阅读说明：本技术 盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试装置及测试方法 (Testing device and testing method for inducing multilayer stratum deformation by shield tunnel excavation ) 是由 袁冉 何毅 周波 王汶鸣 方勇 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试装置及测试方法,测试装置包括离心机构、模型机构,离心机构与模型机构相连接；模型机构包括模型箱体、隧道模型,隧道模型放置在模型箱体内；其测试方法包括以下步骤：S1、在模型箱体的支撑板上放置隧道模型,并在隧道模型内注满水；S2、在模型箱体内放入下层砂土、中层粉土和上层黏土,并添加水量；S3、通过离心机构将模型箱体内的上层黏土固化；S4、在观察孔上安装摄像头；在有机玻璃板外侧设置红外线监控设备；S5、通过锥形孔将隧道模型内的水抽出；S6、收集摄像头和红外线监控设备的监控数据即可得到盾构隧道开挖诱发黏土-粉土-砂土地层沉降变形的测试结果。(The invention discloses a testing device and a testing method for inducing multilayer stratum deformation by shield tunnel excavation, wherein the testing device comprises a centrifugal mechanism and a model mechanism, and the centrifugal mechanism is connected with the model mechanism; the model mechanism comprises a model box body and a tunnel model, and the tunnel model is placed in the model box body; the test method comprises the following steps: s1, placing a tunnel model on a supporting plate of the model box body, and filling water into the tunnel model; s2, placing lower sand soil, middle silt soil and upper clay in the model box body, and adding water; s3, solidifying the upper clay in the model box body through a centrifugal mechanism; s4, mounting a camera on the observation hole; arranging infrared monitoring equipment outside the organic glass plate; s5, pumping out water in the tunnel model through the tapered holes; s6, collecting monitoring data of the camera and the infrared monitoring equipment to obtain a test result of the clay-silt-sandy soil stratum settlement deformation induced by the shield tunnel excavation.)

盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试装置及测试方法。

背景技术

自改革开放以来，随着国家经济的蓬勃发展，中国的城市化进程不断加速，城市隧道及地下工程建设也迅猛发展[1]。由于城市浅埋隧道位于人类活动密集区，开挖路径常下穿第四系土层，其开挖施工常常会给地表现存建筑、道铁路面和地下管线等带来非常不利的影响，造成严重的经济损失和恶劣的社会影响。为了定性定量评估隧道开挖施工造成的土体沉降变形对地表建筑物、道铁路面以及地下管线的影响，必须了解隧道开挖施工后土体沉降槽的形状、大小及涉及明显位移的地层范围。预测隧道开挖引起的工后沉降变形普遍有四种方法：经验法、解析法、数值模拟法及模型实验法。经验法基于试验数据的拟合，缺少可靠的理论依据，难以进行推广使用；解析法多局限于二维问题，且不能考虑真实复杂的地形地貌；数值模拟法则可模拟复杂地形条件、土体的非线性、土-结构相互作用和施工方法等各种因素，适用范围广。然而数值分析法参数敏感性太高，也就是说参数的变化对数值模拟结果的影响很难控制。

模型实验法是研究隧道开挖工后沉降的很传统也行之有效的方法。目前的模型实验法大致采用土工离心模型实验。土工离心模型实验的基本原理是将原材料按照一定的比尺制成的模型，置于由高速旋转的离心机生成的高离心场中，通过加大模型土体的自重体积力，使模型的应力状态达到与原型相同的应力状态水平，并显示出与原模型相似的变形破坏过程，可真实模拟以自重为主要荷载的岩土结构物性状；然而到目前为止，还没有任何一种实验装置或实验方案可用于研究能够真实模拟以自重为主要荷载的黏土-粉土-砂土等多层土盾构隧道开挖问题。而众所周知，自然界一般地层都是多层土，如成都地区即为粉质粘土与砂卵石地层。因此，设计一套离心机实验装置或实验方案用于研究能够真实模拟以自重为主要荷载的黏土-粉土-砂土地层盾构隧道开挖问题十分必要。

