吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于盾构隧道模型试验技术领域，具体涉及一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置及方法。

背景技术

在盾构掘进过程中是通过土仓或泥水仓的内压力来平衡开挖面前方的土压力，以维持开挖面的稳定，若仓内压力过小，则会导致开挖面发生主动失稳，造成开挖面前方土体坍塌并引起地表沉降；若仓内压力过大，则会导致开挖面发生被动失稳，引起开挖面前方土体喷出冒顶并造成地表隆起。一旦在盾构掘进过程中出现开挖面失稳的现象，则会引发一系列的工程事故。

现有评价盾构隧道开挖面稳定性的一般是通过理论计算或数值分析的方法来实现，但是这两种方法均无法反映现场的实际情况，传统的盾构隧道开挖面失稳的模型试验系统可分为：离心模型试验系统，小尺寸模型试验系统。离心模型试验系统对试验设备及场地环境要求较高，设备造价昂贵，目前仅有少量研究机构具备这种条件。而小尺寸模型试验系统具有试验设备要求低，操作简便，造价低廉等优势，而近年来随着测量技术的发展，小尺寸模型的试验精度被不断提高。

现有的小尺寸盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置主要由三部分构成：模型箱，隧道模型，以及动力装置三部分构成，而动力装置由托架、测试作用在活塞上的土压力盒、测量旋钮旋转角度的测角器和旋动活塞水平移动的旋钮构成。

因此存在以下缺陷：1)当开挖面发生失稳时，土体的压力作用在活塞上，然后被土体挤压的活塞将压力通过托架再传递到土压力盒上，因此土压力盒的数据就是开挖面失稳时的极限支护压力；采用这种传递的方式所测得的压力误差较大，由于活塞、托架、土压力盒三者之间连接存在间隙，土压力盒反应的数据试验结果不准确；2)半圆形活塞和模型箱的有机玻璃板及盾构隧道模型是贴合的，在活塞移动时不可避免地会与有机玻璃板及盾构隧道模型发生摩擦，而这种摩擦力似乎是不可避免的，但是这种影响却会反映在土压力盒的数据上，导致土压力盒所测得压力严重脱离实际结果；3)通过旋转旋钮来控制开挖面活塞的移动，一般是在试验前期对活塞的移动距离进行标定，旋钮每转动一圈，活塞移动2mm；由测角器反映旋钮所转过的角度，旋钮每转动一个角度，活塞移动0.005mm，估算活塞的移动距离耗时且费力，活塞的在移动过程中也会受到活塞与有机玻璃的摩擦作用的影响，导致活塞实际的运动距离与旋钮测得的活塞运动距离存在误差，并导致试验人员在进行试验时劳动强度大且容易产生疲劳。

发明内容

本发明旨在提供一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置及方法，土体压力测量误差小，自动控制活塞运行速度及运行距离，解决采用小尺寸模型试验系统时开挖面失稳土压力盒反应的数据试验结果不准确，活塞移动时摩擦力过大以及人工旋转旋钮来控制开挖面活塞的移动任务量繁重的问题。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置，包括试验模块，所述试验模块包括填筑吹填砂的无盖试验箱体、安装在无盖试验箱体右内侧板呈半圆壳状结构的盾构隧道模型和与盾构隧道模型内壁匹配的活塞，所述盾构隧道模型与无盖试验箱体前侧板紧密贴合形成供活塞水平移动的空腔；还包括驱动模块、控制模块和监测模块，所述无盖试验箱体四周侧板除右侧板外均采用透明材质，盾构隧道模型与无盖试验箱体前侧板的接触面上设有密封胶条，所述驱动模块包括安装底座、电动推杆、伺服电机和电源座，所述电动推杆底部螺栓安装在安装底座上，电动推杆左端水平穿过无盖试验箱体右侧板与活塞右端固定，所述伺服电机、电动推杆的右端齐平上下间隔安装在竖直的电源座上；所述控制模块包括电控箱支撑架和安装在电控箱支撑架上并与伺服电机线路连接的电控箱；所述监测模块包括位移传感器、若干个土压力传感器、数据采集卡、实时监测电脑、土体变化照相机和聚光灯，所述位移传感器安装在电动推杆上并与活塞连接，所述土压力传感器安装在活塞左端开挖面上，用于记录试验过程中作用在开挖面上的土压力，所述数据采集卡与位移传感器、土压力传感器以及实时监测电脑通过线路连接，所述土体变化照相机安装在高度可调节三脚架上，从而调整拍摄高度至对准活塞；当伺服电机接收到电控箱发出的指令时，控制电动推杆推动活塞水平右移模拟盾构隧道开挖面的主动破坏或者左移模拟盾构隧道开挖面的被动破坏，同时土体变化照相机拍照记录模型箱内吹填砂土体的变化过程，实时监测电脑进行数据采集整理。

作为上述方案的优选，所述无盖试验箱体的四周侧板除右侧板外均采用透明玻璃板，方便观察及拍摄；无盖试验箱体底板及右侧板均采用钢板，且底板向右继续延伸供安装底座、电控箱支撑架安装，一体式安装，结构稳固牢靠；所述无盖试验箱体底板设有用于泄出吹填砂的泄土口，方便泄砂；无盖试验箱体底板四角安装有定向轮，方便移停。

