基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，首先制作地层相似材料模型；然后布设纵横向地表监测点；安装盾构机模型，进行盾构施工；盾构机模型采用双盾体模式；盾构施工过程中进行五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；最后根据监测的数据，进行变形信息处理，进而实现五维数据采集。本方案通过相似材料模拟技术对盾构施工引起的地表沉降效应进行物理模拟，以确定盾构施工引起地表沉降的步长效应以及时间效应，为揭示和分析盾构隧道施工造成地表沉降的空间、时间特性，确定地表沉降在盾构步长影响下以及时间效应影响下的演化规律提供技术支持。时间效应影响下的演化规律提供技术支持。时间效应影响下的演化规律提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】
基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法


[0001]本专利技术属于盾构模型
，具体涉及一种盾构施工引起地表沉降“五维”空间效应相似模拟试验方法。

技术介绍

[0002]盾构机设备主要分为掘进硬岩区间的全断面硬岩隧道掘进机(TBM)，掘进软岩区间的土压平衡盾构机(EPB)，以及复杂地层条件下的双模盾构施工。然而无论是TBM法EPB法或者是双模盾构法施工，在其施工过程中都有共同的特点，即存在盾构机推进过程、管片安装过程。分析这两种具体工况可知，盾构机的推进过程会对地层土体产生扰动，例如某轨道交通线，采用的盾构推进步长为1.5m，不可避免的造成地表沉降。而在每步推进完成后的管片安装阶段，一般要停机40分钟左右，这段时间内地表沉降现象仍然在持续发生。
[0003]归纳上述具体工程情况，随着盾构隧道的不断掘进，地表会发生沉降现象，地表沉降不仅在X、Y、Z三个维度上展布，而且还随盾构隧道掘进步长(L)和时间(T)两个维度发生不断的演化。因此，将其定义为盾构隧道施工引起地表沉降的“五维”空间效应。
[0004]目前大多采用有限元软件或Peck公式对地表沉降的总量进行预测，其中有限元计算需要建立准确的模型，而真实的地层环境中各层岩的物理性质千变万化，所以建模会有很大的困难，Peck公式是一种简单的计算地表沉降的方法，其中有很多假定，因而计算结果会有很大误差。
[0005]传统的模型试验系统或方法，因为需要对原型进行简化，而且在相似材料、边界条件、测试设备的尺寸效应以及固结排水等方面均受限制，所以一般只能做定性的研究，难以准确的反应引起地表沉降的“五维”效应，对研究地表沉降槽的演化规律具有较大限制，在试验成果向原型转化以及直接用于施工控制等方面存在较大困难。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的缺陷，提出一种基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，以最大程度的模拟原型盾构机施工地表沉降情况，通过直观的观察沉降规律，并根据观测数据对实际工程的盾构机施工，地面建筑物及地下管线保护等提供指导。
[0007]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，所述试验系统包括试验模型箱、试验监测系统和盾构机模型装置，模型试验箱用以模拟实际施工地质条件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0008]步骤A、制作地层相似材料模型：获得待研究地区的地质勘探报告，根据地质勘探报告，结合相似比确定方法进行试验相似比的确定，进而根据相似比制作地层相似材料模型；
[0009]步骤B、布设纵横向地表监测点：对试验监测系统精度进行检验，以选择适合试验
方案的分辨率，并进行试验监测系统布设；
[0010]步骤C、安装盾构机模型，进行盾构施工；
[0011]所述盾构机模型采用双盾体模式，包括嵌套的内盾体和外盾体，以及推力杆、顶推装置和渣土吸尘器，外盾体前部为局部镂空区，内盾体和外盾体之间设置类牛腿构件，推力杆的一端固定在类牛腿构件上，另一端与顶推装置相连，顶推装置同时连接至渣土吸尘器；
[0012]盾构机模型的前部设置有附带刀具的刀盘，刀盘通过扭矩杆与转动电机相连，转动电机与交流电源相连，通过转动电机的旋转带动扭矩杆，从而带动刀盘旋转切削土体；
[0013]步骤D、五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；
[0014]步骤D1、通过盾构模型的连续推进观测推进步长对监测点的影响，并进行三维扫描记录；
[0015]步骤D2、对于时间维度的监测，采用变换盾构机模型停机时间来进行监测；
[0016]步骤E、根据步骤D监测的数据，进行变形信息处理，进而实现五维数据采集。
[0017]进一步的，所述步骤B中，所述试验监测系统采用三维激光扫描仪，在模型试验箱的模拟地层的表面布设多个地表监测点，地表监测点纵横向均布设，起始点和终止点与远离模型试验箱边界，且不受边界条件影响。
[0018]进一步的，所述步骤D1中，盾构机推进固定配速P，固定每步长尺寸Q，P、Q在一轮试验中为定值，记录纵向监测点步长影响下试验观测数据和横向监测点步长影响下试验观测数据。
[0019]进一步的，所述步骤D2中，具体包括以下方式：
