[發(fā)明專利]模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置及方法

無效

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• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103105310A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發(fā)明（設計）人: 姚愛軍;王成;房師軍;彭虎;翟玉新
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01N33/24
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

1.一種模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，其特征在于：其包括模型箱及地層系統(tǒng)、隧道模擬系統(tǒng)、地層損失模擬系統(tǒng)、地表沉降測量系統(tǒng)；

模型箱及地層系統(tǒng)，包括模型箱框架(1)、鋼化玻璃塊(2)、基準鋼梁(5)、相似材料土層(6)、標志線(7)、隧道孔洞(18)，進水管及排水管孔洞(19)；模型箱框架(1)與鋼化玻璃塊2連接形成模型箱，相似材料土層(6)分層填入模型箱并夯實，在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線(7)，最后鋼梁5固定于模型箱頂部縱向中央部位，隧道孔洞(18)與進水管及排水管孔洞(19)位于模型箱底部；

隧道模擬裝置，包括聚氯乙烯隧道模型(8)、聚氯乙烯圓板支撐(13)；3道聚氯乙烯圓板支撐(13)等間距置于聚氯乙烯隧道模型(8)的圓孔中，然后用密閉水袋(9)將聚氯乙烯隧道模型(8)環(huán)向緊密包裹后植入隧道孔洞(18)中；

地層損失模擬系統(tǒng)，包括密閉水袋(9)、進水管(10)、排水管(11)、止水閥門(12)、密閉水袋支撐(14)、量桶(15)、壓力水泵(16)；密閉水袋支撐(14)均勻布置于密閉水袋(9)中，密閉水袋(9)緊密包圍聚氯乙烯隧道模型(8)，進水管(10)與排水管(11)分別連接于密閉水袋(9)的一側邊緣，并通過進水管及排水管孔洞(19)引出，進水管(10)與排水管(11)上分別配置有一個止水閥門(12)，進水管(10)的進水口與壓力水泵(16)連接，排水管(11)出水口處放置一個量桶(15)；

地表沉降測量系統(tǒng)，包括百分表(3)，磁性座(4)；磁性座(4)固定于基準鋼梁(5)上，百分表(3)安裝在磁性座(4)上。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，其特征在于：模型箱框架(1)與鋼化玻璃塊(2)通過螺栓連接。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，其特征在于：所述的標志線(7)可換為標志層。

4.基于權利要求1所述一種模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置的模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的室內(nèi)模型實驗方法,其特征在于：方法所包括的具體步驟如下：

1）確定實驗方案及相似參數(shù)；本發(fā)明方法可以模擬多種地質條件下的隧道盾構施工過程；首先根據(jù)實際工程情況及地質勘察報告確定實驗方案，然后根據(jù)相似理論確定相似參數(shù)，包括幾何相似常數(shù)、重度相似常數(shù)、粘聚力相似常數(shù)、內(nèi)摩擦角相似常數(shù)、壓縮模量相似常數(shù)，時間相似常數(shù)；

2）配比模型相似材料；根據(jù)實際工程地質情況及相似參數(shù)計算出模型相似材料的物理力學指標，包括幾何尺寸、重度、摩擦角、粘聚力、壓縮模量等；然后選擇相似材料進行土工試驗，調整各物質的配合比，直至使材料的相似條件滿足要求；

3）組裝模型裝置；具體組裝步驟如下：

A、取標準塊組合模型箱；

B、根據(jù)實驗室配比好的相似材料(6)按幾何比例填入模型箱內(nèi)；當相似材料(6)填埋到隧道孔洞(18)底邊切線時，用密閉水袋(9)緊密包圍聚氯乙烯隧道模型(8)后放入隧道孔洞(18)內(nèi)，將進水管(10)與排水管(11)經(jīng)進水管及排水管孔洞(19)引出，利用壓力水泵(16)向密閉水袋(9)中注滿高壓水，關閉進水管(10)與排水管(11)上的止水閥門(12)；然后繼續(xù)向模型箱中分層填入相似材料(6)并夯實，并在需要觀察內(nèi)部土層沉降的深度處植入標志線或標志層(7)，分別填撒一薄層滑石粉，供試驗中觀測使用；

C、待相似材料(6)全部裝入模型箱內(nèi)后，用螺絲將鋼梁(5固定于模型箱頂部縱向中央部位；

D、平整相似材料(6)的表面，然后在需要測量地表沉降的位置處，將磁性座(4)固定于基準鋼梁(5)上，并將百分表(3)安裝在磁性座(4)上；

4）模擬隧道開挖；待相似材料(6)土體穩(wěn)定之后，進行隧道開挖模擬；打開排水管(11)的止水閥門(12)，用量筒(15)收集密閉水袋(9)放出的水，排出水的體積與隧道模型總體積之比即為地層損失率；模擬過程按地層損失率1%的增量梯度分4-6步進行，并按1小時時間間隔記錄百分表(3)的讀數(shù)及觀察土體破壞情況，每一步卸荷都是在上一次卸荷后百分表(3)連續(xù)兩次讀數(shù)差值小于0.01mm后即土體穩(wěn)定后再進行；記錄試驗期間，記錄時間、地層損失率、百分表讀數(shù)及地層破壞情況，并繪制成表格；

5）數(shù)據(jù)分析；根據(jù)上述步驟記錄的數(shù)據(jù)繪制出以下兩條關系曲線：

A、地表沉降位移S與開挖時間t之間的S-t曲線；

B、地表沉降位移S與地層損失率P之間的S-P曲線；

以上兩條曲線得到盾構隧道開挖造成的地表沉降位移S與開挖時間t及地層損失率P之間的對應關系。