一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置以及盾构模拟试验方法
阅读说明：本技术 一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置以及盾构模拟试验方法 (Visual device for simulating shield excavation and monitoring tunnel and soil deformation and shield simulation test method ) 是由 沈梦芬 娄国潮 孙宏磊 潘晓东 伍婷玉 徐山琳 蓝沐林 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置以及采用上述可视化装置实施的盾构模拟试验方法,该可视化装置包括：模型箱、隧道开挖装置、支承调节系统、监测系统,其隧道开挖装置采用3D打印技术等比例缩小打印和拼装管片,支承调节系统采用支撑台和千斤顶模拟盾构开挖,将挖孔装置和管片衬砌组装后模拟盾构掘进。本发明的装置中的监测系统采用光纤应变感测技术,实现了监测数据的无线传输、自动化处理和可视化,还通过采用调节板和不同功能模块组合,实现了不同自然环境、地质条件和施工条件等多种工况作用下盾构穿越过程和隧道运营过程模拟,为盾构穿越优化施工和隧道运营安全、应急响应措施提供参考。(The invention discloses a visual device for simulating shield excavation and monitoring tunnel and soil deformation and a shield simulation test method implemented by adopting the visual device, wherein the visual device comprises: the tunnel excavation device adopts a 3D printing technology to reduce in equal proportion, print and assemble duct pieces, the supporting and adjusting system adopts a supporting platform and a jack to simulate shield excavation, and the hole digging device and the duct piece lining are assembled to simulate shield excavation. The monitoring system in the device adopts an optical fiber strain sensing technology, realizes wireless transmission, automatic processing and visualization of monitoring data, also realizes simulation of a shield crossing process and a tunnel operation process under the action of various working conditions such as different natural environments, geological conditions, construction conditions and the like by adopting a regulating plate and different functional modules, and provides reference for shield crossing optimization construction and tunnel operation safety and emergency response measures.)
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程领域，尤其是一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置。本发明还涉及一种采用上述用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置实施的盾构模拟试验方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通快速发展，盾构隧道规模不断扩大。盾构隧道的施工受到周围建筑和环境因素的制约，如隧道不可避免地穿越建筑密集区域或既有地下管线，需要充分考虑隧道施工对周围建筑物和构筑物的影响；又如隧道施工和运营过程中会受到暴雨、高温等恶劣天气影响，极易造成周围土体的变形，给隧道安全带来挑战。