一种模拟地层隆起的盾构掘进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模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法，模型箱的空腔中安装有隧道模型，隧道模型连接有空气压缩装置，模型箱的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型的底部、顶部以及端头处，模型箱中设置有支护系统，在模型箱外部设置有相互连接的数据采集装置和处理装置，处理装置与监测系统连接，数据采集装置与监测系统连接。本发明专利技术利用气囊进行开挖面失稳破坏模拟，模拟盾构开挖面失稳因支护力过大而土体隆起的情况，可以清楚明白的观察到地层隆起情况；采用支护系统模拟进行超前支护的方式对开挖面进行支撑以提高开挖面的稳定性，利用全断面和半圆形的隧道模型可同时观察隧道盾构开挖面的纵剖面和横剖面失稳破坏过程及滑动区。

A shield tunneling test device and method simulating the uplift of stratum

The invention discloses a shield tunnelling test device and method for simulating stratum uplift. The cavity of the model box is equipped with a tunnel model, the tunnel model is connected with an air compression device, the cavity of the model box is equipped with a monitoring system, which is distributed at the bottom, top and end of the tunnel model, the model box is equipped with a support system, and the outside of the model box is equipped with a phase The data acquisition device and processing device are interconnected, the processing device is connected with the monitoring system, and the data acquisition device is connected with the monitoring system. In the invention, the air bag is used to simulate the instability and failure of the excavation surface, simulate the soil uplift caused by the excessive support force of the shield excavation surface, and clearly observe the stratum uplift; the support system is used to simulate the advance support to support the excavation surface to improve the stability of the excavation surface, and the tunnel can be observed at the same time by using the full section and semi-circular tunnel model The failure process and sliding area of the longitudinal and transverse sections of the shield excavation face.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法
本专利技术涉及盾构隧道施工物理模型试验
，具体涉及一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法。
技术介绍
盾构施工法使用盾构在地下掘进，在防止软基开挖面土砂崩塌和保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧道的开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。与传统的钻爆法相比，在地下隧道施工中，盾构法施工具有对自动化程度高、周围环境影响小、优质高效、施工快速、安全环保可靠、工作环境好、土方量少、不同地质条件适应性强、安全性高等优点。同其他施工方法一样，由于地质条件和施工工艺的限制，很难避免盾构推进对周围环境的扰动，甚至导致过大的地面沉降。而这种环境的破坏主要取决于盾构开挖面的稳定性，所以开挖面的稳定是盾构施工的一个重要问题。尽管盾构法由于优点众多而广泛应于城市地铁建设，但在开挖掘进过程中仍然会对周边环境产生诸多影响，譬如地表隆起或者沉降等，从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全。而此类现象的主导原因之一为对盾构开挖面稳定性的控制不当，由于开挖面支护力过大，容易导致地面隆起；反之，则会引起地面沉降，而现在研究地表隆起很少，但是对于地表隆起造成的危害应该引起重视。由此可见，盾构施工过程中控制开挖面的稳定性显得尤为重要，同时对盾构区域周边土体变形的预测有助于为及时调整盾构参数，采取相应防治措施等做出理论指导，从而避免不良影响继续扩大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有盾构开挖稳定性难以控制而造成地表隆起从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全，其目的在于提供一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置及方法，能够对开挖面失稳，支护力过大引起地层隆起和支护力过小引起地层坍塌的情况进行模拟，并能通过监测开挖面的支护力和土体位移揭示失稳破坏机制，从而防止地表隆起从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全的现象发生。本专利技术通过下述技术方案实现：一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，包括内部中空的模型箱，所述模型箱的空腔中安装有隧道模型，隧道模型连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型端部处的土方状况，在模型箱的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型的底部、顶部以及端头处，模型箱中设置有支护系统，监测系统的一部分布在支护系统范围中，支护系统位于隧道模型端部处，在模型箱外部设置有相互连接的数据采集装置和处理装置，处理装置与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建(铺设)隧道之“盾”(指支撑性管片)，它区别于敞开式施工法。