一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，具体的说是一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法。

背景技术

随着城市化的发展，地铁已渐渐成为城市交通出行选择的主流，在地铁建设施工中，由于盾构法具有施工高效，对地层扰动小等优点已逐渐成为地铁建设中的主要施工方法之一。在富水岩溶地区修建地铁隧道进行盾构隧道施工过程中，溶洞的存在使盾构机在掘进过程易发生偏头、栽头，甚至引起围岩失稳坍塌、地面大面积沉降，这势必会对盾构隧道工程的施工产生重大影响。针对上述在富水岩溶区进行盾构隧道施工存在的问题，为了保证富水岩溶地区盾构隧道施工过程的安全，研究不同地下水位和溶洞参数下盾构施工过程中围岩力学特性及地层沉降规律，对于实际工程中盾构施工参数控制和溶洞处治范围具有重大意义。

目前国内外已有部分学者对盾构隧道施工展开模型试验研究，大多数都是针对单一的地层条件下盾构施工的一些影响规律研究，针对岩溶地区盾构隧道施工模型试验研究相对较少，已有的一些岩溶地区盾构模型试验主要为二维的平面应变模型，没有考虑盾构过程中溶洞空间影响、盾构顶推力、刀盘转速和推进速度等影响因素，并且没有考虑地下水渗流作用影响，无法较为真实模拟出富水岩溶地区盾构隧道施工实际情况。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明目的是提供一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置及其方法，能够对不同地下水位和不同溶洞参数（大小、形状、位置、填充程度）条件下盾构隧道施工进行模拟，并且在相应工况下盾构隧道施工过程中围岩力学特性和地层沉降进行监测，为研究富水岩溶地区盾构隧道施工影响提供一定的室内模型试验基础，其试验数据结果丰富、真实性较高，可为富水岩溶区盾构隧道施工过程中盾构施工参数控制和溶洞处治范围提供指导作用。

一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，包括模型试验箱、盾构开挖机构以及监测机构，所述模型试验箱通过透水隔板分成岩土模拟箱与供水箱，所述透水隔板表面开有透水孔，所述岩土模拟箱内内装有试验土体模拟盾构隧道围岩，溶洞置于试验土体中，所述试验土体上方设有加压机构，所述岩土模拟箱两侧面上开设有圆形开孔，所述盾构开挖机构设置于圆形开孔处，所述盾构开挖机构包括工作台、开挖组件、推进部件以及出土组件，所述开挖组件和出土组件通过受力支架设置于工作台上，且所述出土组件设置与所述开挖组件内，用于将开挖组件挖出的岩土出土排出，所述受力支架与所述工作台滑动连接，所述推进部件的推进端与受力支架相接。

进一步地，所述开挖部件包括刀盘、圆钢轴、盾构壳体、初衬隧道、可调速电动机，所述盾构壳体和初衬隧道相接形成一空腔，所述刀盘可拆卸安装于盾构壳体前方，所述圆钢轴与所述刀盘固定连接，并容设于盾构壳体、初衬隧道形成一空腔中，所述圆钢轴另外一端通过联轴器与所述可调速电动机连接。

进一步地，所述刀盘包括面板，所述面板焊接于盾构壳体前端，所述面板切割有多个开口槽，所述面板上设置有边缘刀头、中心盾构刀头，所述面板开口槽处还设置有刀头扩展板，所述刀头扩展板上设置有扩孔刀头，所述面板朝向盾构壳体内部一侧设置有搅拌棒。

进一步地，所述出土组件包括挡土板、绞龙出土器以及出土电机，所述挡土板设置于盾构壳体和初衬隧道之间，所述挡土板中间开设有出土口，所述圆钢轴穿过所述出土口，所述圆钢轴下方的出土口内还设置有一转轴，所述转轴布设于盾构壳体、初衬隧道内，所述绞龙出土器呈盘旋叶片状焊接于转盘上，所述转轴一端连接有出土电机。

进一步地，所述盾构壳体由铝合金管制作，所述初衬隧道由高密度聚乙烯树脂制成的PE管，所述刀盘直径大于盾构壳体直径，盾构壳体直径大于初衬隧道直径。

进一步地，所述盾构推进装置包括推力杆、调速器、反立支架，所述推力杆与调速器连接，所述反立支架固定在工作台上，推力杆一端朝向受力支架，一端固定于反力支架上。

进一步地，所述监测机构包括土压力盒、伸缩式位移计和百分表，所述百分表置于试验土体表层，所述伸缩式位移计上端通过数据线与位移传感器连接，下端置于试验土体中，所述土压力盒埋在预开挖试验土体隧道四周，土压力盒通过数据线与应力采集仪连接。

