[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權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域：

本發(fā)明屬于地下工程實驗技術領域，可以模擬盾構隧道施工引起地層變形的過程，簡單精確的描繪出地表沉降位移S與地層損失率P之間的關系，為設計與施工方案的優(yōu)化提供依據，對施工現場周圍已有建筑及構筑物的安全隱患起到有效的預測作用。

背景技術：

在現有的盾構隧道施工模型實驗技術中，多集中在盾構掘進機模型技術、加載技術、模型變形的立體攝影測量技術、數字照相變形測量技術、隧道模型材料配比研究等方面。主要解決管片結構的受力問題、隧道結構與圍巖的相互作用問題、開挖面的穩(wěn)定性問題、盾構隧道與鄰近構筑物相互作用問題，以及盾構隧道滲透性、涌水、壁后注漿效應等問題。而本發(fā)明主要是解決盾構隧道施工對地層、地表及建筑物的影響問題。

在現有的模擬裝置與方法中，存在一個共同的缺點，就是在模擬盾構隧道施工時無法實現簡單精確的控制地層損失量，相應的也就得不到地層損失率與上覆巖土體變形之間的確切關系。本發(fā)明研制了一種地層損失模擬系統(tǒng)，作為該模擬方法的核心部分，可較為準確地測量不同地層結構下的隧道施工的地層損失量，與地層和地表的變形監(jiān)測值相結合，以探索和解決盾構隧道施工對地層、地表及建筑物的影響問題。

發(fā)明內容：

本發(fā)明方法利用一套自主研發(fā)的能夠模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，可以獲得地表沉降位移S與地層損失率P之間的關系及地層破壞特征。主要解決了以下技術問題：（1）地層損失簡單精確的控制。本裝置通過在隧道模擬裝置周圍安裝地層損失模擬系統(tǒng)來代替隧道周圍擾動土體，將密閉水袋9中的水有步驟的排出，并通過止水閥門12和量桶15精確地控制排水量，由此模擬出地層損失的全過程。（2）模擬裝置的簡便安裝與操作。巖土工程領域的模擬實驗通常都需要體積比較龐大的模擬裝置來實現，因此，模擬裝置的制作、安裝與操作往往比較復雜、比較困難。本裝置采用模型箱框架1與鋼化玻璃塊2作為拼裝材料，實現了模擬裝置的簡單拼裝與拆卸，不僅操作簡易，而且能夠回收利用，節(jié)省試驗成本。

本發(fā)明裝置的主要技術關鍵是將模型箱框架1與鋼化玻璃標準塊2拼裝成模型箱后，將相似材料土層6分層填入模型箱并夯實，期間將隧道模擬裝置與地層損失模擬系統(tǒng)在預先計算好的位置處植入，最后在表層處安裝地表沉降測量系統(tǒng)。地層損失模擬系統(tǒng)啟動，通過止水閥門12與量桶15精確控制地層損失量，相應地層發(fā)生變形，地表沉降位移S通過地表沉降測量系統(tǒng)精確測出。因此可以簡易精確的測出地表沉降位移S與地層損失率P之間的關系。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種模擬地鐵盾構隧道施工引發(fā)地層變形的試驗裝置，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。

模型箱框架1與鋼化玻璃塊2通過螺栓連接。

所述的標志線7可換為標志層。

方法所包括的具體步驟如下：

1）確定實驗方案及相似參數。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。首先根據實際工程情況及地質勘察報告確定實驗方案，然后根據相似理論確定相似參數，包括幾何相似常數、重度相似常數、粘聚力相似常數、內摩擦角相似常數、壓縮模量相似常數，時間相似常數。