盾构隧道交通作用显著，其施工和运营安全影响着人们生命财产安全和社会经济活动的正常进行。为提高盾构隧道工程在施工和运营期间的安全性，有必要在工程开展之前进行盾构隧道室内模型试验，对施工中隧道穿越既有建筑物、地下管线、河道等工况，以及对隧道施工和运营过程中的各种灾害进行模拟，同时对土体和管片的变形进行实时监测，通过数据分析为工程实际提供相应的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置，该装置可用于分析盾构穿越施工过程中土体位移变化和隧道管片的应变状态，研究地层扰动机理和地表不均匀沉降的发展规律。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种采用上述用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置实施的盾构模拟试验方法。
为此，本发明提供的一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置，包括：模型箱、隧道开挖装置、支承调节系统、监测系统；
所述模型箱内装有现场施工采集的土样，基于几何相似比原理进行土样的分层填埋，模拟现场的土层分布，所述模型箱前后两侧由可拆卸、带有孔洞的插板组成；
所述隧道开挖装置由挖孔装置和管片衬砌组合，所述挖孔装置前端为圆台型光滑锋利环刀，后端为装土用的空心圆筒；所述管片衬砌利用3D打印技术获取，由多个管片组合形成；圆台型光滑锋利环刀、装土用的圆筒和管片衬砌之间不存在空隙，同时圆筒上设置有螺纹，用来与管片衬砌连接成为整体；所述管片之间通过螺栓连接，同时管片衬砌一端的管片上设置有螺纹形状，与圆筒进行螺纹连接；
所述开挖装置下方设置有支承调节系统，支承调节系统包括隧道支撑台、复位弹簧、千斤顶、千斤顶支撑台、千斤顶底座、顶推板、千斤顶反力台；隧道支撑台通过复位弹簧连接成整体，隧道支撑台之间的距离通过复位弹簧进行调节；隧道的开挖通过所述千斤顶实现，将顶推板放在千斤顶和隧道开挖装置中间，通过千斤顶推到顶推板上控制隧道的前进；
所述监测系统利用光纤应变感测技术对土体和管片衬砌的变形进行监测，将应变感测光纤安装于模型箱的土中和管片衬砌上，通过光纤解调仪可进行数据的采集和无线传输；监测数据实时显示在计算机屏幕上，通过计算机自动化处理得到相应的变形信息。
优选的，所述模型箱前后两侧上下竖直布置有多道卡槽，各卡槽之间采用竖向框架条区隔，中间卡槽内布置有若干高度调节挡板和一个挖空挡板，两侧卡槽内布置有若干高度调节挡板；所述卡槽、高度调节挡板、挖空挡板的布置在模型箱后侧亚克力板上与模型箱前侧对称布置，该卡槽内高度调节挡板能上下移动，两侧底部的高度调节板高度和宽度与挖空挡板一致，其余高度调节板高度和宽度均一致。
优选的，所述土体和管片衬砌的变形监测系统由应变感测光纤、光纤解调仪、计算机组成，将应变感测光纤安装于模型箱的土中和管片衬砌上，利用光纤解调仪对土体和管片衬砌的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到土体和管片衬砌的变形信息；所述应变感测光纤由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏。
优选的，所述模型箱上方设置有喷水装置，喷水装置依托固定在模型箱上的喷水装置支架支撑，所述喷水装置包括喷水管网，喷水管网朝下密集开设喷水口，喷水口处安装有喷头，所述喷水管网的总管通过外接管道连接进水管，进水管连接水泵。
优选的，所述模型箱上固定有辐射灯支架，辐射灯支架上固定设置有热辐射灯，热辐射灯定向照射土样以模拟太阳照射升温，所述喷水装置支架固定设置在模型箱两侧，所述辐射灯支架设置在模型箱两侧框架之间，辐射灯支架配置有电机以驱动其上下移动，喷水管网喷水时电机驱动辐射灯支架带着热辐射灯上移并处于喷水管网上方，采用热辐射灯辐射热量时电机驱动热辐射灯支架带着热辐射灯下移并处于喷水管网下方。
本发明还提供了一种采用上述用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置实施的盾构模拟试验方法，包括以下步骤：
A、根据勘察资料，基于相似比理论填埋模型箱土体以模拟实际土层分布；
B、将应变感测光纤安装于模型箱的土中，利用光纤解调仪对土体的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到土体的变形信息；所述应变感测光纤由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；
C、将应变感测光纤安装于管片衬砌上，利用光纤解调仪对管片衬砌的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到管片衬砌的变形信息；所述应变感测光纤由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；