进一步地，所述模型试验箱为上方敞开的透明有机玻璃箱结构，四周通过槽钢框架结构固定，所述模型试验箱两侧圆形开孔直径大于刀盘直径，上方焊接有横梁和钢框架。

进一步地，所述所述透水隔板与岩土模拟箱接触一面贴有小孔径滤网。

一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验方法，包括如下步骤：

S1、进行模型试验箱相似设计：

首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1：L，L为缩尺比例，然后根据几何相似比，对岩土模拟箱内试验土体参数、地下水位、施加的竖向压力、溶洞大小、刀盘直径、盾构壳体和初衬隧道的材料弹性模量、直径、壁厚和隧道埋深按原型尺寸的进行设计；

S2、模型试验箱填筑和监测机构的布置：

将根据相似原理设计配置好的土体分层填筑在岩土模拟箱内，同时在填筑过程中将土压力盒和伸缩式位移计按照实验设计要求布置到位，在土体填充完之后，在土层表面按实验设计要求布置百分表；

S3、地下水位和地应力模拟：

待模型试验箱填筑和监测机构布置完成之后，对模拟溶洞材料进行相应处理，模拟地层中存在溶洞工况，向供水箱内加水，水箱内的水通过透水隔板上的透水孔与岩土模拟箱内的土体连通，将水位按实验设计要求加到一定位置，保持水位24h不变后停止加水，之后将所述加压装置设置在所述岩土模拟箱中土层的上方，向所述试验土体施加压力，模拟地应力；

S4、盾构隧道施工模拟：

将盾构壳体和初衬隧道套在圆钢轴外侧，盾构壳体前端紧贴刀盘，将圆钢轴通过联轴器与可调速电动机连接，调整圆钢轴高度使刀盘中心与模型试验箱开孔中心处于同一水平高度，接通电源开动电动机，通过变频器将电机转速调到一定值，电机带动刀盘一起转动，接通推力杆电源提供水平推进力，通过调速器调节推进速度，使盾构开挖装置通过模型箱侧边开口进入试验箱，进行盾构隧道施工模拟，开启可调速发动机的同时，启动出土电机，盾构壳体和初衬隧道之间设有挡土板，挡土板开有出土口，圆钢轴穿过出土口，同时出土口下方还设有转轴，转轴上布置有绞龙出土器，出土电机通过转轴带动绞龙出土器将盾构隧道内的泥土排出；

S5、试验数据采集和处理：

在S4所述盾构隧道施工进行过程中，通过伸缩式位移计、百分表、土压力盒对盾构隧道施工过程中围岩应力和土层沉降变形进行监测，并通过位移传感器、应力采集器对相关数据进行收集、记录，将采集到的数据进行分析总结以绘制盾构隧道掘进过程中各项数据变化曲线，获得不同地下水位和溶洞参数下盾构隧道施工过程中地层沉降规律和隧道围岩应力变化规律，为富水岩溶地区盾构隧道施工参数控制和溶洞处置范围提供一定的指导作用

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明通过透水隔板将模型箱分为岩土模拟箱和供水箱，供水箱中水通过透水孔流向岩土模拟箱内土层，同时岩土模拟箱上方加压装置可以提供一定竖向压力，可以模拟出不同地下水位和地应力条件下盾构隧道施工过程，另外通过盾构开挖机构设置，实现了盾构隧道挖土的同时，能够及时土及时排出。

盾构开挖装置可以更换刀盘，并且通过电动机变频器和推力杆调速器可以改变刀盘转速和推进速度，可以模拟不同地层条件下盾构机施工所采用的不同种类刀盘、不同大小的转速与推进速度，同时连接刀盘与电机的钢轴上装有螺旋叶片，可以实现一边钻进一边出土，更加真实的模拟盾构机实际工作情况。

实际工程当中我们往往更加注重的是盾构隧道施工过程中盾构机环向和径向的受力状态，监测装置中对于每个应力监测点放置两个相互垂直的土压力盒，监测其水平和竖直方向应力状态，根据极坐标与直角坐标应力转换公式对采集的土压力进行转换计算，可以换算出盾构隧道施工过程中围岩环向与径向应力大小，更加切合施工现场的需求。

