[发明专利]模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置及方法

说明书

技术领域：

本发明属于地下工程实验技术领域，可以模拟盾构隧道施工引起地层变形的过程，简单精确的描绘出地表沉降位移S与地层损失率P之间的关系，为设计与施工方案的优化提供依据，对施工现场周围已有建筑及构筑物的安全隐患起到有效的预测作用。

背景技术：

在现有的盾构隧道施工模型实验技术中，多集中在盾构掘进机模型技术、加载技术、模型变形的立体摄影测量技术、数字照相变形测量技术、隧道模型材料配比研究等方面。主要解决管片结构的受力问题、隧道结构与围岩的相互作用问题、开挖面的稳定性问题、盾构隧道与邻近构筑物相互作用问题，以及盾构隧道渗透性、涌水、壁后注浆效应等问题。而本发明主要是解决盾构隧道施工对地层、地表及建筑物的影响问题。

在现有的模拟装置与方法中，存在一个共同的缺点，就是在模拟盾构隧道施工时无法实现简单精确的控制地层损失量，相应的也就得不到地层损失率与上覆岩土体变形之间的确切关系。本发明研制了一种地层损失模拟系统，作为该模拟方法的核心部分，可较为准确地测量不同地层结构下的隧道施工的地层损失量，与地层和地表的变形监测值相结合，以探索和解决盾构隧道施工对地层、地表及建筑物的影响问题。

发明内容：

本发明方法利用一套自主研发的能够模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，可以获得地表沉降位移S与地层损失率P之间的关系及地层破坏特征。主要解决了以下技术问题：（1）地层损失简单精确的控制。本装置通过在隧道模拟装置周围安装地层损失模拟系统来代替隧道周围扰动土体，将密闭水袋9中的水有步骤的排出，并通过止水阀门12和量桶15精确地控制排水量，由此模拟出地层损失的全过程。（2）模拟装置的简便安装与操作。岩土工程领域的模拟实验通常都需要体积比较庞大的模拟装置来实现，因此，模拟装置的制作、安装与操作往往比较复杂、比较困难。本装置采用模型箱框架1与钢化玻璃块2作为拼装材料，实现了模拟装置的简单拼装与拆卸，不仅操作简易，而且能够回收利用，节省试验成本。

本发明装置的主要技术关键是将模型箱框架1与钢化玻璃标准块2拼装成模型箱后，将相似材料土层6分层填入模型箱并夯实，期间将隧道模拟装置与地层损失模拟系统在预先计算好的位置处植入，最后在表层处安装地表沉降测量系统。地层损失模拟系统启动，通过止水阀门12与量桶15精确控制地层损失量，相应地层发生变形，地表沉降位移S通过地表沉降测量系统精确测出。因此可以简易精确的测出地表沉降位移S与地层损失率P之间的关系。

本发明采用如下技术方案：

一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，包括模型箱及地层系统、隧道模拟系统、地层损失模拟系统、地表沉降测量系统。

模型箱及地层系统，包括模型箱框架1、钢化玻璃块2、基准钢梁5、相似材料土层6、标志线7、隧道孔洞18，进水管及排水管孔洞19；模型箱框架1与钢化玻璃块2连接形成模型箱，相似材料土层6分层填入模型箱并夯实，在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线7，最后钢梁5固定于模型箱顶部纵向中央部位，隧道孔洞18与进水管及排水管孔洞19位于模型箱底部；

隧道模拟装置，包括聚氯乙烯隧道模型8、聚氯乙烯圆板支撑13；3道聚氯乙烯圆板支撑13等间距置于聚氯乙烯隧道模型8的圆孔中，然后用密闭水袋9将聚氯乙烯隧道模型8环向紧密包裹后植入隧道孔洞18中；

地层损失模拟系统，包括密闭水袋9、进水管10、排水管11、止水阀门12、密闭水袋支撑14、量桶15、压力水泵16；密闭水袋支撑14均匀布置于密闭水袋9中，密闭水袋9紧密包围聚氯乙烯隧道模型8，进水管10与排水管11分别连接于密闭水袋9的一侧边缘，并通过进水管及排水管孔洞19引出，进水管10与排水管11上分别配置有一个止水阀门12，进水管10的进水口与压力水泵16连接，排水管11出水口处放置一个量桶15；

地表沉降测量系统，包括百分表3，磁性座4。磁性座4固定于基准钢梁5上，百分表3安装在磁性座4上。

模型箱框架1与钢化玻璃块2通过螺栓连接。

所述的标志线7可换为标志层。

方法所包括的具体步骤如下：

1）确定实验方案及相似参数。本发明方法可以模拟多种地质条件下的隧道盾构施工过程。首先根据实际工程情况及地质勘察报告确定实验方案，然后根据相似理论确定相似参数，包括几何相似常数、重度相似常数、粘聚力相似常数、内摩擦角相似常数、压缩模量相似常数，时间相似常数。