D、隧道开挖装置由挖孔装置和管片衬砌组合，所述挖孔装置前端为圆台型光滑锋利环刀，后端为装土用的空心圆筒；所述管片衬砌利用3D打印技术获取，由多个管片组合形成，所述管片衬砌与所述装土用的圆筒通过螺纹连接成为整体；
E、所述开挖装置下方设置有支承调节系统，隧道支撑台通过复位弹簧连接成整体，隧道支撑台之间的距离通过复位弹簧进行调节；隧道的开挖通过所述千斤顶实现，将顶推板放在千斤顶和隧道开挖装置中间，通过千斤顶顶推到顶推板上控制隧道的前进；
F、所述监测系统利用光纤应变感测技术对土体和管片衬砌的变形进行监测，将应变感测光纤安装于模型箱的土中和管片衬砌上，通过光纤解调仪可进行数据的采集和无线传输；监测数据实时显示在计算机屏幕上，通过计算机自动化处理得到相应的变形信息。
优选的，所述管片之间通过螺栓连接，同时管片衬砌一端的管片上设置有螺纹形状，与圆筒进行螺纹连接。
本发明的技术效果：
1）本发明的盾构隧道开挖模型是对传统的盾构试验模型的改进，具体表现为：本发明的模型采用3D打印技术将管片等比例缩小和拼装，还原了管片衬砌的实际状态；将挖孔装置和管片衬砌组装后模拟隧道掘进，简化了盾构施工出土和管片拼装的复杂过程，该装置一定程度上解决了当前试验装置存在的问题，排除其他试验干扰因素。
2）本发明装置利用光纤应变感测技术组建土体和管片衬砌变形的监测系统，该系统采用的光纤传感器具有灵敏度高、稳定性好、耐腐蚀、抗电磁波干扰等优点，可实现监测数据的无线传输、自动化处理和可视化，根据监测数据，可进一步分析盾构穿越和隧道运营期间土体和管片衬砌变形、地表不均匀沉降等灾害的发育和发展。
3）本发明装置可以模拟强降雨、高温天气、地下溶洞等自然因素，可以模拟不同深度隧道的开挖、多条隧道共同开挖，以及隧道开挖对既有隧道的影响，也可以通过在模型表层土体上布置建筑物，模拟隧道开挖对上部建筑物的影响。因此借助该装置可探究上述工况下盾构穿越过程和隧道运营过程中隧道及其周围环境的安全性，为盾构穿越优化施工和隧道运营应急响应措施提供参考。
附图说明
图1为本发明提供的用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置的立体结构示意图；
图2为图1中的模型箱的结构示意图；
图3为图1中的盾构隧道支撑座、千斤顶的连接结构示意图；
图4为图1中的挖孔装置和管片衬砌的结构示意图；
图5为图1中的高度调节挡板和挖空挡板与卡槽的插入式构造示意图；
图6为图3中的隧道支撑台和顶推板构造示意图；
图7为图1中的模型箱内和管片衬砌上的应变感测光纤布置图；
图8为图1中的用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置的结构平面示意图；
图9为图8中的模型箱的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图1-5所示，本发明提供的一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置，包括：模型箱1、隧道开挖装置、支承调节系统、监测系统；
所述模型箱1内装有现场施工采集的土样，基于几何相似比原理进行土样的分层填埋，模拟现场的土层分布，所述模型箱1前后两侧板带有盾构插孔2；
所述隧道开挖装置由挖孔装置和管片衬砌5组合，所述挖孔装置前端为圆台型光滑锋利环刀3，后端为装土用的空心圆筒6，管片衬砌5由多个管片4组合形成，圆台型光滑锋利环刀3、装土用的圆筒6和管片衬砌5之间不存在空隙，同时圆筒6上设置有螺纹25，用来与管片衬砌5一端的管片4连接成为整体；所述管片4之间通过螺栓连接，同时管片衬砌5一端的管片4上设置有螺纹25，与圆筒6进行螺纹25连接；
所述隧道开挖装置下方设置有支承调节系统，支承调节系统包括隧道支撑台7、复位弹簧8、千斤顶9、千斤顶支撑台10、千斤顶底座11、顶推板12、千斤顶反力台24；隧道支撑台7通过复位弹簧8连接成整体，隧道支撑台7套设在复位弹簧8上并可相对滑移，隧道支撑台7之间的距离通过复位弹簧8进行调节；隧道的开挖通过所述千斤顶9实现，将顶推板12放在千斤顶9和隧道中间，通过千斤顶9顶推到顶推板12上控制隧道的前进，千斤顶反力台24为千斤顶9提供反力；
所述监测系统利用应变感测光纤16对土体、管片衬砌5的变形进行监测，将应变感测光纤16埋设于模型箱1的土中和管片衬砌5上，通过光纤解调仪可进行数据的采集和无线传输，将数据实时显示在计算机屏幕上，并自动化处理得到相应的变形信息。
参照图1、图2和图5所示，上述模型箱1前侧上下竖直布置有多道卡槽13，各卡槽13之间采用竖向框架条14区隔，中间卡槽13内布置有若干高度调节挡板22和一个挖空挡板15，两侧卡槽13内布置有若干高度调节挡板22；所述卡槽13、高度调节挡板22、挖空挡板15的布置在模型箱1后侧亚克力板上与模型箱1前侧对称布置，该卡槽13内的高度调节挡板22能上下移动，两侧底部的高度调节板22高度和宽度与挖空挡板15一致，其余高度调节板22高度和宽度均一致。该构造可以灵活选择挖空挡板15及盾构插孔2的位置。