4、盾构开挖装置中盾构壳体和初衬隧道材料和直径不同，盾构壳体采用铝合金，初衬隧道采用高密度聚乙烯树脂制成的PE管，两者材料弹性模量遵守相似原理，刀盘直径大于盾构壳体直径，盾构壳体直径大于初衬隧道，可以模拟出盾构隧道施工过程中由于超挖间隙和盾尾间隙引发的地层损失和变形。

附图说明

图1为本发明的试验装置的主视结构示意图。

图2为本发明的试验装置的俯视结构示意图。

图3为本发明的监测机构的布设示意图。

图4为本发明的模型试验箱结构示意透视图。

图5为本发明盾构开挖机构中刀盘剖面祥图。

图6为本发明盾构开挖机构中承重台示意图。

图中：1-加压装置；2-岩土模拟箱；3-溶洞；4-透水隔板；5-槽钢框架；6-圆形开孔；7-刀盘；8-搅拌棒；9-盾构壳体；10-蛟龙出土器；11-初衬隧道；12-承重台；13-圆钢轴；14-联轴器；15-减速电机；16-固定支架；17-变频器；18-反力支架；19-调速器；20-推力杆；21-工作台；22-供水箱；23-百分表；24-伸缩式位移计；25-土压力盒；26-钢支架；27-透水孔；28-出水孔；29-横梁；30-开口槽；31-面板；32-边缘刀头；33-导轨；34-圆形开孔；35-挡土板；36-出土电机；37-滑块；38-受力支架；39-中心刀头；40-扩孔刀头。

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，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置，包括模型试验箱机构、盾构开挖机构、盾构推进机构和监测机构。模型试验箱装置将透水隔板4放置在模型试验箱内将箱体分为岩土模拟箱2和供水箱22，透水隔板4表面开有多个透水孔27，透水隔板4靠近岩土模拟箱2一面贴有滤网，保证供水箱22中水流向岩土模拟箱时，岩土模拟箱内的土颗粒不会流出，供水箱22底部开有出水孔28，在试验结束之后打开，将供水箱和模型箱内水放出，模型试验箱体为上部开口的透明有机玻璃箱结构，由前后左右下五个方向共五块有机玻璃在钢框架结构5固定作用下而成，岩土模拟箱2两侧面玻璃板上开设有圆形开孔6，玻璃板上刻有标记线，岩土模拟箱2上方焊接有横梁29用于固定百分表23，岩土模拟箱2上方焊接有钢支架26用于固定加压装置，岩土模拟箱2内装有试验土体，土体高度低于其模型箱开口面高度，溶洞3置于试验土体中，盾构开挖机构包括工作台21、开挖组件、推进部件以及出土组件，开挖组件和出土组件通过受力支架38设置于工作台21上，且出土组件设置与开挖组件内，用于将开挖组件挖出的岩土出土排出，受力支架38与工作台21通过滑块37与导轨33滑动连接，推进部件的推进端与受力支架38相接。

开挖组件包括刀盘7、搅拌棒8、圆钢轴13、刀盘7、联轴器14、可调速电动机15，刀盘7包括面板31、边缘刀头32、盾构刀头39和扩孔刀头40，面板31切割出六个开口槽30，在面板31后方焊接搅拌棒8，防止挖掘下来的土体固结，在面板31后方中心位置焊接圆钢轴13，圆钢轴13通过联轴器14与可调速电动机15连接，可调速电机15通过固定支架16与受力支架38连接，支护组件由盾构壳体9和初衬隧道11组成，支护组件套在刀盘7后方，用防水胶水将两者接触面胶结在一起，初衬隧道11通过承重台12与下方受力支架38连接，承重台12开有圆形开孔34让受力支架38穿过，承重台12下方通过滑块37与导轨33与工作台21连接。

出土组件由挡土板35、蛟龙出土器10、出土电机36组成，挡土板35在盾构壳体9内部，上方开有出土口让蛟龙出土器10穿过，蛟龙出土器10由螺旋叶片焊接在圆钢轴表面组成，后方与出土电机10连接提供动力，整个盾构开挖装置都固定在受力支架38上，受力支架38通过滑块37固定在导轨33上，盾构推进装置包括推力杆20、调速器19、反力支架18，推力杆20通过数据线与调速器19连接，通过调速器19调节推力杆20推进速度，反力支架18固定在工作台21上方，推力杆20后方固定在反力支架18上，推力杆20前端作用在受力支架38上使整个盾构开挖装置前进。