发明内容

本发明目的是针对上述问题，提供一种操作简单、提高测试准确性的盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试装置及测试方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试装置，包括离心机构、模型机构，离心机构与模型机构相连接；所述离心机构包括固定底座、驱动电机、旋转臂、连接座，驱动电机固定连接在固定底座上，驱动电机的驱动轴与旋转臂固定连接，旋转臂的一端连接有连接座，连接座上固定连接模型机构；所述模型机构包括模型箱体、隧道模型，隧道模型放置在模型箱体内；所述模型箱体前端密封连接有机玻璃板，有机玻璃板前端外侧设置有观察孔并通过观察孔固定连接高精度数码照相机摄像头；模型箱体内放置有隧道模型；所述隧道模型呈管状，隧道模型两端分别与模型箱体前、后端面密封连接，隧道模型侧面设置有锥形孔，锥形孔连接大马力、低档位水泵。

进一步的，所述模型箱体呈矩形箱体状，模型箱体三面由铝板制成，模型箱体前端面连接有有机玻璃板且拼合处设置有密封胶条。

进一步的，所述模型箱体的长度为640mm，宽度为280mm，高度为500mm。

进一步的，所述支撑板的竖截面呈U型状。

进一步的，所述隧道模型包括芯轴、橡胶套管，芯轴为圆形铝管，芯轴中部内径为68mm；芯轴两端外径为88mm，芯轴两端套接有橡胶套管，橡胶套管与模型箱体内侧壁采用蜜蜡密封连接，橡胶套管与芯轴之间注水，锥形孔设置在橡胶套管侧面。

进一步的，所述模型箱体内粉土-粘土地层分别设置固结排水的排水管槽，排水管槽两端贯穿模型箱体。

进一步的，所述模型箱体内放置有土体，土体分为上层黏土、中层粉土和下层砂土，上层黏土与中层粉土、中层粉土与下层砂土的地层分界面前端设置有红外线监控设备，红外线监控设备固定连接在模型箱体前端的钢化玻璃板外侧；排水管槽设置在黏土-粉土、粉土-砂土分界面处。

一种盾构隧道开挖诱发多层地层变形的测试方法，包括以下步骤：

S1、在模型箱体的支撑板上放置隧道模型，将隧道模型的两端与模型箱体前、后侧壁蜜蜡密封连接，并在隧道模型内注满水；

S2、在模型箱体内放入下层砂土、中层粉土和上层黏土，并根据模拟地层的状况添加水量；

S3、将模型箱体固定连接在离心机构的连接座上，启动离心机构进行离心操作，通过离心力将模型箱体内的上层黏土固化；

S4、在有机玻璃板的观察孔上安装摄像头；在有机玻璃板外侧固定连接红外线监控设备，令红外线监控设备的镜头朝向上层黏土、中层粉土、下层砂土之间的分界线；

S5、通过隧道模型侧面的锥形孔将隧道模型内的水抽出(在高倍重力场中控制电机的小幅抽取)，以更加准确控制隧道体积损失；

S6、收集摄像头和红外线监控设备的监控数据即可得到盾构隧道开挖诱发黏土-粉土-砂土地层变形的测试结果。

进一步的，所述步骤S6中测试结果包括土体竖向位移、横向位移、压缩应变、剪切应变。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明通过采用将隧道模型内的水抽出来模拟盾构隧道的掘进过程，可有效控制地层损失；并且其结合高精度摄像机的运用，可以监测到地层损失的微小变化；本发明采用另一方面，本发明在模型箱体上设置排水口用于黏土的固结排水，避免了模型箱体内水分流不出去的状况发生，并且采用红外线监控设备监测黏土-粉土-砂土分界面的变形，可清楚的观察到黏土-粉土-砂土等多层土的变形沉降状况，从而得到隧道对黏土-粉土-砂土地层变形的测试结果。此外，通过测量隧道模型内水压，可得到隧道衬砌承压变化规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为离心机构的结构示意图；

