一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置的制作方法

本发明涉及一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置，适用于研究盾构开挖面失稳过程中土体变形破坏的时空演化规律。

背景技术

盾构机问世至今已有190多年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。由于盾构法开挖引起地表沉降小，掘进速度快，隧道成型质量较好，机械化程度高，造价低，具有很高的技术经济优越性，如今已成为地下隧道工程建设中最常用的方法。由于盾构开挖是一个三维推进的动态过程，在盾构机的掘进过程中，隧道环向土体位移可以通过及时施加管片衬砌加以控制，但在隧道的掘进方向，无论采用哪种施工方法，保证开挖面稳定而施加的支护力的控制都难以做到完全等效于原始地应力，开挖面支护力的增大或减小，都会引起周围土体发生相应的位移乃至发生重大事故，因此对于开挖面稳定性的研究不可或缺。

模型试验因为便于控制试验参数和较好的经济性，在隧道开挖面稳定性的研究中得到了广泛应用。现有隧道开挖面稳定性模型试验根据相似比确定模型箱的设计尺寸和模型土，通过开挖面位移的方式模拟开挖面的失稳过程，在土体表层设置位移计观测土体表面的土体变形规律，在土体内部埋设土压力盒观测失稳过程中的土体压力变化规律，由此得到开挖面失稳破坏的变化规律。

虽然现有模型试验装置能够得出开挖面失稳前和失稳后土体表的变化情况，但是仍然存在比较严重的缺点：

(1)与实际工况不符：影响开挖面稳定性的主要因素是支护力的大小，支护力不足导致开挖面失稳。而现有模型试验采用开挖面位移模拟盾构开挖面失稳破坏的过程，试验过程主要影响因素是位移的大小而不是支护力的改变，因而常规试验并不完全符合实际工况，也无法得到支护力这一主要影响因素与土体内部变形的关系。

(2)测量局限性较大：只能观测到开挖面失稳过程中土体表面沉降的变化规律，无法观测土体内部的变形规律。

(3)试验数据失真：采用探入式测量工具进行测量，会改变试验土体的性质已经发生改变，试验结果存在各种不确定性。

近些年来，随着透明土模型的发展和数字图像处理技术在岩土工程中的应用，使得对土体内部细观变形的研究成为可能，应用透明土作为模型试验土层，结合数字图像处理技术、激光散斑技术，通过模拟开挖面支护力变化过程对盾构施工过程中幵挖面周围土体变形破坏进行观测，得到开挖面失稳破坏全过程土体变形破坏的时空演化规律。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于透明土的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，可以动态模拟开挖面失稳破坏的发生过程，研究影响开挖面稳定性的诸多因素，为盾构法施工提供理论指导。技术方案如下：

一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置，包括用于容纳透明土的透明模型箱和用来模拟施工中隧道的管道，管道一端伸入模型箱内，一端伸出模型箱外，其特征在于，在管道的伸入模型箱内的一侧通过橡胶膜保持密闭且松弛；管道上配置压力表，并通过设置有止气阀的软管与空气压缩机相连；在模型箱的上方固定有用来生成横向和纵向的激光切面的十字激光器；在模型箱周边固定有相机，相机拍摄的图像被送入计算机。

优选地，所述的管道为pvc管。所述的相机有两个，一个位于模型箱的上方，另一个位于模型箱的侧面。

本发明具有显著的科研价值和实用价值，可为施工和科研单位进行盾构开挖面失稳破坏规律研究开辟新的途径。与现有的盾构隧道开挖面稳定性试验装置相比，本发明具有以下几个方面的优点：