监测装置包括伸缩式位移计24、百分表23、土压力盒25，土压力盒25布置在预开挖隧道和溶洞3影响范围的四周，伸缩式位移计24布置在地层中，百分表23布置在地表处，土压力盒25通过信号线与应力采集仪连接，伸缩式位移计24下端布置在监测点，上端通过信号线与采集仪连接，百分表23上端固定在模型箱上方的横梁29。

六个开口槽30总面积占面板31的总面积比值等于所模拟现场使用的盾构机开口率。

刀盘7直径大于盾构壳体9直径，盾构壳体9直径大于初衬隧道11直径。

盾构壳体9由铝合金管制成，初衬隧道9由高密度聚乙烯树脂制成的PE管制作而成。

溶洞制备时，无充填溶洞采用石蜡制备后，埋入土层，再用碳纤维管加热融化，通过事先埋入的管道流出，形成空洞，模拟无充填溶洞，全充填溶洞采用石膏充填完成后，再通过硬质塑料管注水，使其软化，模拟溶洞内软质黏土类充填物。

一种用于模拟富水岩溶地区盾构隧道施工试验装置试验方法，包括以下步骤：

S1、进行模型试验箱相似设计：

首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1：L，然后以几何相似比L为依据，对加载的地应力大小、地下水位、刀盘直径、溶洞直径、盾构壳体和初衬隧道的长度、直径、壁厚和隧道埋深按原型尺寸的1/L进行设计；选择盾构壳体和初衬隧道材料时应满足其弹性模量为原型的1/L进行设计，试验土体参数在设计时也应以几何相似比L为设计依据，尽量实现试验土体的重度、内摩擦角和泊松比与原型土接近，试验土体弹性模量和黏聚力为原型土的1/L接近进行设计，试验土体渗透系数为原型土的1/√L接近进行设计，试验土体相关参数具体设计原则如下所示：

试验土体部分参数

（1）几何相似比：C

（2）重度、内摩擦角和泊松比相似比：C

（3）弹性模量和黏聚力相似比：C

（4）渗透系数相似比：C

S2、模型试验箱填筑和监测机构的布置：

将根据相似原理设计配置好的土体分层填筑在岩土模拟箱内，同时在填筑过程中将土压力盒和伸缩式位移计按照实验设计要求布置到位，在土体填充完之后，在土层表面按实验设计要求布置百分表；

S3、地下水位和地应力模拟：

待模型试验箱填筑和监测机构布置完成之后，对模拟溶洞材料进行相应处理，模拟地层中存在溶洞工况，向供水箱内加水，水箱内的水通过透水隔板上的透水孔与岩土模拟箱内的土体连通，将水位按实验设计要求加到一定位置，保持水位24h不变后停止加水，之后将所述加压装置设置在所述岩土模拟箱中土层的上方，向所述试验土体施加压力，模拟地应力；

S4、盾构隧道施工模拟：

将盾构壳体和初衬隧道套在圆钢轴外侧，盾构壳体前端紧贴刀盘，将圆钢轴通过联轴器与可调速电动机连接，调整圆钢轴高度使刀盘中心与模型试验箱开孔中心处于同一水平高度，接通电源开动电动机，通过变频器将电机转速调到一定值，电机带动刀盘一起转动，接通推力杆电源提供水平推进力，通过调速器调节推进速度，使盾构开挖装置通过模型箱侧边开口进入试验箱，进行盾构隧道施工模拟，开启可调速发动机的同时，启动出土电机，盾构壳体和初衬隧道之间设有挡土板，挡土板开有出土口，圆钢轴穿过出土口，同时出土口下方还设有转轴，转轴上布置有绞龙出土器，出土电机通过转轴带动绞龙出土器将盾构隧道内的泥土排出；

S5、试验数据采集和处理：

在S4所述盾构隧道施工进行过程中，通过伸缩式位移计、百分表、土压力盒对盾构隧道施工过程中围岩应力和土层沉降变形进行监测，并通过位移传感器、应力采集器对相关数据进行收集、记录，将采集到的数据进行分析总结以绘制盾构隧道掘进过程中各项数据变化曲线，获得不同地下水位和溶洞参数下盾构隧道施工过程中地层沉降规律和隧道围岩应力变化规律，为富水岩溶地区盾构隧道施工参数控制和溶洞处置范围提供一定的指导作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。