一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置

技术领域

本发明属于隧道工程试验技术领域，尤其涉及一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置。

背景技术

目前，我国正处于地下空间大规模开发利用的时期，城市轨道交通设施以地铁为主导，有大量地铁隧道待修建。在进行地下工程施工的过程中，往往会遇到复杂的工程地质问题，特别是上软下硬地层的地质问题，更是地下工程研究的重点。上软下硬复合地层施工具有较大难度，而且需要耗费大量时间，在实际施工中主要采用盾构法，以确保开挖面的稳定性，但是由于地层地质、施工条件等影响，导致工程施工中出现地表沉降问题。在一些隧道施工中，常应用到明挖法和暗挖法，其中暗挖法中便包含盾构法施工。盾构法具有安全、经济、快速等优点，在近些年成为了隧道工程施工的首选。但是在盾构机推进的过程中会造成地层扰动，导致地表沉降，也会对其他地下管线造成一定的影响，从而降低工程施工的稳定性。

关于盾构施工引起地表沉降问题，国内外己有大量研究基础与实践经验，对于盾构施工引起地表沉降的机理，地表沉降规律及预测方法的研究己经相对成熟。但随着盾构穿越的地层组合日渐复杂，各地区地质环境差异大，区间穿越不同地层条件引起地表沉降的分布规律必然存在差异。对于复合地层盾构的地表沉降研究，国内外关于砂茹复合层、含卵石茹上层等局部软硬不均的复合上层中的研究比较多。对于盾构长距离穿越上软下硬复合地层，国内外对复合地层盾构选型、刀盘及刀具针对性配置和磨损分析、掘进参数优化等问题的研究比较多，针对上软下硬地层中盾构施工引起的地表沉降规律及针对性沉降控制研究比较少。盾构通过上软下硬复合地层时，本身施工对地层扰动影响就大，加上地层组合方式复杂，沉降分布特点和空间分布位置与均一的地层中必然存在明显偏差，这种偏差的难以预测性影响地表沉降措施制定的准确性与合理性。

隧道爆破开挖的试验研究主要以现场试验为主，然而现场试验设计复杂、污染环境、费用高、人力和物质资源消耗大，这严重地制约了隧道爆破开挖技术的研究。因此，有必要提出一种模拟隧道爆破开挖试验的室内试验装置，能够较准确模拟隧道爆破开挖对隧道周边环境的影响，以期为隧道爆破开挖的合理设计提供依据。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有技术中缺少针对上软下松地层盾构隧道爆破的模拟实验设备，现场试验设计复杂、污染环境、费用高、人力和物质资源消耗大

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置。

本发明是这样实现的，一种上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置包括：

样品箱、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、信号传输模块、人机交互模块和主控模块；

所述样品箱用于利用玻璃钢箱体对上软下硬地层的样品进行存放；

所述主控模块分别与数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、信号传输模块和人机交互模块连接，用于对各个受控模块的运行协调控制；

