渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统技术方案

本发明专利技术公开了渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，本发明专利技术的FBG传感器通过光纤光栅将信号导出，首次将先进的光纤光栅传感技术用于渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验，能够高精度、实时地获取盾构隧道开挖面失稳过程中开挖面支护力的变化特征，指导实际盾构隧道施工。本发明专利技术利用土工离心机机械手在离心场中实时、精确控制开挖面板位移及后撤速率，本发明专利技术通过土工离心机机械手和角度调节装置实现不同隧道纵坡角下的盾构隧道开挖面失稳离心模型试验，构思巧妙，易于实现，本发明专利技术方案合理，结构简单，使用设备常规，具有良好的经济效益和社会效益。

Centrifugal Model Test System for Instability of Excavation Face of Shield Tunnel under Seepage Conditions

The invention discloses a centrifugal model test system for shield tunnel excavation surface instability under seepage condition. The FBG sensor of the invention derives the signal through the fiber Bragg grating. For the first time, the advanced fiber Bragg grating sensing technology is applied to the centrifugal model test of shield tunnel excavation surface instability under seepage condition, which can obtain the excavation surface support in the process of shield tunnel excavation surface instability with high precision and real-time. The variation characteristics of force can guide the actual shield tunnel construction. The invention utilizes Geocentrifuge manipulator to control the displacement and retreat rate of excavation face in real time and accurately in centrifugal field. The invention realizes centrifugal model test of shield tunnel excavation surface instability under different tunnel longitudinal slope angles by Geocentrifuge manipulator and angle adjusting device. The design is ingenious and easy to realize. The scheme of the invention is reasonable, the structure is simple, the equipment is conventional, and has the advantages of simple structure, convenient operation and convenient operation. Good economic and social benefits.