进一步优选为，所述活塞采用聚甲醛材料，聚甲醛材料刚度高、弹性好、自润滑，聚甲醛材料通常在工业上多用于制作轴承，目前并没有人将该材料用于制作盾构隧道开挖面模型的活塞，选材精妙，采用聚甲醛材料制成的活塞能够有效减弱活塞与盾构隧道模型之间的摩擦作用；所述盾构隧道模型内壁涂抹有润滑液，不仅能起到润滑作用，还能够防止砂土渗入盾构隧道模型内部。

进一步优选为，所述活塞右端通过法兰盘安装有连接螺杆，所述电动推杆左端与连接螺杆螺纹匹配，螺纹连接稳固，拆装方便。

进一步优选为，所述盾构隧道模型左下部设有安装在无盖试验箱体底板上的模型支撑板，保证盾构隧道模型右端固定的基础上，左端也能固定住，左右受力均衡，固定牢靠。

进一步优选为，所述位移传感器左端的万向接头穿过无盖试验箱体抵住法兰盘、中端配备有用于固定在电动推杆上的定位夹具，位置安装稳固，连接活塞与电动推杆，保证活塞速度的精确监测。

一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验方法，包括以下步骤：

S1、采用权利要求上述的一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置，电控箱设置自动模式和点动模式两种操作模式，自动模式是输入活塞运动速度和运动距离的数值后，伺服电机控制活塞以设定的速度推进，直到达到设定的运动距离，点动模式是手指按住电控箱触控屏上的前进或后退指令时，伺服电机控制活塞以设定的速度推进直至手指松开；

S2、首先通过电控箱的点动模式将活塞左端与盾构隧道模型左端调整至齐平，然后填筑无盖试验箱体，每填筑50mm～60mm厚度的吹填砂后，就敷设一层厚度为5mm～7mm的蓝色彩砂，直至填筑至标高处，整平土体顶面，静置一天，让所填筑的吹填砂在自重状态下密实，调节土体变化照相机高度、拍摄角度、画面大小至完全对准活塞，调整聚光灯摆放位置及角度，最后设置土体变化照相机拍照间隔时间和总时长；

S3、模拟盾构隧道开挖面的主动破坏；在电控箱自动模式下控制活塞以5mm/min～6mm/min的速度右移15mm～20mm，使开挖面发生主动破坏，观察开挖面前方土体的变形情况，并通过数据采集卡收集位移传感器、土压力传感器的数据传输至实时监测电脑记录，同时土体变化照相机以2s～3s为间隔自动拍摄一张照片传输至实时监测电脑记录；

S4、模拟盾构隧道开挖面的被动破坏；在电控箱自动模式下控制活塞以10mm/min～12mm/min的速度左移40mm～50mm，使开挖面发生被动破坏，观察开挖面前方土体的变形情况，并通过数据采集卡收集位移传感器、土压力传感器的数据传输至实时监测电脑记录，同时土体变化照相机以2s～3s为间隔自动拍摄一张照片传输至实时监测电脑记录；

S5、实验结束后，打开开闭式泄土口，进行泄砂操作；

所述步骤S3、步骤S4不分先后顺序。

本发明的有益效果：

(1)相比于小尺寸盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置通过人工旋钮推移活塞水平往复运动，本方案采用电控箱通过伺服电机精准控制活塞的移动速度和移动距离，有效减少实验人员工作量，提高试验效率，更加精确模拟出盾构隧道开挖面失稳的实际情况。

(2)相比于小尺寸盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置中土压力数据测量误差大，位移传感器安装在电动推杆上并与活塞连接，土压力传感器安装在活塞左端开挖面上，两种传感器精确记录试验过程活塞水平右移模拟盾构隧道开挖面的主动破坏、活塞水平左移模拟盾构隧道开挖面的被动破坏时的移动数据及作用在开挖面活塞上的土压力数据，实验数据真实可靠。

(3)土体变化照相机拍照记录模型箱内吹填砂土体的变化过程，实时监测电脑对传感器数据、照片进行采集整理，也方便实验人员通过电脑上显示的传感器数据对试验进行实时监测；盾构隧道模型与无盖试验箱体前侧板的接触面上设有密封胶条，由于盾构隧道模型与无盖试验箱体前侧板之间存在缝隙，如果没有密封胶条该缝隙的存在会使得模型箱内的砂土漏进盾构隧道内部，导致试验失败，因此加设密封胶条，设计合理。

(4)主动破坏时，活塞在电控箱自动模式控制下以5mm/min～6mm/min的速度右移15mm～20mm，被动破坏时，活塞在电控箱自动模式控制下以10mm/min～12mm/min的速度左移40mm～50mm，速度合理，距离合理，有效避免速度太快导致试验数据不稳定、速度太慢导致试验时间过长。

