力学模型，全面研究岩溶地区盾构隧道开挖对土体的影响、周围土体变形机理提供了更多的数据基础。3、本专利技术是基于相似原理进行试验设计，因此得到的试验结果对实际岩溶地区隧道周围土体变形及地层位移的预测具有一定的参考意义。4、本装置将刀盘、机身、电机、千斤顶一体化，简单有效的解决了掘进过程中土体转移的问题，将刀盘挖掘出的土运送至机身，运送土体和钻进挖掘同步实现。5、本专利技术是一套完整的实验装置，相比其他模型在固定模型箱的同时还另需固定反力墙，本实验装置的试验箱、支撑架通过底部钢板连接在一起，支撑架上的反力支座使盾构模型的行进更为便捷。6、本专利技术试验箱整体为可视钢化玻璃，为防止箱体变形，外加钢板框架保护，且钢板框架上设有钢管孔道，起到了一定的定向和支撑作用。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为盾构开挖装置外管示意图。图3为本专利技术的试验箱结构主视图。图4为本专利技术的试验箱结构左视图。图5为本专利技术的盾构开挖装置和支架连接示意图。图6为盾构开挖装置和工作台连接断面图。图7为本专利技术的量测系统的布设示意图。图中：1、试验箱，2、盾构开挖装置，3、支撑架，4、底板，5、试验箱钢板框架，6、钢管孔道，7、可视钢化玻璃板，8、钢管支撑，9、刀盘，10、盾构机身，11、螺旋钢片，12、固定钢环，13、电机，14、水平千斤顶，15、反力支座，16、滑动钢扣，17、工作台、18、固定螺母，19、套管，20、沉降杆，21、沉降杆连接架，22、压力盒，23、溶洞，24、外管，25、螺纹钢柱。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的特点进一步说明。如图1-7所示，一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置，包括试验箱1、盾构开挖装置2、支撑架3和量测系统，所述支撑架3与试验箱1通过底板4连接；所述试验箱1带底、敞口，试验箱1内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面，溶洞23置于土体中，在试验箱1相对的两壁面上预制有孔洞，在两壁面外侧孔洞的周边外设置有环形钢管孔道6，用于保障盾构开挖装置2进入试验箱1进行掘进和土体稳定；所述盾构开挖装置2包括刀盘9、外管24、盾构机身10和电机13，刀盘9可拆卸，盾构机身10的直径小于刀盘9的直径，盾构机身10内部设有螺旋钢片11，外侧嵌套有外管24，外管24模拟隧道的砌衬，电机13一端通过固定钢环12与盾构机身10相连，另一端通过固定钢环12与水平千斤顶14的顶部相连；支撑架3包括反力支座15、工作台17和滑动钢扣16，反力支座15垂直设于工作台17上，与水平千斤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：包括试验箱(1)、盾构开挖装置(2)、支撑架(3)和量测系统，所述支撑架(3)与试验箱(1)通过底板(4)连接；所述试验箱(1)带底、敞口，试验箱(1)内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面，溶洞(23)置于土体中，在试验箱(1)相对的两壁面上预制有孔洞，在两壁面外侧孔洞的周边外设置有环形钢管孔道(6)，用于保障盾构开挖装置(2)进入试验箱(1)进行掘进和土体稳定；所述盾构开挖装置(2)包括刀盘(9)、外管(24)、盾构机身(10)和电机(13)，刀盘(9)可拆卸，盾构机身(10)的直径小于刀盘(9)的直径，盾构机身(10)内部设有螺旋钢片(11)，外侧嵌套有外管(24)，外管(24)模拟隧道的砌衬，电机(13)一端通过固定钢环(12)与盾构机身(10)相连，另一端通过固定钢环(12)与水平千斤顶(14)的顶部相连；支撑架(3)包括反力支座(15)、工作台(17)和滑动钢扣(16)，反力支座(15)垂直设于工作台(17)上，与水平千斤顶(14)的基座相连，工作台(17)上设有滑道，滑道与滑动钢扣(16)滑动连接，固定钢环(12)与滑动钢扣(16)固定连接；所述量测系统包括若干根沉降杆(20)、若干组压力盒、数据采集仪和计算机，所述沉降杆(20)上端与位移传感器连接，下端固定在土体中，所述位移传感器布置在土体表层上，所述若干组压力盒沿预开挖隧道外侧上、下、左、右四个方向间隔布置；所述位移传感器和压力盒(22)分别通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接。...

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：包括试验箱(1)、盾构开挖装置(2)、支撑架(3)和量测系统，所述支撑架(3)与试验箱(1)通过底板(4)连接；所述试验箱(1)带底、敞口，试验箱(1)内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面，溶洞(23)置于土体中，在试验箱(1)相对的两壁面上预制有孔洞，在两壁面外侧孔洞的周边外设置有环形钢管孔道(6)，用于保障盾构开挖装置(2)进入试验箱(1)进行掘进和土体稳定；所述盾构开挖装置(2)包括刀盘(9)、外管(24)、盾构机身(10)和电机(13)，刀盘(9)可拆卸，盾构机身(10)的直径小于刀盘(9)的直径，盾构机身(10)内部设有螺旋钢片(11)，外侧嵌套有外管(24)，外管(24)模拟隧道的砌衬，电机(13)一端通过固定钢环(12)与盾构机身(10)相连，另一端通过固定钢环(12)与水平千斤顶(14)的顶部相连；支撑架(3)包括反力支座(15)、工作台(17)和滑动钢扣(16)，反力支座(15)垂直设于工作台(17)上，与水平千斤顶(14)的基座相连，工作台(17)上设有滑道，滑道与滑动钢扣(16)滑动连接，固定钢环(12)与滑动钢扣(16)固定连接；所述量测系统包括若干根沉降杆(20)、若干组压力盒、数据采集仪和计算机，所述沉降杆(20)上端与位移传感器连接，下端固定在土体中，所述位移传感器布置在土体表层上，所述若干组压力盒沿预开挖隧道外侧上、下、左、右四个方向间隔布置；所述位移传感器和压力盒(22)分别通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接。2.如权利要求1所述的一种用于模拟岩溶地区盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：刀盘(9)设有八扇刀面。3.如权利要求1所述的一种用于模拟岩溶地区盾构隧道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，苏鹏，吴跃东，张小浩，古兴康，庄心欣，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21