[0020]时间效应采取停机的方式，进行两种不同时间效应采集：
[0021]其一：盾构机模型推进施工，选择盾构机模型停机位置，随后记录随着停机时间的延长，并记录该过程中不同监测点的沉降情况；
[0022]其二：盾构机模型推过所有监测点后，进行监测点的数据采集；试验过程中，盾构机推进固定配速P
’
，固定每步长尺寸Q
’
，P
’
、Q
’
在一轮试验中为定值，做出监测点时间影响下试验观测记录表记录相关数据。
[0023]进一步的，所述步骤C中，所述推力杆内部中空，且在靠近类牛腿构件一端的侧壁上设置孔洞，推力杆位于内盾体和外盾体之间，沿着圆周方向均匀设置有多个。
[0024]进一步的，所述内盾体和外盾体之间还设置有支撑推力杆的防失稳三角撑，相邻三角撑的支撑间距为盾构机模型长度的
[0025]进一步的，所述镂空区的镂空范围为盾构机模型长度的至
[0026]进一步的，在盾构机模型前端至位置处设置挡渣板，挡渣板设置在内盾体和外盾体之间，且位于局部镂空区的后方，挡渣板前方空间形成一密封空间。
[0027]进一步的，所述步骤A中，制作的制作地层相似材料模型放置在试验模型箱内，试验模型箱包括一上部开口的箱体，在箱体内模拟相似地层，箱体的侧面采用钢化玻璃板，箱体的底部采用钢板，相邻钢化玻璃板之间通过双肢角钢连接，并通过密封胶提高密封性；
[0028]所述相似材料采用包括石英砂、云母、重晶石粉、河砂、水泥进行地层岩体材料的
模拟，使其与实际地层情况相似，地层模型采用分层浇筑并进行人工振捣压实
[0029]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0030]本方案通过相似材料模拟技术对盾构施工引起的地表沉降效应进行五个维度上的物理模拟，以此确定盾构施工引起地表沉降的步长效应以及时间效应，实现沉降效应五个维度方面的研究，可以从模型试验中直接提炼出所需要的“五维”规律，并进而研究地表沉降槽的演化规律，为揭示和分析盾构隧道施工造成地表沉降的空间、时间特性，确定地表沉降在盾构步长影响下以及时间效应影响下的演化规律提供技术支持。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例盾构隧道施工造成地表沉降的五维效应相似模拟试验系统示意图；
[0032]图2为本专利技术实施例纵向沉降监测点平面布置图；
[0033]图3为本专利技术实施例横向沉降监测点平面布置示意图；
[0034]图4为本专利技术实施例三维扫描精度试验布置示意图；
[0035]图5为本专利技术实施例隧道施工模拟试验盾构开挖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，所述试验系统包括试验模型箱、试验监测系统和盾构机模型装置，模型试验箱用以模拟实际施工地质条件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤A、制作地层相似材料模型：获得待研究地区的地质勘探报告，根据地质勘探报告，结合相似比确定方法进行试验相似比的确定，进而根据相似比制作地层相似材料模型；步骤B、布设纵横向地表监测点：对试验监测系统精度进行检验，以选择适合试验方案的分辨率，并进行试验监测系统布设；步骤C、安装盾构机模型，进行盾构施工；所述盾构机模型采用双盾体模式，包括嵌套的内盾体(2)和外盾体(3)，以及推力杆(5)、顶推装置(6)和渣土吸尘器(7)，外盾体(3)前部为局部镂空区(31)，内盾体(2)和外盾体(3)之间设置类牛腿构件(4)，推力杆(5)的一端固定在类牛腿构件(4)上，另一端与顶推装置(6)相连，顶推装置(6)同时连接至渣土吸尘器(7)；盾构机模型的前部设置有附带刀具的刀盘(10)，刀盘(10)通过扭矩杆(12)与转动电机(13)相连，转动电机(13)与交流电源(14)相连，通过转动电机(13)的旋转带动扭矩杆(12)，从而带动刀盘(10)旋转切削土体；步骤D、五维监测：设计步长和时间维度地表沉降数据观测方法，结合三维扫描获得五维数据；步骤D1、通过盾构模型的连续推进观测推进步长对监测点的影响，并进行三维扫描记录；步骤D2、对于时间维度的监测，采用变换盾构机模型停机时间来进行监测；步骤E、根据步骤D监测的数据，进行变形信息处理，进而实现五维数据采集。2.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤B中，所述试验监测系统采用三维激光扫描仪，在模型试验箱的模拟地层的表面布设多个地表监测点，地表监测点纵横向均布设，起始点和终止点与远离模型试验箱边界，且不受边界条件影响。3.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降五维空间效应试验系统的方法，其特征在于：所述步骤D1中，盾构机推进固定配速P，固定每步长尺寸Q，P、Q在一轮试验中为定值，记录纵向监测点步长影响下试验观测数据和横向监测点步长影响下试验观测数据。4.根据权利要求1所述的基于双模盾构施工引起地表沉降...

【专利技术属性】
技术研发人员：于广明，张鹏辉，罗伟庭，石红兵，姚欣鹏，彭斌，谭芝文，岳强，杜佳明，张立，张树光，
申请(专利权)人：中国建筑第五工程局有限公司中国建筑股份有限公司中国建设基础设施有限公司中建南方投资有限公司桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：