本发明专利技术属岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置。该测试装置主要由模型箱、位移计小支架、位移计大支架、隧道开挖装置以及ＬＶＤＴ（线性可变差分变压器）位移计等构成。其中，模型箱为中部空心的长方体；位移计小支架和位移计大支架通过沿水平方向和垂直方向多方位调节ＬＶＤＴ位移计，可以实现对地表沉陷和内部土层变形的测量；隧道开挖装置可以通过排放一定体积的水来模拟地层损失引起的土体变形。本发明专利技术能够更方便、更真实有效地模拟出城市盾构隧道施工对周围地层的变形影响，为隧道设计与施工提供更真实准确的实验数据，保障城市盾构隧道建设的高效与安全。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种城市盾构隧道施工 诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置。
技术介绍
近年来，我国城市化水平的迅速提高带动了城市地下轨道交通系统的快速发展。 盾构法隧道施工由于可以较小程度地对地面交通产生影响而越来越广泛的被应用于地下 铁道的建设中，该工法已经成为我国城市地下轨道交通系统中的一种重要施工方法。然而， 在隧道的修建过程中，由于地质条件和施工工艺的限制，盾构机压力舱支护压力与地层土、 水压力不平衡导致开挖面前方土体移动以及盾尾空隙的闭合造成地层损失，周围孔隙水压 变化等原因，都会使土层原始应力重新分布，原有的土体平衡状态遭到破坏，最终引起周围 地层变形及地表沉降，特别是在软土盾构隧道中尤为明显。在现场施工过程中，地表沉降发 生的概率很高，南京地铁1号线施工过程中，在汉口路与中山路交汇处曾发生面积约15 m2, 深为2 m的地面道路沉陷，严重影响了地面的正常交通；深圳地铁1号线施工期内地面沉降 事故占了总事故的25 %，其中一期工程暗挖施工段最大地表沉降达到了 300 mm。2008年 11月杭州萧山湘湖段发生地铁施工塌方事故，导致风情大道75米路面坍塌，下陷达15米， 并造成十几人的重大伤亡事故。因此亟待针对城市盾构隧道施工诱发的地表沉陷机理以及 演变规律进行研究，从而为地铁隧道施工和运营提供良好咨询和建议。目前国内外针对城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的研究主要集中在数值模拟方 法、现场监测方法以及室内一般物理模型试验上。数值模拟方法相对比较成熟，但是存在的 不足之处主要有(1) 土体物理力学参数对数值模拟结果影响很大，然而由于测试仪器设 备的限制，很难得到精确的各项土体参数；(2)数值模拟方法对土体的应力历史以及边界 条件难以完全模拟，从而造成结果的偏差。现场监测方法的不足之处主要有(1)由于仪器 设备以及人为观察因素的限制，现场结果具有一定偏差；(2)现场预埋测试元件较难保护， 非常容易在施工中损坏，从而延误监测；(3)现场监测需要大量人力物力财力的支持，尤其 针对隧道施工引起的土体长期沉降监测，更加不容易实施，并且时效性较差。室内一般物理 模型试验最大的缺点就是无法再现现场土层在真实重力状态下的初始应力状态，而土工离 心试验作为一种先进的物理模拟手段，能够通过施加适当的离心力再现原型应力状态，非 常适用于进行岩土及地下工程的机理研究，从而使其成为研究该问题的首选方法之一。土工离心试验技术是近二三十年迅速发展起来的一项崭新的土工物理模型技术， 其原理是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。具体来讲，将原型尺寸1/n实验模型置于ng离心重力场中，试验模型自重将增大η 倍，则模型中每点所受到的应力与原型中相应点的应力相同，这也就是离心模型试验的相 似性定律。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对该领域现有研究方法的不足之处，提出一种城市盾构隧道施 工诱发地表沉陷的离心试验模拟方法，从而提高对盾构隧道施工土工环境效应的模拟，加 深对盾构隧道施工土工环境效应的机理认识。本专利技术目的是由以下技术方案实现的本专利技术提出的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置，由模型箱1、 有机玻璃窗2、位移计小支架3、位移计大支架4、隧道开挖模拟装置5、进水导管6、出水导管 7、进水电磁阀8、出水电磁阀9、乳胶带10以及LVDT (线性可变差分变压器)位移计11组成。本专利技术中的模型箱1为中部空心的长方体结构，其前侧面为有机玻璃窗2，便于进 行土层标注以及外部同步摄影；其顶面可以设置为开口，便于放置测量仪器位移计小支架 3和位移计大支架4，其中顶面四周均布置有锚孔以便固定仪器支架；其余四面均为铝合金 板，适于承受较大离心场力。