專利名稱：城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于巖土及地下工程中的隧道工程領域，具體涉及一種城市盾構隧道施工 誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置。
背景技術：
近年來，我國城市化水平的迅速提高帶動了城市地下軌道交通系統的快速發展。 盾構法隧道施工由于可以較小程度地對地面交通產生影響而越來越廣泛的被應用于地下 鐵道的建設中，該工法已經成為我國城市地下軌道交通系統中的一種重要施工方法。然而， 在隧道的修建過程中，由于地質條件和施工工藝的限制，盾構機壓力艙支護壓力與地層土、 水壓力不平衡導致開挖面前方土體移動以及盾尾空隙的閉合造成地層損失，周圍孔隙水壓 變化等原因，都會使土層原始應力重新分布，原有的土體平衡狀態遭到破壞，最終引起周圍 地層變形及地表沉降，特別是在軟土盾構隧道中尤為明顯。在現場施工過程中，地表沉降發 生的概率很高，南京地鐵1號線施工過程中，在漢口路與中山路交匯處曾發生面積約15 m2, 深為2 m的地面道路沉陷，嚴重影響了地面的正常交通；深圳地鐵1號線施工期內地面沉降 事故占了總事故的25 %，其中一期工程暗挖施工段最大地表沉降達到了 300 mm。2008年 11月杭州蕭山湘湖段發生地鐵施工塌方事故，導致風情大道75米路面坍塌，下陷達15米， 并造成十幾人的重大傷亡事故。因此亟待針對城市盾構隧道施工誘發的地表沉陷機理以及 演變規律進行研究，從而為地鐵隧道施工和運營提供良好咨詢和建議。目前國內外針對城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的研究主要集中在數值模擬方 法、現場監測方法以及室內一般物理模型試驗上。數值模擬方法相對比較成熟，但是存在的 不足之處主要有(1) 土體物理力學參數對數值模擬結果影響很大，然而由于測試儀器設 備的限制，很難得到精確的各項土體參數；(2)數值模擬方法對土體的應力歷史以及邊界 條件難以完全模擬，從而造成結果的偏差。現場監測方法的不足之處主要有(1)由于儀器 設備以及人為觀察因素的限制，現場結果具有一定偏差；(2)現場預埋測試元件較難保護， 非常容易在施工中損壞，從而延誤監測；(3)現場監測需要大量人力物力財力的支持，尤其 針對隧道施工引起的土體長期沉降監測，更加不容易實施，并且時效性較差。室內一般物理 模型試驗最大的缺點就是無法再現現場土層在真實重力狀態下的初始應力狀態，而土工離 心試驗作為一種先進的物理模擬手段，能夠通過施加適當的離心力再現原型應力狀態，非 常適用于進行巖土及地下工程的機理研究，從而使其成為研究該問題的首選方法之一。土工離心試驗技術是近二三十年迅速發展起來的一項嶄新的土工物理模型技術， 其原理是通過在模型上施加離心慣性力使模型的容重增大，從而使模型的應力狀態與原型 一致。具體來講，將原型尺寸1/n實驗模型置于ng離心重力場中，試驗模型自重將增大η 倍，則模型中每點所受到的應力與原型中相應點的應力相同，這也就是離心模型試驗的相 似性定律。
發明內容
本發明目的在于針對該領域現有研究方法的不足之處，提出一種城市盾構隧道施 工誘發地表沉陷的離心試驗模擬方法，從而提高對盾構隧道施工土工環境效應的模擬，加 深對盾構隧道施工土工環境效應的機理認識。本發明目的是由以下技術方案實現的
本發明提出的城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置，由模型箱1、 有機玻璃窗2、位移計小支架3、位移計大支架4、隧道開挖模擬裝置5、進水導管6、出水導管 7、進水電磁閥8、出水電磁閥9、乳膠帶10以及LVDT (線性可變差分變壓器)位移計11組成。本發明中的模型箱1為中部空心的長方體結構，其前側面為有機玻璃窗2，便于進 行土層標注以及外部同步攝影；其頂面可以設置為開口，便于放置測量儀器位移計小支架 3和位移計大支架4，其中頂面四周均布置有錨孔以便固定儀器支架；其余四面均為鋁合金 板，適于承受較大離心場力。本發明中位移計小支架3可以供5個LVDT位移計11同時進行測量，其位移計水 平方向固定，不可調節，但垂直方向可以根據試驗需要進行調節；位移計大支架4可以供5 個LVDT位移計11同時進行測量，其位移計水平方向和垂直方向均可以根據試驗需要進行 調節。其特征在于通過位移計沿水平方向和垂直方向的多方位調節，可以實現對地表沉陷 和內部土層變形的測量。本發明中的隧道開挖模擬裝置5放置于模型箱1中部位置，其具體位置根據試驗 要求確定；開挖裝置5中間為一空心黃銅管12，外部圍有一橡皮膜13，空心黃銅管12和橡 皮膜13之間形成環狀水腔14，水體注滿后容積可達0. 