所述数据采集模块用于利用设置在不同位置的多个传感器对模拟实验中的各项参数进行采集；

所述数据处理模块用于接收数据采集模块采集的各项实验数据，并对实验数据进行处理分析；

所述数据存储模块用于利用存储硬盘对采集数据和处理结果进行本地存储；

所述信号传输模块用于利用信号传输器与远程服务器连接，进行数据交互。利用远程服务器进行远程数据的处理；

所述人机交互模块用于利用触摸显示屏进行人机交互，对整体装置的工作状态和实验数据进行查看。

进一步，所述样品箱包括玻璃钢箱体和设置于玻璃钢箱体内的地层样品、动力单元和爆破模拟单元；

所述爆破模拟单元埋设在地层样品内部，用于利用多个间隔设置的膨胀气囊对爆破状态进行模拟；

所述动力单元与爆破单元连接，用于利用空气炮为膨胀气囊提高膨胀气压。

进一步，所述数据采集模块的多个传感器设置在样品箱内部，包括：

动能检测单元，与空气炮连接，用于对空气炮的输出气压的压力值进行检测；

变形压力检测单元，设置在地层样品内部，用于对地层样品的不同位置的受挤压力度进行检测。

进一步，所述玻璃钢箱体设置有相互连接的底板、侧板、肋板和挡板，玻璃钢箱体内设有模型衬砌，所述模型衬砌的一端与挡板相接触。

进一步，所述肋板呈直角三角形，且长直角边长与侧板的宽度一致；所述肋板的短直角边和长直角边分别与底板和侧板的外侧粘结。

进一步，所述空气炮通过输气管与多个膨胀气囊连接，所述输气管为一橡胶总管分叉为多个支管的圆管，支管数量等于膨胀气囊数量。

进一步，所述数据处理模块对实验数据进行处理分析时，利用爆破沉降横向预测公式对实验数据进行处理，所述爆破沉降横向预测公式为：

式中：s(x，y)为距离样品箱轴线一定距离位置的地层样品受挤压力度；S

进一步，所述远程服务器通过对比不同参数爆破的实验数据来探究隧道围岩的变形和破坏情况，对比情况总结出隧道处于不同开挖深度的应力变化规律、变形情况、剪力变化情况，对实际的工程隧道开挖加以分析，综合提出合理的结论和建议。

进一步，所述远程服务器的工作流程为：

步骤一，模型的数值模拟：利用FLAC3D软件基于实际地层采集情况进行建模并进行简化；

步骤二，模拟地层隧道岩层参数：设置各岩层参数指标；

步骤三，数值模型计算参数：FLAC3D中的模型在弹性范围内都由两个弹性常量来进行描述，即体积模量K和切变模量G在FLAC3D中，常用常量K和G，而不用弹性模量E和泊松比v，关系如下：

K＝E(1-2v)

G＝E/2(1+2v)

步骤四，边界条件：为了对边界施加给定位移，需要指定速率v；实践中，为对系统的影响最小，v应小而步数N应大；使用AP-PLY、FIX和FREE命令对已有模型的位移进行控制。

步骤五，爆破参数模拟传输：基于上一次的监测点的参数模型求解，确定本次的爆破参数的数据，传输到本地的数据管理系统。

进一步，所述模型的数值模拟，模型特点隧道采用直墙半圆拱的形式，简化后的隧道上部为软弱岩层，隧道底部为坚硬岩层，两地层之间的夹角为0°。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明通过样品箱和外设的多个功能模块即可实现对上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟，便于组装实施，通过数据采集模块可以对实验过程的各项实验参数进行实时采集，通过数据处理模块可以进行实时的本地处理，并可以利用信号传输模块将检测数据传递到远程服务器进行进一步处理，保证检测结果的准确性。本发明采用空气爆破方式，降低模拟实验的爆破的污染性，实现模拟实验在室内进行。基于爆破沉降横向预测公式进行预测分析，实现模拟实验包括计算机模拟与室内模拟实验两部分，计算机模拟保证室内实验步骤进行的高效性，降低室内实验的盲目性试错机率。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明基于实际的爆破前后和土层实际调研数据进行建模，保证实验结果的精准性。

附图说明

图1是本发明实施例提供上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置的结构原理图；

图2是本发明实施例提供的样品箱的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的远程服务器的工作流程图；

图中：1、样品箱；2、数据采集模块；3、数据处理模块；4、数据存储模块；5、信号传输模块；6、人机交互模块；7、主控模块；8、地层样品；9、膨胀气囊；10、空气炮；11、输气管；12、玻璃钢箱体；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置包括：样品箱1、数据采集模块2、数据处理模块3、数据存储模块4、信号传输模块5、人机交互模块6和主控模块7；