【技术实现步骤摘要】
渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统
本专利技术属于隧道模型试验领域，具体涉及渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统。
技术介绍
盾构隧道施工中开挖面的稳定性控制仍然是一个亟待解决的难题，而开挖面支护力的合理选取是解决这一难题的核心问题。开挖面支护力是影响开挖面稳定且造成土体扰动的重要原因，如若控制不当将会产生严重的安全事故。支护力过小导致开挖面前方土体大量进入压力仓，引起地表塌陷，而支护力过大则容易产生地表隆起问题，给周围建筑物带来不良影响，所以研究盾构隧道施工开挖面支护力合理控制范围对优化隧道施工工艺及掌握地层扰动规律具有重要意义。目前，许多学者针对盾构隧道开挖面失稳状态下的支护力变化规律开展了大量研究，但是现场实测难以获得开挖面失稳时的支护力大小，而离心模型试验通过在模型上施加离心惯性力使模型的容重增大，从而使模型的应力状态与原型一致，因此成为了主流研究手段。如申请号为201310205889.2介绍的专利技术专利研制了国内外首套适用于模拟稳态渗流下盾构开挖面失稳的离心模型装置，但该装置也存在一些可以继续完善的地方：一方面，土工离心机机械手相比该装置使用的步进电机控制开挖面位移，在离心场中可以更加精确、实时控制；另一方面，《盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究》、《迎坡条件下盾构隧道开挖面极限支护力计算与分析》等文献均已得出结论：盾构隧道开挖面稳定性的计算与平坡条件存在区别，且坡度对其稳定性的影响明显，实际设计与施工过程中，应予以具体考虑。由此可见，研究盾构隧道开挖面极限支护力与隧道纵坡角的关系十分必要，但是该装置并没有介绍相关内容；最后，该试验测试开挖面支护力所用仪器为压力传感器，受测试场域电磁环境影响较大，且每个测点引出线所形成的一大束导线成束绑扎，占据大部分的集流环空间，信号传输过程中相互干扰，极大地影响了测试精度。此外，土工离心模型的尺寸较小，长度在0.20～1.5m之间，传统的电类传感器尺寸一般偏大，在重力作用下会对模型产生较大影响，因此，离心模型试验需要高速、稳定、抗干扰能力强的信号转换、传输和处理系统。近年来，光纤传感技术的兴起给工程监测领域提供了一类新的技术和手段。与常规的电阻式、振弦式或电感式传感器相比，光纤光栅不仅体积小、精度高、抗电磁场干扰、耐久性好，还具有易于实现准分布式和自动化监测的优势。在土木结构健康监测方面，光纤布拉格光栅(FBG)由于其传感灵敏度高、可靠性好等优点被广泛使用，例如桩基础、边坡、大型洞室等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，为了达到上述目的，本专利技术包括用于固定在土工离心机上吊篮内的模型箱；模型箱包括试验箱，试验箱内设置有通过半圆形盾壳和开挖面板组成的腔体，腔体底部设置有角度调节装置，开挖面板外表面覆盖有PVD透水滤膜，试验箱一侧设置有竖向隔板，竖向隔板上设置有若干溢流孔，试验箱顶部设置有供水管，试验箱外具有土木离心机机械手，土木离心机机械手连接第二传力杆，第二传力杆铰接第一传力杆，第一传力杆伸入半圆形盾壳和开挖面板组成的腔体内，第一传力杆的端部固定有不锈钢钢棒，不锈钢钢棒端部与开挖面板固定，不锈钢钢棒内部设置有光纤光栅，不锈钢钢棒和光纤光栅组成FBG传感器。角度调节装置包括设置在腔体底部的支撑块，支撑块底部设置有角度调节垫块，角度调节垫块通过垫块固定装置限位。试验箱下方设置蓄水箱，腔体连接第一排水管，溢流孔连接第二排水管，第一排水管和第二排水管均接入蓄水箱，蓄水箱的入水管路上设置有电磁阀。试验箱与腔体的端面为竖向隔板，竖向隔板与模型箱间设置有若干用于固定竖向隔板的支撑杆。试验箱中前侧面由高强铝框内镶高强透明特种玻璃制成，内衬透明有机玻璃板，便于观察隧道开挖面失稳过程中土体情况。光纤光栅通过通讯光缆连接光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过无线传输装置连接计算机终端。土工离心机的顶部设置有下仪器仓，光纤光栅解调用螺丝固定安装于于下仪器仓顶盖上，通讯光缆两端分别熔接跳线，分别与光纤光栅(3)和光纤光栅解调仪(32)连接。第一传力杆的端部和开挖面板的内表面均固定有螺帽，不锈钢钢棒的两端均开设有与螺帽相配合的外螺纹，不锈钢钢棒的两端固定在螺帽内。土工离心机的转臂两端均设置有吊篮，其中一个吊篮固定模型箱，另一个吊篮固定配重箱。与现有技术相比，本专利技术的FBG传感器通过光纤光栅将信号导出，首次将先进的光纤光栅传感技术用于渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验，能够高精度、实时地获取盾构隧道开挖面失稳过程中开挖面支护力的变化特征，指导实际盾构隧道施工。本专利技术利用土工离心机机械手在离心场中实时、精确控制开挖面板位移及后撤速率，本专利技术通过土工离心机机械手和角度调节装置实现不同隧道纵坡角下的盾构隧道开挖面失稳离心模型试验，构思巧妙，易于实现，本专利技术方案合理，结构简单，使用设备常规，具有良好的经济效益和社会效益。进一步的，本专利技术将试验进行过程中的变形信息等数据，依靠解调仪配备的无线传输装置，实时地传递到监控室内的计算机终端上，方便用户实时地观察和记录试验过程中模型的变形情况。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中模型箱的主视图；图3为本专利技术中模型箱的侧试图；图4为本专利技术中支撑块结构的侧视图；图5为本专利技术中角度调节垫块的示意图；其中，1-半圆形盾壳，2-开挖面板，3-光纤光栅，4-不锈钢钢棒，5-通讯光缆，6-螺纹，7-螺帽，8-第一传力杆，9-PVD透水滤膜，11-第二传力杆，12-支撑杆，13-电磁阀，14-支撑块，15-第一排水管，16-角度调节垫块，17-垫块固定装置，18-水位面，19-溢流孔，20-土工离心机，21-法兰，22-土工离心机机械手，23-供水管，24-第二排水管，25-竖向隔板，26-通水孔，27-蓄水箱，28-L型钢片，29-玻璃，30-有机玻璃板，31-下仪器仓，32-光纤光栅解调仪，33-无线传输装置，34-计算机终端，35-模型箱，36-吊篮，37-转臂，38-配重箱。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。参见图1、图2和图3，本专利技术包括用于固定在土工离心机20上吊篮36内的模型箱35；模型箱35包括试验箱，试验箱内设置有通过半圆形盾壳1和开挖面板2组成的腔体，腔体底部设置有角度调节装置，开挖面板2外表面覆盖有PVD透水滤膜9，试验箱一侧设置有竖向隔板25，竖向隔板25上设置有若干溢流孔19，水位面18与溢流孔19高度相同，试验箱顶部设置有供水管23，试验箱外具有土木离心机机械手22，土木离心机机械手22连接第二传力杆11，第二传力杆11铰接第一传力杆8，第一传力杆8伸入半圆形盾壳1和开挖面板2组成的腔体内，第一传力杆8的端部固定有不锈钢钢棒4，不锈钢钢棒4内部设置有光纤光栅3，不锈钢钢棒4和光纤光栅3组成FBG传感器，通过光纤光栅3将信号导出。第一传力杆8的端部和开挖面板2的内表面均固定有螺帽7，不锈钢钢棒4的两端均开设有与螺帽7相配合的外螺纹6，不锈钢钢棒4的两端固定在螺帽7内。参见图4和图5，角度调节装置包括设置在腔体底部的支撑块14，支撑块14底部设置有角度调节垫块16，角度调节垫块16通过垫块固定装置17限位。试验箱下方设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，其特征在于，包括用于固定在土工离心机(20)上吊篮(36)内的模型箱(35)；模型箱(35)包括试验箱，试验箱内设置有通过半圆形盾壳(1)和开挖面板(2)组成的腔体，腔体底部设置有角度调节装置，开挖面板(2)外表面覆盖有PVD透水滤膜(9)，试验箱一侧设置有竖向隔板(25)，竖向隔板(25)上设置有若干溢流孔(19)，试验箱顶部设置有供水管(23)，试验箱外具有土木离心机机械手(22)，土木离心机机械手(22)连接第二传力杆(11)，第二传力杆(11)铰接第一传力杆(8)，第一传力杆(8)伸入半圆形盾壳(1)和开挖面板(2)组成的腔体内，第一传力杆(8)的端部固定有不锈钢钢棒(4)，不锈钢钢棒(4)内部设置有光纤光栅(3)，不锈钢钢棒(4)和光纤光栅(3)组成FBG传感器。