综上所述，具有减少实验人员工作量、提高试验效率、实验数据真实可靠、实时监测等优点。

附图说明

图1为吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置的正视图。

图2为图1的右视图(连接有数据采集卡、实时监测电脑、土体变化照相机和聚光灯)。

图3为图1的俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图3所示，一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置，由试验模块1、驱动模块2、控制模块3和监测模块4组成。

试验模块1由填筑吹填砂的无盖试验箱体11、安装在无盖试验箱体11右内侧板呈半圆壳状结构的盾构隧道模型12和与盾构隧道模型12内壁匹配的活塞13组成。

无盖试验箱体11四周侧板除右侧板外均采用透明材质。

盾构隧道模型12与无盖试验箱体11前侧板紧密贴合形成供活塞13水平移动的空腔。

驱动模块2由安装底座21、电动推杆22、伺服电机23和电源座24组成。

电动推杆22底部螺栓安装在安装底座21上，电动推杆22左端水平穿过无盖试验箱体11右侧板与活塞13右端固定。

伺服电机23、电动推杆22的右端齐平上下间隔安装在竖直的电源座24上。

控制模块3由电控箱支撑架31和安装在电控箱支撑架31上并与伺服电机23线路连接的电控箱32组成。

监测模块4由位移传感器41、若干个土压力传感器42、数据采集卡43、实时监测电脑44、土体变化照相机45和聚光灯46组成。

位移传感器41安装在电动推杆22上并与活塞13连接。

土压力传感器42安装在活塞13左端开挖面上，用于记录试验过程中作用在开挖面上的土压力。

数据采集卡43与位移传感器41、土压力传感器42以及实时监测电脑44通过线路连接。

土体变化照相机45安装在高度可调节三脚架451上，从而调整拍摄高度至对准活塞13。

当伺服电机23接收到电控箱32发出的指令时，控制电动推杆22推动活塞13水平右移模拟盾构隧道开挖面的主动破坏或者左移模拟盾构隧道开挖面的被动破坏，同时土体变化照相机45拍照记录模型箱内吹填砂土体的变化过程，实时监测电脑44进行数据采集整理。

无盖试验箱体11的四周侧板除右侧板外均采用透明玻璃板。

无盖试验箱体11底板及右侧板均采用钢板，且底板向右继续延伸供安装底座21、电控箱支撑架31安装。

无盖试验箱体11底板设有用于泄出吹填砂的开闭式泄土口112，无盖试验箱体11底板四角安装有定向轮111。

活塞13优选采用聚甲醛材料。

盾构隧道模型12内壁涂抹有润滑液，盾构隧道模型12与无盖试验箱体11前侧板的接触面上设有密封胶条121。

活塞13右端通过法兰盘131安装有连接螺杆132。

电动推杆22左端与连接螺杆132螺纹匹配。

盾构隧道模型12左下部设有安装在无盖试验箱体11底板上的模型支撑板122。

位移传感器41左端的万向接头411穿过无盖试验箱体11抵住法兰盘131、中端配备有用于固定在电动推杆22上的定位夹具412。

一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验方法，具体实施步骤如下：

S1、采用上述的一种吹填砂地层盾构隧道开挖面失稳的模型试验装置，电控箱32设置自动模式和点动模式两种操作模式，自动模式是输入活塞13运动速度和运动距离的数值后，伺服电机23控制活塞13以设定的速度推进，直到达到设定的运动距离，点动模式是手指按住电控箱32触控屏上的前进或后退指令时，伺服电机23控制活塞13以设定的速度推进直至手指松开；

S2、首先通过电控箱32的点动模式将活塞13左端与盾构隧道模型12左端调整至齐平，然后填筑无盖试验箱体11，每填筑50mm～60mm厚度的吹填砂后，就敷设一层厚度为5mm～7mm的蓝色彩砂，直至填筑至标高处，整平土体顶面，静置一天，让所填筑的吹填砂在自重状态下密实；

调节土体变化照相机45高度、拍摄角度、画面大小至完全对准活塞13，调整聚光灯46摆放位置及角度，最后设置土体变化照相机45拍照间隔时间和总时长；

S3、模拟盾构隧道开挖面的主动破坏；在电控箱32自动模式下控制活塞13以5mm/min～6mm/min的速度右移15mm～20mm，使开挖面发生主动破坏，观察开挖面前方土体的变形情况，并通过数据采集卡43收集位移传感器41、土压力传感器42的数据传输至实时监测电脑44记录，同时土体变化照相机45以2s～3s为间隔自动拍摄一张照片传输至实时监测电脑44记录；

S4、模拟盾构隧道开挖面的被动破坏；在电控箱32自动模式下控制活塞13以10mm/min～12mm/min的速度左移40mm～50mm，使开挖面发生被动破坏，观察开挖面前方土体的变形情况，并通过数据采集卡43收集位移传感器41、土压力传感器42的数据传输至实时监测电脑44记录，同时土体变化照相机45以2s～3s为间隔自动拍摄一张照片传输至实时监测电脑44记录；

S5、实验结束后，打开开闭式泄土口112，进行泄砂操作。

所述步骤S3、步骤S4不分先后顺序。