所述样品箱1用于利用玻璃钢箱体对上软下硬地层的样品进行存放；

所述主控模块7分别与数据采集模块2、数据处理模块3、数据存储模块4、信号传输模块5和人机交互模块6连接，用于对各个受控模块的运行协调控制；

所述数据采集模块2用于利用设置在不同位置的多个传感器对模拟实验中的各项参数进行采集；

所述数据处理模块3用于接收数据采集模块采集的各项实验数据，并对实验数据进行处理分析；

所述数据存储模块4用于利用存储硬盘对采集数据和处理结果进行本地存储；

所述信号传输模块5用于利用信号传输器与远程服务器连接，进行数据交互。利用远程服务器进行远程数据的处理；

所述人机交互模块6用于利用触摸显示屏进行人机交互，对整体装置的工作状态和实验数据进行查看。

本发明实施例中的样品箱1包括玻璃钢箱体12和设置于玻璃钢箱体内的地层样品8、动力单元和爆破模拟单元；

所述爆破模拟单元埋设在地层样品内部，用于利用多个间隔设置的膨胀气囊9对爆破状态进行模拟；

所述动力单元与爆破单元连接，用于利用空气炮10为膨胀气囊9提高膨胀气压。

本发明实施例中的数据采集模块的多个传感器设置在样品箱内部，包括：

动能检测单元，与空气炮连接，用于对空气炮10的输出气压的压力值进行检测；

变形压力检测单元，设置在地层样品8内部，用于对地层样品的不同位置的受挤压力度进行检测。

本发明实施例中的玻璃钢箱体12设置有相互连接的底板、侧板、肋板和挡板，玻璃钢箱体内设有模型衬砌，所述模型衬砌的一端与挡板相接触。肋板呈直角三角形，且长直角边长与侧板的宽度一致；所述肋板的短直角边和长直角边分别与底板和侧板的外侧粘结。

本发明实施例中的空气炮10通过输气管11与多个膨胀气囊9连接，所述输气管为一橡胶总管分叉为多个支管的圆管，支管数量等于膨胀气囊数量。

本发明实施例提供的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置在进行模拟实验时，数据采集模块采集地层样品8信息，通过主控模块7的参数设置，利用信号传输模块5传输到远程服务器。远程服务器收到参数，进行模型的数值模拟、模拟地层隧道岩层参数、数值模型计算参数、边界条件、输出下一次的爆破参数。将爆破的参数通过传输模块回传到该装置，通过人机交互模块6进行显示，人为的控制下一次的爆破参数。打开空气炮10的电磁阀收集空气，待空气炮10的集气罐内气压满足试验要求后，关闭空气炮10的电磁阀，触发空气炮10的快排阀释放压缩空气，被释放的高压气体通过输气管11进入膨胀囊9，即完成一次爆破模拟试验。

本发明实施例中的数据处理模块3对实验数据进行处理分析时，利用爆破沉降横向预测公式对实验数据进行处理，所述爆破沉降横向预测公式为：

式中：s(x，y)为距离样品箱轴线一定距离位置的地层样品受挤压力度；S

本发明实施例远程服务器通过对比不同参数爆破的实验数据来探究隧道围岩的变形和破坏情况，对比情况总结出隧道处于不同开挖深度的应力变化规律、变形情况、剪力变化情况，对实际的工程隧道开挖加以分析，综合提出合理的结论和建议。

如图3所示，本发明实施例中的远程服务器的工作流程为：

S101，模型的数值模拟：利用FLAC3D软件基于实际地层采集情况进行建模并进行简化；

S102，模拟地层隧道岩层参数：设置各岩层参数指标；

S103，数值模型计算参数：FLAC3D中的模型在弹性范围内都由两个弹性常量来进行描述，即体积模量K和切变模量G在FLAC3D中，用常量K和G，而不用弹性模量E和泊松比v；

S104，边界条件：为了对边界施加给定位移，需要指定速率v；实践中，为对系统的影响最小，v应小而步数N应大；使用AP-PLY、FIX和FREE命令对已有模型的位移进行控制。

S105，爆破参数模拟传输：基于上一次的监测点的参数模型求解，确定本次的爆破参数的数据，传输到本地的数据管理系统。

本发明实施例的步骤S103数值模型计算参数中，体积模量K和切变模量G关系如下：

K＝E(1-2v)

G＝E/2(1+2v)。

本发明实施例中模型的数值模拟，模型特点隧道采用直墙半圆拱的形式，简化后的隧道上部为软弱岩层，隧道底部为坚硬岩层，两地层之间的夹角为0°。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明实施例提供的上软下硬地层盾构隧道微差控制爆破数值模拟装置可设置在不同地层状况的盾构隧道微差控制爆破数值模拟系统使用。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。