【技术特征摘要】
1.渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，其特征在于，包括用于固定在土工离心机(20)上吊篮(36)内的模型箱(35)；模型箱(35)包括试验箱，试验箱内设置有通过半圆形盾壳(1)和开挖面板(2)组成的腔体，腔体底部设置有角度调节装置，开挖面板(2)外表面覆盖有PVD透水滤膜(9)，试验箱一侧设置有竖向隔板(25)，竖向隔板(25)上设置有若干溢流孔(19)，试验箱顶部设置有供水管(23)，试验箱外具有土木离心机机械手(22)，土木离心机机械手(22)连接第二传力杆(11)，第二传力杆(11)铰接第一传力杆(8)，第一传力杆(8)伸入半圆形盾壳(1)和开挖面板(2)组成的腔体内，第一传力杆(8)的端部固定有不锈钢钢棒(4)，不锈钢钢棒(4)内部设置有光纤光栅(3)，不锈钢钢棒(4)和光纤光栅(3)组成FBG传感器。2.根据权利要求1所述的渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，其特征在于，角度调节装置包括设置在腔体底部的支撑块(14)，支撑块(14)底部设置有角度调节垫块(16)，角度调节垫块(16)通过垫块固定装置(17)限位。3.根据权利要求1所述的渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，其特征在于，试验箱下方设置蓄水箱(27)，腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁效林，孙钰丰，严彬华，张鹏，田超，李豪，王利明，张丙武，王伟龙，牛豪爽，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61