031 m3 ；開挖裝置5側面接近兩端及 端面處沿徑向纏繞有乳膠帶10，以使空心黃銅管12與橡皮膜13間形成封閉空間構成模擬 隧道開挖的重要結構，其中一端連有進水導管6，進水導管6與進水電磁閥8連接，另外一端 連有出水導管7，出水導管7與出水電磁閥9連接，由進水電磁閥8以及出水電磁閥9引出 的導管分別連接離心機的液體控制系統。其特征在于通過排放一定量的水來模擬地層損 失引起的土體變形。本發明的工作過程如下隧道開挖模擬裝置5按照模型設計圖制作完畢，將進水 電磁閥8以及出水電磁閥9引出的液體導管分別連接到離心機的液體控制系統，此時進水 電磁閥8以及出水電磁閥9呈關閉狀態。在模型箱1內壁四周涂抹硅油，以便減小箱體與 土體的摩擦。加入調制好的隧道下部第一層試驗土，其土層厚度達200 mm。繼續填土直至達到300 mm厚度，即填完隧道下臥層土，然后放入隧道開挖模擬裝 置5，隧道開挖模擬裝置5兩側用乳膠帶10纏繞，通過水準尺測量使隧道開挖模擬裝置5水 平，打開進水電磁閥8將隧道開挖模擬裝置5內充入水，水體注滿后容量可達0.031 m3，隧 道開挖模擬裝置5水充滿后進水電磁閥8關閉。繼續填土直至填完，總厚度達450 mm。在 填土過程中，要預先將LVDT延伸計埋到指定位置以便測量土體內部變形。將模型箱1運用吊車裝置放置于土工離心機系統中，離心機主要由下部支座15、 上部支座16、主驅動軸17、連接橫軸18、離心配重19等組成，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，主驅動軸17與離心電機相連并獲取動能，模型箱1 掛桿與連接橫軸18活動鉸接22，以使模型箱1與離心加速度方向保持一致。啟動離心機， 離心主驅動軸17將帶動連接橫軸18轉動，同時帶動模型箱1同速轉動，直到達到預定離心加速度100g，此時離心場穩定，之后打開出水電磁閥9，釋放隧道開挖模擬裝置5中水體， 以0. 3%/分速率放水達到6% 土體損失，增加到0. 7%/分達到10% 土體損失，中間重點記錄 0. 3%、0· 4%、0· 5%、0· 6%、1%、2%、3%、5%、6%、8%以及10% 土體損失比時各類測試儀器讀數，從 而可以觀測盾構隧道施工誘發地表沉陷值以及內部土體位移值。在離心機運行工程中，地表沉降形態以及演化過程可以通過離心機室內高倍同步 攝影機獲取。結合LVDT位移計測量結果以及高倍同步攝影圖像，可以較好地對城市盾構隧 道施工誘發的地表沉陷機理進行研究。本發明與現有技術相比較，具有如下顯著優點本發明可提供在高速離心場中狹 小空間內模擬城市盾構隧道施工誘發的地表沉陷災害并進行精確測量。本測試裝置特點如 下
(1)本試驗模擬系統可承受最大離心加速度150g；
(2)對隧道模型自由端的約束符合實際情況，隧道管兩端的乳膠帶可以起到防震作
用；
(3)功能與構造緊密結合，利用離心機容易模擬長期沉降的優點，可以在幾十小時內 模擬幾十年后的沉降，縮短了研究時間，并能很好地模擬實際隧道在土中的應力水平等參 數；
(4)本試驗各種設備可以手工制作，可以廣泛投入到相關科研之中，同時試驗方案具有 較強擴展性，可以進一步應用到城市盾構隧道施工對臨近既有建(構)筑物的變形影響研究 中；
(5)利用本套模擬測試裝置進行隧道施工環境土工效應的試驗研究，可以促進相關專 業學科的理論研究，同時可為隧道工程現場施工及運營提供良好的咨詢與建議。
附圖1為本發明的模型箱內模擬測試裝置示意圖； 附圖2為本發明的附圖IA-A斷面示意附圖3為本發明的離心機系統示意圖； 附圖4為本發明的測量實施示意圖； 附圖5為本發明的位移計支架示意圖。
具體實施例方式結合附圖，通過一個優選實施例對本發明作進一步的詳細說明如圖1和圖2所 示，模型箱1外形呈長方體，凈尺寸為800mmX500mmX500mm (長X寬X高)，由6個側面 拼接組成。前側面為30mm厚的有機玻璃窗2，有機玻璃窗2便于試驗準備過程中標注以及 試驗運行過程中攝像，其它側面為30mm厚的硬質合金鋁板。隧道開挖模擬裝置5中間為一 空心黃銅管12，外徑為50mm，內徑為46mm，壁厚為2mm，長度為480mm，外側一周圍有厚度為 Imm的橡皮膜13，注滿水后可形成一個4mm厚度的環狀水腔14。隧道開挖模擬裝置5側面 距離兩端沿徑向及端部套有定制的乳膠帶10，軸向寬度為15mm，厚度為5mm。進水電磁閥8 和出水電磁閥9均為通用型號，進水導管6和出水導管7外徑均為5mm，壁厚均為0. 5mm,由 進水電磁閥8引出的進水導管6以及由出水電磁閥9引出的出水導管7連接上離心機的液體控制系統。 圖3所示，土工離心機離心能力可達150g · t，最大離心加速度可達200g，有效旋 轉半徑達3. 