用于模拟盾构下穿既有隧道施工可视化试验装置的制作方法

本发明属于隧道及地下工程领域。

背景技术：

随着城市轨道交通迅猛发展，地铁网络逐渐成网并扩大，开始大量出现新建地铁线路上跨或下穿市政管线、既有线路，其中盾构隧道近距离下穿既有地铁盾构区间尤为引起工程界和学术界的关注。受地质环境条件和施工工艺的限制，新建隧道的盾构推进难免会对周围地层产生扰动，既有隧道在周边土体扰动下易产生诸如纵向不均匀沉降、管片开裂、道床脱开、接头破损、渗漏水等问题，危及行车安全。然而盾构隧道下穿既有盾构隧道是一个涉及到多因素、多元耦合的复杂体系行为和复杂的结构与土相互作用，当前的理论解析中对模型建立的简化导致难以反映下穿全过程既有隧道响应，因此，有必要通过模型实验现象的观测，深刻理解盾构下穿这一复杂、系统工程，系统研究盾构下穿引起既有地铁隧道结构变形及受荷特征、地层运动特征及地表不均匀沉降发展，为优化施工控制措施或施工控制标准提供理论指导，保障下穿施工过程中既有地铁的安全运营。

通过对现有技术的文献检索发现，北京交通大学的发明专利(申请公布号cn107562977):一种盾构下穿施工引起既有隧道变形的预测方法。该方法结合大量已有工程数据，考虑了既有隧道和新建隧道间空间位置关系，对新建盾构隧道施工引起的既有隧道扰动变形进行了预测，为隧道近接下穿工程的风险预测与评估提供了一定的参考。但是上述发明仅研究了盾构下穿施工引起的既有隧道的变形，且其作为一种理论计算模型进行了过多的简化，难以真实描述盾构下穿这一系统复杂行为，并未获得下穿施工过程中地层土体应力状态和位移场，难以展现下穿过程地层土体和既有隧道的相互作用响应。

透明土的基本原理是利用晶体或粉末颗粒材料和与其折射率相同的孔隙流体混合，排出空气得到透明饱和土。通过调整不同的先期固结压力，能使其具有与天然土体类似的岩土工程性质。粒子图像测速(piv)技术是一种流体测量技术，运用图像处理技术划分图像，分析匹配像素，测定整个流场的瞬态位移。使用激光器照射在透明土中可形成散斑场，并用高像素相机拍摄高精度图片，结合piv技术可分析不同时刻土体的位移场，适用于室内模型试验研究。目前我国岩土工程界在该方面应用不多，但其为盾构下穿施工全过程既有隧道扰动变形和周围地层位移场的变化的观测提供了技术支持。而目前粒子图像测速技术研究主要集中于基于高像素相机二维成像的平面位移场和速度场分析，得到的都是二维的位移场和速度场，为进一步获得三维连续的位移场，可采用piv三维成像复原技术，针对盾构下穿施工全过程地层土体和既有隧道的相互作用响应、土体位移场变化等作用机理研究设计观测试验装置和可视化方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于模拟盾构下穿既有隧道施工可视化试验装置，为研究盾构下穿施工全过程地层扰动作用机理，地层土体应力状态和位移场变化，分析既有隧道扰动变形和表面压力分布、以及地表不均匀沉降的发展规律设计模拟试验装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种模拟盾构下穿既有隧道施工可视化试验装置，包括：模型箱、既有隧道模型、调节系统和试验过程测量系统；

一、模型箱

所述模型箱内装有用透明土制备的模拟地层，可采用不同的透明土配比方案模拟砂土和黏土地层，所有模拟施工过程在模型箱中进行。

模型箱下方沿两个短边方向设有支撑钢板，支撑钢板固定在底座上，支撑钢板上设有移动滑轨，连接两块支撑钢板的横梁可以在滑轨上移动。模型箱正上方设有用于固定lvdt位移传感器的横梁，所述横梁两侧由立柱固定在底座上。为减小边界效应对试验的影响，模型箱材质选择比有机玻璃表面更光滑的钢化玻璃，并在模型箱内壁涂抹凡士林减小摩擦。

二、既有隧道模型

所述既有隧道模型按照弹性模量相似原则采用聚乙烯塑料管模拟，模型隧道分布贯穿模型箱内部，隧道两端面固定在模型箱内表面两侧。

三、调节系统

设计为分段式活动门调节系统。

调节系统包括平铺在模型箱下表面的支护板、支护板上方沿盾构施工纵轴线方向上布置的若干半圆壳柱形活动门、安装在可移动横梁上的等速加载仪。受人工安排，安装在可移动横梁上的等速加载仪通过传动杆与支护板连接，并可随横梁在滑轨上移动并依次置于各段活动门下方，从而依次控制各活动门，使其依次下降或上升；

说明：这里活动门不同的位移代表的是不同程度的地层损失或注浆抬升情况，因此在不同位移利用下面的测量系统测量相应物理量就可以分析整个过程的各种物理量的响应过程。四、试验过程测量系统