本专利技术中位移计小支架3可以供5个LVDT位移计11同时进行测量，其位移计水 平方向固定，不可调节，但垂直方向可以根据试验需要进行调节；位移计大支架4可以供5 个LVDT位移计11同时进行测量，其位移计水平方向和垂直方向均可以根据试验需要进行 调节。其特征在于通过位移计沿水平方向和垂直方向的多方位调节，可以实现对地表沉陷 和内部土层变形的测量。本专利技术中的隧道开挖模拟装置5放置于模型箱1中部位置，其具体位置根据试验 要求确定；开挖装置5中间为一空心黄铜管12，外部围有一橡皮膜13，空心黄铜管12和橡 皮膜13之间形成环状水腔14，水体注满后容积可达0. 031 m3 ；开挖装置5侧面接近两端及 端面处沿径向缠绕有乳胶带10，以使空心黄铜管12与橡皮膜13间形成封闭空间构成模拟 隧道开挖的重要结构，其中一端连有进水导管6，进水导管6与进水电磁阀8连接，另外一端 连有出水导管7，出水导管7与出水电磁阀9连接，由进水电磁阀8以及出水电磁阀9引出 的导管分别连接离心机的液体控制系统。其特征在于通过排放一定量的水来模拟地层损 失引起的土体变形。本专利技术的工作过程如下隧道开挖模拟装置5按照模型设计图制作完毕，将进水 电磁阀8以及出水电磁阀9引出的液体导管分别连接到离心机的液体控制系统，此时进水 电磁阀8以及出水电磁阀9呈关闭状态。在模型箱1内壁四周涂抹硅油，以便减小箱体与 土体的摩擦。加入调制好的隧道下部第一层试验土，其土层厚度达200 mm。继续填土直至达到300 mm厚度，即填完隧道下卧层土，然后放入隧道开挖模拟装 置5，隧道开挖模拟装置5两侧用乳胶带10缠绕，通过水准尺测量使隧道开挖模拟装置5水 平，打开进水电磁阀8将隧道开挖模拟装置5内充入水，水体注满后容量可达0.031 m3，隧 道开挖模拟装置5水充满后进水电磁阀8关闭。继续填土直至填完，总厚度达450 mm。在 填土过程中，要预先将LVDT延伸计埋到指定位置以便测量土体内部变形。将模型箱1运用吊车装置放置于土工离心机系统中，离心机主要由下部支座15、 上部支座16、主驱动轴17、连接横轴18、离心配重19等组成，其中下部支座15固定在地板 20上，上部支座16固定在天花板21上，主驱动轴17与离心电机相连并获取动能，模型箱1 挂杆与连接横轴18活动铰接22，以使模型箱1与离心加速度方向保持一致。启动离心机， 离心主驱动轴17将带动连接横轴18转动，同时带动模型箱1同速转动，直到达到预定离心加速度100g，此时离心场稳定，之后打开出水电磁阀9，释放隧道开挖模拟装置5中水体， 以0. 3%/分速率放水达到6% 土体损失，增加到0. 7%/分达到10% 土体损失，中间重点记录 0. 3%、0· 4%、0· 5%、0· 6%、1%、2%、3%、5%、6%、8%以及10% 土体损失比时各类测试仪器读数，从 而可以观测盾构隧道施工诱发地表沉陷值以及内部土体位移值。在离心机运行工程中，地表沉降形态以及演化过程可以通过离心机室内高倍同步 摄影机获取。结合LVDT位移计测量结果以及高倍同步摄影图像，可以较好地对城市盾构隧 道施工诱发的地表沉陷机理进行研究。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显著优点本专利技术可提供在高速离心场中狭 小空间内模拟城市盾构隧道施工诱发的地表沉陷灾害并进行精确测量。本测试装置特点如 下(1)本试验模拟系统可承受最大离心加速度150g；(2)对隧道模型自由端的约本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置，由模型箱（１）、有机玻璃窗（２）、位移计小支架（３）、位移计大支架（４）、隧道开挖装置（５）、进水导管（６）、出水导管（７）、进水电磁阀（８）、出水电磁阀（９）、乳胶带（１０）以及ＬＶＤＴ位移计（１１）组成，其特征在于：模型箱（１）为中部空心的长方体结构，其前侧面为有机玻璃窗（２），其顶面开口，便于放置位移计小支架（３）和位移计大支架（４）；隧道开挖装置（５）放置于模型箱（１）中部位置，其中部为一空心黄铜管（１２），外部围有一橡皮膜（１３），空心黄铜管（１２）和橡皮膜（１３）之间注有液体水（１４）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张治国，黄茂松，张孟喜，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[]
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