(1)通过模拟支护力减小的过程模拟开挖面失稳的发生过程，与常规模型试验采用位移法模拟开挖面失稳破坏模式相比，能够更真实的模拟实际工况。

(2)通过气压的逐级减小模拟开挖面失稳过程中支护力不足导致开挖面失稳的过程，得到支护力与土体变形的关系，为研究支护力变化与土体的变化规律及其关联性提供参考。

(3)可以非接触、连续地测量开挖面失稳全过程土体内部的变形场，在不破坏土体性质的条件下得到开挖面失稳破坏全过程土体的时空演化规律。

(4)试验影响因素可控。相比于现场试验，可以模拟支护力、埋深比、土体性质等因素对开挖面稳定性的影响。可以根据研究变量的不同，控制各种试验条件，达到研究目的。

附图说明

图1是整个试验装置的正视图；

图2是整个试验装置的侧视图；

图3是主要试验装置的俯视图。

试验装置包括模型试验系统和图像采集、处理系统。图中标号说明：1.模型箱；2.pvc管；3.橡胶膜；4.压力表；5.软水管；6.空气压缩机；7.止气阀；8.放气阀；9.支架；10.十字激光器；11.ccd相机；12.ccd相机；13.数据线；14.四通接头；15.透明土；16.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行说明。

如图1-3所示，本发明的模拟隧道开挖面失稳破坏变形的新型试验装置，利用物理学中压力平衡原理，通过调整pvc管中气压大小动态模拟开挖面失稳破坏变形和稳定性的影响。本发明包括：

透明模型箱1，尺寸为40*30*50cm(长*宽*高)，厚度为15mm，在模型箱内进行隧道开挖试验；

pvc管2，长度70cm，外径为50mm、厚度为2mm，模拟施工中的隧道。pvc管2一端伸入模型箱内15cm，一端接通软水管和气压装置；

橡胶膜3，固定在伸入模型箱的pvc管侧保持密闭且松弛(松弛的目的在于防止橡胶膜本身干扰土体的自由变形)；

压力表4，配置在pvc管上测量管内气压；

放气阀8，配置在pvc管伸出模型箱的一侧；

软水管5，用来连接隧道模型和空气压缩机接；

四通接头14，连接pvc管、压力表、软水管、放气阀；

空气压缩机6，连接软水管给pvc管注入气压；

支架9，用来悬挂十字激光器；

十字激光器10，悬挂在模型箱的顶部生成横向和纵向的激光切面；

ccd相机11,21，两台。同步拍摄透明土横、纵两个方向的激光切面图像；

数据线13，传输ccd相机拍摄的图像到计算机；

计算机16，接收ccd相机拍摄的图像后采用piv软件进行后处理。

所述的发明装置的使用方法，包括下列步骤：

(1)按照图1所示准备好试验设备和器材。配置合适的透明土，用于模拟试验土样。检查激光光源、ccd相机、加压装置是否能正常工作，试加压检查pvc管的气密性。

(2)在模型箱中放置透明土逐渐埋设至指定高度，与此同时pvc管内缓缓加注气压至土体静压力，待透明土埋设完成时橡胶膜内外压力相同，静置一段时间，此时开挖面处于初始的稳定状态。

(3)打开十字激光器，缓慢增强激光强度至亮度足够，合理调整激光角度，在模型箱内pvc管橡胶膜前方半个直径距离处和沿pvc管切面方向分别形成一个垂直箱底的纵向和横向的稳定均匀的激光切面。试验进行过程中最好在黑暗的空间进行，激光的照射区域更明亮，拍摄成像的效果也更好。

(4)打开ccd相机，调整相机的位置和高度使其镜头所在平面平行于模型箱外表面，调整相机视场使其能涵盖整个开挖面失稳面后采集图像，通过数据线传输到电脑piv软件进行图像处理，形成土体内部三维变形场，为开挖面失稳前土体稳定状态。

(5)打开气阀逐级减小气压，模拟开挖面失稳过程中支护力变化导致开挖面失稳破坏的过程，在每一级卸载完成后，静置一段时间待透明土变形充分稳定后采用成像系统进行数据采集，得到各级支护力对应的土体三维变形场。

本发明可以用来模拟开挖面失稳全过程中支护力变化引起的土体内部三维变形规律。

该方法简单易行，通过合理设计，既能分析隧道开挖面失稳全过程中土体变形破坏的时空演化规律，又能够分析支护力大小的改变对开挖面失稳过程的影响，与实际工程更为接近。