图2为模型机构的主视结构图；

图3为图2的A-A剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、图2和图3所示，一种盾构隧道诱发黏土-粉土-砂土地层变形的测试装置，包括离心机构、模型机构，离心机构与模型机构相连接；所述离心机构包括固定底座1、驱动电机2、旋转臂3、连接座4，驱动电机2固定连接在固定底座1上，驱动电机2的驱动轴与旋转臂3固定连接，旋转臂3的一端连接有连接座4，连接座4上固定连接模型机构；

所述模型机构包括模型箱体5、隧道模型，隧道模型放置在模型箱体5内；所述模型箱体5由铝板制成矩形箱体状，模型箱体5的长度为640mm，宽度为280mm，高度为500mm；模型箱体5前端面连接有有机玻璃板7且连接处设置有密封胶条9，有机玻璃板7上设置有若干个观察孔701并通过观察孔701固定连接摄像头；模型箱体5内设置有用于供黏土固结排水的排水管槽10，排水管槽10两端贯穿模型箱体5；所述模型箱体5内放置有土体，土体分为上层黏土、中层粉土和下层砂土，上层黏土与中层粉土的分界面、中层粉土与下层砂土的分界面(即图2中虚线11的位置，虚线11最上方为上层黏土，两条虚线11之间为中层粉土，虚线11最下方为下层砂土，为了避免线条混淆，未对上层黏土中层粉土、下层砂土进行标注)外侧设置有红外线监控设备；排水管槽10设置在黏土-粉土以及粉土-砂土的分界面处；模型箱体5内固定连接支撑板8，支撑板8的竖截面呈U型状，支撑板8的前后两端分别固定连接有机玻璃板7、模型箱体5内侧面；支撑板8上放置有隧道模型；所述隧道模型包括芯轴12、橡胶套管6，芯轴12为圆形铝管，芯轴12中部内径为68mm；芯轴12两端外径为88mm，芯轴12两端套接有橡胶套管6，橡胶套管6与模型箱体5内侧壁采用蜜蜡密封连接，橡胶套管6与芯轴12之间注水，橡胶套管6侧面设置有贯穿侧壁的锥形孔601。

一种隧道诱发黏土-砂土地层变形的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、在模型箱体5的支撑板8上放置隧道模型，将隧道模型的两端与模型箱体5前、后侧壁密封连接，并在隧道模型内注满水；

S2、在模型箱体5内放入下层砂土、中层粉土和上层黏土，并根据模拟地层的状况添加水量；

S3、将模型箱体5固定连接在离心机构的连接座4上，启动离心机构进行离心操作，通过离心力将模型箱体5内的上层黏土和下层砂土固化；

S4、在有机玻璃板7对面安装摄像头；在有机玻璃板7外侧设置红外线监控设备，令红外线监控设备的镜头朝向上层黏土、下层砂土之间的分界线；

S5、通过隧道模型侧面的锥形孔601将隧道模型内的水抽出(在高倍重力场中控制电机的小幅抽取)，以更加准确控制隧道体积损失；

S6、收集摄像头和红外线监控设备的监控数据即可得到隧道开挖诱发黏土-粉土-砂土地层变形的测试结果。

本发明通过采用将隧道模型内的水抽出来模拟盾构隧道的掘进过程，可有效控制地层损失；并且其结合高精度摄像机的运用，通过分析像素位移，可以监测到地层损失的微小变化；大马力低档位的电机可在高倍重力场中控制电机的小幅抽取，以准确有效控制隧道的体积损失；另一方面，本发明在模型箱体上设置排水口用于黏土的固结排水，实现黏土固化；并且采用红外线监控设备监测黏土-粉土-砂土分界面的变形，可清楚地观察到黏土-粉土-砂土等多层土的变形沉降状况，从而得到盾构隧道开挖诱发黏土-粉土-砂土地层沉降变形的准确测试结果。