国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式(非盾构法)的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机，将用于岩石地层的称为TBM。用盾构法的机械进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。尽管盾构法由于优点众多而广泛应于城市地铁建设，但在开挖掘进过程中仍然会对周边环境产生诸多影响，譬如地表隆起或者沉降等，从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全。而此类现象的主导原因之一为对盾构开挖面稳定性的控制不当，由于开挖面支护力过大，容易导致地面隆起；反之，则会引起地面沉降，而现在研究地表隆起很少，但是对于地表隆起造成的危害应该引起重视。由此可见，盾构施工过程中控制开挖面的稳定性显得尤为重要，同时对盾构区域周边土体变形的预测有助于为及时调整盾构参数，采取相应防治措施等做出理论指导，从而避免不良影响继续扩大。但是目前没有相应的设备和方法对盾构掘进进行模拟，都是停留在理论上，或者在实际盾构过程中遇到问题进行总结，这样没有进行实际模拟试验容易造成地表隆起从而引发地表建筑物不均匀沉降、墙体开裂、地下市政管线破坏等经济财产损失，甚至危及到人们的生命安全，经常在新闻中看到关于盾构掘进事故的报道发生，为了解决上述问题，本专利技术设计了一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，利用内部中空且顶端开口的模拟箱，在模拟箱中加入与施工地工况相同的试验土，在模型箱的空腔中安装隧道模型，为了对内部试验数据和状况进行监控，在模型箱的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型的底部、顶部以及端头处，实际上盾构掘进时有锚杆等进行支护，所以模型箱中也设置有支护系统，监测系统的一部分布在支护系统范围中，支护系统位于隧道模型端部处，为了实现数据的采集与处理，在模型箱外部设置有相互连接的数据采集装置和处理装置，处理装置与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。在试验过程，需要模拟出地表隆起状况，所以隧道模型连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型端部处的土方状况，这样才能够得到准确的模拟状态。本方案通过上述设计，利用气囊进行开挖面失稳破坏模拟，可以模拟盾构开挖面失稳因支护力过大而土体隆起的情况，可以清楚明白的观察到地层隆起情况；并采用支护系统模拟使用锚杆进行超前支护的方式对开挖面进行支撑以提高开挖面的稳定性，而且利用全断面和半圆形的隧道模型可同时观察隧道盾构开挖面的纵剖面和横剖面失稳破坏过程及滑动区，也可以单独研究，保证横、纵断面的滑动区形状的模型试验不受填土、试验操作等因素的影响，在隧道模型底部和侧面植入监测系统监测开挖面失稳土体滑移面的发展，一次探测信息量大，成果解释直观，其能够准确地模拟出盾构掘进开挖面的状况，得到准确的参数，使得实际掘进时避开地表隆起状况，或者一旦发生地表隆起能够及时采取措施进行处理，从而使得掘进的安全性和质量都达到标准。在进行监控时需要对多种参数进行监控，所以监测系统包括瞬变电磁仪、位移计和土压力盒，瞬变电磁仪安装在隧道模型的底部和顶部，瞬变电磁仪和处理装置连接，位移计安装在隧道模型的上方，且位移计位于瞬变电磁仪上方，位移计和数据采集装置连接，土压力盒分布在支护系统范围中，土压力盒和数据采集装置连接。模型箱上设置有支架，位移计与支架固定，并且位移计呈铅锤状态安装。位移计用于监测土体位移变化，位移计量程为30mm，可分辨小于0.005mm的位移变化，位移计使用百分百磁性基座固定在土层顶部支架上。土压力盒用于监测开挖面土压力的变化，土压力盒量程为30kPa，采用侧面出线的方式连接。瞬变电磁仪用于监测开挖面失稳土体滑移面的发展，瞬变电磁仪测量精度高、抗干扰能力强、一次探测信息量大、成果解释直观，将瞬变电磁仪发射线圈布置在隧道模型的底部和侧面。数据采集装置优选为数据采集仪，这是现有装置，能够在市面上直接购买到，该数据采集仪用于获取位移计测量的沉降量和土压力盒监测的土本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，包括内部中空的模型箱(1)，所述模型箱(1)的空腔中安装有隧道模型(6)，隧道模型(6)连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型(6)端部处的土方状况，在模型箱(1)的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型(6)的底部、顶部以及端头处，模型箱(1)中设置有支护系统(12)，监测系统的一部分布在支护系统(12)范围中，支护系统(12)位于隧道模型(6)端部处，在模型箱(1)外部设置有相互连接的数据采集装置(15)和处理装置(16)，处理装置(16)与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置(15)与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，包括内部中空的模型箱(1)，所述模型箱(1)的空腔中安装有隧道模型(6)，隧道模型(6)连接有空气压缩装置，通过空气压缩装置来改变隧道模型(6)端部处的土方状况，在模型箱(1)的空腔中设置有监测系统，监测系统分布在隧道模型(6)的底部、顶部以及端头处，模型箱(1)中设置有支护系统(12)，监测系统的一部分布在支护系统(12)范围中，支护系统(12)位于隧道模型(6)端部处，在模型箱(1)外部设置有相互连接的数据采集装置(15)和处理装置(16)，处理装置(16)与监测系统连接且用于储存、分析监测系统的形态参数，数据采集装置(15)与监测系统连接且用于采集监测系统的数据。


2.根据权利要求1所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述监测系统包括瞬变电磁仪、位移计(10)和土压力盒(13)，瞬变电磁仪安装在隧道模型(6)的底部和顶部，瞬变电磁仪和处理装置(16)连接，位移计(10)安装在隧道模型(6)的上方，且位移计(10)位于瞬变电磁仪上方，位移计(10)和数据采集装置(15)连接，土压力盒(13)分布在支护系统(12)范围中，土压力盒(13)和数据采集装置(15)连接。


3.根据权利要求2所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述模型箱(1)上设置有支架(11)，位移计(10)与支架(11)固定，并且位移计(10)呈铅锤状态安装。


4.根据权利要求2所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述数据采集装置(15)为数据采集仪，该数据采集仪用于获取位移计(10)测量的沉降量和土压力盒(13)监测的土压力变化量。


5.根据权利要求1所述的一种模拟地层隆起的盾构掘进试验装置，其特征在于，所述空气压缩装置包括气囊(7)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军伟，黄玲，郭亮，纪佑军，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51