0m，在本實施例中，離心加速度為100g。如圖4和圖5所示，位移計小支架3固 定在模型箱1頂面，長度為800mm，寬度為120mm，其軸線位置60mm處開有5個外徑為60mm 的預留小孔，便于LVDT位移計11的固定，小孔23孔中心位置與模型箱1 一側觀外緣距離 為215mm，小孔23孔中心位置與小孔M孔中心位置距離為100mm，小孔M孔中心位置與小 孔25孔中心位置距離為100mm，小孔25孔中心位置與小孔沈孔中心位置距離為100mm，小 孔沈孔中心位置與小孔27孔中心位置距離為100mm，在本實施例中，該處位移計用于土體 內部變形測量。位移計大支架4固定在模型箱1頂面，長度為800mm，寬度為180mm，其以軸 線位置90mm處為對稱位置，開有長度780mm，寬度80mm的長方形孔，便于LVDT位移計11 的固定，在本實施例中，小孔四孔中心位置與模型箱1 一側；34外緣距離為125mm，小孔四 孔中心位置與小孔30孔中心位置距離為130mm，小孔30孔中心位置與小孔31孔中心位置 距離為130mm，小孔31孔中心位置與小孔32孔中心位置距離為100mm，小孔32孔中心位置 與小孔33孔中心位置距離為100mm，該處位移計用于土體表面變形測量。
權利要求
1.一種城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置，由模型箱(1)、有 機玻璃窗(2)、位移計小支架(3)、位移計大支架(4)、隧道開挖裝置(5)、進水導管(6)、出水 導管(7)、進水電磁閥(8)、出水電磁閥(9)、乳膠帶(10)以及LVDT位移計(11)組成，其特征 在于模型箱(1)為中部空心的長方體結構，其前側面為有機玻璃窗(2)，其頂面開口，便于 放置位移計小支架(3 )和位移計大支架(4 )；隧道開挖裝置(5 )放置于模型箱(1)中部位置， 其中部為一空心黃銅管(12)，外部圍有一橡皮膜(13)，空心黃銅管(12)和橡皮膜(13)之間 注有液體水(14)。
2.根據權利要求1所述的城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置， 其特征在于模型箱(1)放置于土工離心機中，離心主驅動軸(17)帶動連接橫軸(18)轉動， 同時帶動模型箱(1)同速轉動，直至達到預定離心加速度。
3.根據權利要求1所述的城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置， 其特征在于位移計小支架(3)開有小孔(23、M、25J6、27)；位移計大支架(4)開有小孔 (29、30、31、32、33)。
4.根據權利要求1所述的城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置， 其特征在于隧道開挖裝置(5)側面接近兩端及端面處沿徑向纏繞有乳膠帶(10)，其中一端 連有進水導管(6)，進水導管(16)與進水電磁閥(8)連接，另外一端連有出水導管(7)，出水 導管(7)與出水電磁閥(9)連接，由進水電磁閥(8)以及出水電磁閥(9)引出的導管分別連 接離心機的液體控制系統。
5.根據權利要求1所述的城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置， 其特征在于所述模型箱(1)的其余五個側面均采用鋁合金板。
6.根據權利要求1所述的城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置， 其特征在于所述模型箱(1)內壁四周均涂抹硅油，且模型箱(1)內部填有試驗用土。
全文摘要
本發明屬巖土及地下工程中的隧道工程領域，具體涉及一種城市盾構隧道施工誘發地表沉陷的離心試驗模擬測試裝置。該測試裝置主要由模型箱、位移計小支架、位移計大支架、隧道開挖裝置以及LVDT(線性可變差分變壓器)位移計等構成。其中，模型箱為中部空心的長方體；位移計小支架和位移計大支架通過沿水平方向和垂直方向多方位調節LVDT位移計，可以實現對地表沉陷和內部土層變形的測量；隧道開挖裝置可以通過排放一定體積的水來模擬地層損失引起的土體變形。本發明能夠更方便、更真實有效地模擬出城市盾構隧道施工對周圍地層的變形影響，為隧道設計與施工提供更真實準確的實驗數據，保障城市盾構隧道建設的高效與安全。
文檔編號G01C5/00GK102071943SQ20101058441
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月13日 優先權日2010年12月13日
發明者張孟喜, 張治國, 黃茂松 申請人:上海大學