[发明专利]城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置

说明书

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置。

背景技术

近年来，我国城市化水平的迅速提高带动了城市地下轨道交通系统的快速发展。盾构法隧道施工由于可以较小程度地对地面交通产生影响而越来越广泛的被应用于地下铁道的建设中，该工法已经成为我国城市地下轨道交通系统中的一种重要施工方法。然而，在隧道的修建过程中，由于地质条件和施工工艺的限制，盾构机压力舱支护压力与地层土、水压力不平衡导致开挖面前方土体移动以及盾尾空隙的闭合造成地层损失，周围孔隙水压变化等原因，都会使土层原始应力重新分布，原有的土体平衡状态遭到破坏，最终引起周围地层变形及地表沉降，特别是在软土盾构隧道中尤为明显。在现场施工过程中，地表沉降发生的概率很高，南京地铁1号线施工过程中，在汉口路与中山路交汇处曾发生面积约15 m²，深为2 m的地面道路沉陷，严重影响了地面的正常交通；深圳地铁1号线施工期内地面沉降事故占了总事故的25 ％，其中一期工程暗挖施工段最大地表沉降达到了300 mm。2008年11月杭州萧山湘湖段发生地铁施工塌方事故，导致风情大道75米路面坍塌，下陷达15米，并造成十几人的重大伤亡事故。因此亟待针对城市盾构隧道施工诱发的地表沉陷机理以及演变规律进行研究，从而为地铁隧道施工和运营提供良好咨询和建议。

目前国内外针对城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的研究主要集中在数值模拟方法、现场监测方法以及室内一般物理模型试验上。数值模拟方法相对比较成熟，但是存在的不足之处主要有：（1）土体物理力学参数对数值模拟结果影响很大，然而由于测试仪器设备的限制，很难得到精确的各项土体参数；（2）数值模拟方法对土体的应力历史以及边界条件难以完全模拟，从而造成结果的偏差。现场监测方法的不足之处主要有：（1）由于仪器设备以及人为观察因素的限制，现场结果具有一定偏差；（2）现场预埋测试元件较难保护，非常容易在施工中损坏，从而延误监测；（3）现场监测需要大量人力物力财力的支持，尤其针对隧道施工引起的土体长期沉降监测，更加不容易实施，并且时效性较差。室内一般物理模型试验最大的缺点就是无法再现现场土层在真实重力状态下的初始应力状态，而土工离心试验作为一种先进的物理模拟手段，能够通过施加适当的离心力再现原型应力状态，非常适用于进行岩土及地下工程的机理研究，从而使其成为研究该问题的首选方法之一。

土工离心试验技术是近二三十年迅速发展起来的一项崭新的土工物理模型技术，其原理是通过在模型上施加离心惯性力使模型的容重增大，从而使模型的应力状态与原型一致。具体来讲，将原型尺寸1/n实验模型置于ng离心重力场中，试验模型自重将增大n倍，则模型中每点所受到的应力与原型中相应点的应力相同，这也就是离心模型试验的相似性定律。

发明内容

本发明目的在于针对该领域现有研究方法的不足之处，提出一种城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟方法，从而提高对盾构隧道施工土工环境效应的模拟，加深对盾构隧道施工土工环境效应的机理认识。

本发明目的是由以下技术方案实现的：

本发明提出的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置，由模型箱1、有机玻璃窗2、位移计小支架3、位移计大支架4、隧道开挖模拟装置5、进水导管6、出水导管7、进水电磁阀8、出水电磁阀9、乳胶带10以及LVDT（线性可变差分变压器）位移计11组成。

本发明中的模型箱1为中部空心的长方体结构，其前侧面为有机玻璃窗2，便于进行土层标注以及外部同步摄影；其顶面可以设置为开口，便于放置测量仪器位移计小支架3和位移计大支架4，其中顶面四周均布置有锚孔以便固定仪器支架；其余四面均为铝合金板，适于承受较大离心场力。

本发明中位移计小支架3可以供5个LVDT位移计11同时进行测量，其位移计水平方向固定，不可调节，但垂直方向可以根据试验需要进行调节；位移计大支架4可以供5个LVDT位移计11同时进行测量，其位移计水平方向和垂直方向均可以根据试验需要进行调节。其特征在于：通过位移计沿水平方向和垂直方向的多方位调节，可以实现对地表沉陷和内部土层变形的测量。