参照图6所示，上述隧道开挖装置可悬挂固定在顶推板12上，使得盾构开挖时，圆台型光滑锋利环刀3、圆筒6和管片衬砌5能保持在同一中心位置；同时当隧道开挖进行到装土用的空心圆筒6大部分进入土体时，可通过隧道支撑台7的拆卸使得装土用的空心圆筒6完全进入土体，管片衬砌5完全埋在土体中，其中隧道支撑台7可通过楔子进行组合拼装。
参照图7所示，上述土体和管片衬砌5变形监测系统由应变感测光纤16、光纤解调仪和计算机组成，将应变感测光纤16安装于模型箱的土中和管片衬砌5上，利用光纤解调仪对土体和管片衬砌5的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤16并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤16的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到土体和管片衬砌5的变形信息；所述应变感测光纤16由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏。
参照图1-9所示，本发明还提供了一种采用上述用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置实施的盾构模拟试验方法，包括以下步骤：
A、根据勘察资料，基于相似比理论填埋模型箱土体以模拟实际土层分布；
B、将应变感测光纤16安装于模型箱的土中，利用光纤解调仪对土体的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤16并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤16的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到土体的变形信息；所述应变感测光纤16由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；
C、将应变感测光纤16安装于管片衬砌上，利用光纤解调仪对管片衬砌的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤16并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤16的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到管片衬砌的变形信息；所述应变感测光纤16由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；
D、隧道开挖装置由挖孔装置和管片衬砌5组合，所述挖孔装置前端为圆台型光滑锋利环刀3，后端为装土用的空心圆筒6，管片衬砌5由多个管片4组合形成，圆台型光滑锋利环刀3、装土用的圆筒6和管片衬砌5之间不存在空隙，同时圆筒6上设置有螺纹25，用来与管片衬砌5一端的管片4连接成为整体；所述管片4之间通过螺栓连接，同时管片衬砌5一端的管片4上设置有螺纹25，与圆筒6进行螺纹25连接；
E、所述隧道开挖装置下方设置有支承调节系统，隧道支撑台7通过复位弹簧8连接成整体，隧道支撑台7之间的距离通过复位弹簧8进行调节；隧道的开挖通过所述千斤顶9实现，将顶推板12放在千斤顶9和隧道中间，隧道即管片4和圆筒6等模拟构成，通过千斤顶9推到顶推板12上控制隧道的前进；
F、所述监测系统利用光纤应变感测技术对土体和管片衬砌的变形进行监测，将应变感测光纤16安装于模型箱1的土中和管片衬砌5上，通过光纤解调仪可进行数据的采集和无线传输；监测数据实时显示在计算机屏幕上，通过计算机自动化处理得到相应的变形信息。
参照图8-9所示，在上述技术方案的基础上，为了便于模拟下雨和温度变化的环境，并实现各模拟机构的高效切换，本发明增加了以下构造：上述模型箱1上方设置有喷水装置，喷水装置依托固定在模型箱上的喷水装置支架17支撑，所述喷水装置包括喷水管网18，喷水管网18朝下密集开设喷水口19，喷水口19处安装有喷头，所述喷水管网18的总管通过外接管道连接进水管，进水管连接水泵；所述模型箱1上固定有辐射灯支架20，辐射灯支架20上固定设置有热辐射灯21，热辐射灯21定向照射土样以模拟太阳照射升温，所述喷水装置支架17固定设置在模型箱1两侧，所述辐射灯支架20设置在模型箱1两侧框架之间，辐射灯支架20配置有电机以驱动其上下移动，喷水管网18喷水时电机驱动辐射灯支架20带着热辐射灯21上移并处于喷水管网18上方，采用热辐射灯21辐射热量时电机驱动热辐射灯支架20带着热辐射灯21下移并处于喷水管网18下方,该构造有利于热辐射和喷水的切换，热辐射模拟日照和控制温度，喷水则可以模拟降雨。
参照图8所示，为了使隧道支撑台7能够更加顺畅地滑移，隧道支撑台7底部设置滑轮23，隧道支撑台7之间设置有复位弹簧8，在推顶时隧道支撑台7会在滑移后相对收拢，从而顶入土体，当退出时隧道支撑台7在复位弹簧8的作用下会自动撑开。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种快装盾构刀盘及盾构机刀盘的换刀方法