所述试验过程测量系统由活动门位移测量控制系统、土体表面沉降测量系统、土体内部位移场测量系统、土压力测量系统、隧道表面压力分布测试系统和隧道位移测量系统六个子系统组成，每个子系统采集的数据可实时显示在计算机屏幕上，并最终提供给计算机pc用于数据分析，数据分析部分依赖选购的现有市售的应用软件作为手段再进行必要进行软件开发，其中：

所述活动门位移测量控制系统包括位移传感器、位移控制数据采集仪，位移传感器安装在支护板与传动杆连接处，能够实时测量活动门下降或上升的位移，从而模拟控制盾构掘进过程中不同程度的地层损失或注浆过程。

所述土体表面沉降测量系统包括lvdt位移传感器、数据采集设备，lvdt位移传感器在模型箱正上方垂直于分段式活动门布置轴线方向均匀布置，并固定在上方横梁上，数据采集设备连接传感器和计算机，可测量活动门下降或抬升过程中地表的沉降和隆起情况，并实时显示在计算机屏幕上。所述土体内部位移测量系统包括激光器、ccd相机，在模型箱上方及侧面分别布置激光器照亮试验中所需的观测断面，采用ccd相机拍摄相应观测断面的二维图像并通过连接计算机，由piv数字图像处理应用软件完成图像灰度与土体位移场的匹配，获得活动下降或抬升过程中该截面地层土体位移场，进一步平移激光器从而记录多个平行的观测断面的二维图像，用于后续三维成像复原，最终获得地层土体连续的三维位移场，速度场则由位移场除以时间得到。

所述土压力测试系统包括bw型电阻应变式土压力传感器和采集仪，bw型电阻应变式土压力传感器通过采集仪与计算机连接，土压力传感器在透明土的不同高度分层水平埋置，系统测得活动下降或抬升过程中地层土体应力状态变化。

所述隧道表面压力分布测试系统由矩阵式薄膜压力传感器、数据采集手柄、i-scan软件组成，数据采集手柄一端被连接到传感器手柄上，另一端则被连接到运行有tekscan公司专有的i-scan数据分析软件的计算机usb接口上，根据隧道尺寸优选薄膜传感器的尺寸并均匀铺设在既有隧道模型外表面，两张尺寸合适的0.1mm厚teflon膜包裹薄膜传感器外侧，边界用透明胶带密封，并用透明胶带绑定手柄确保传感器接触良好，可获得活动下降或抬升过程中既有隧道表面的压力分布。

所述隧道变形测量系统由电感式位移传感器和dh3816静态应变数据采集仪，位移传感器安装在既有隧道内部各测试断面的拱顶、拱底及拱腰两侧，并通过采集仪连接到计算机，可获得活动门下降或抬升过程中既有隧道的变形特征。

在试验前需对矩阵式薄膜压力传感器、电感式位移传感器、bw型电阻应变式土压力传感器、lvdt位移传感器和ccd相机进行标定。

所述模型箱采用透明钢化玻璃制成，与透明土共同实现施工全环境可视化。

通过调节制熔融石英砂与混合油的混合体积比达到最佳透明效果，经直剪及三轴试验测定其性质与真实的砂土和黏土相近，可用于模拟砂土地层和黏土地层，并将碳纳米管颗粒加入其中作为示踪粒子。

本发明可视化方法在传统借助激光器和高像素相机仅可采集特定断面二维数字图像，观测二维平面上粒子不连续位移场的基础上，通过平移激光器使ccd相机拍摄多个平行的观测断面的二维图像，并依次进行正交相机参数标定、二维图像先处理、sobel算子边缘识别，在获取图像边缘的条件下重建三维实体轮廓，最终做到三维成像复原，得到透明土粒子的三维连续位移场，三维速度场则由位移场除以时间得到。

进一步的，既有隧道纵轴线与活动门模拟的下穿施工线路纵轴线的竖直距离为l，水平向空间夹角为α，可通过改变既有隧道的位置和走向改变l和α模拟不同下穿方式的盾构掘进过程。如此，根据需要设计既有隧道模型的放置位置和角度，可研究不同穿越方式对既有隧道的影响。

优化以上技术方案，本发明还包括防油密封：在各活动门与两侧支护板、相邻两个活动门之间设置条状封闭防油密封垫，且上下各设一道，保证活动门在抬升或下降过程中均位于上下两道防油密封垫范围内，起到防油作用。

上述的盾构下穿既有隧道施工可视化试验装置进行观测试验的方法，包括以下试验步骤：

首先按照模拟地层的不同分为在砂土地层中的试验和在黏土地层中的试验，对于砂土地层中的试验，按照以下步骤执行：

步骤一：试验前预先以土体的基本物理力学性质指标为控制指标，配制与真实土体性质相似的透明砂土，并在其中加入碳纳米管颗粒作为示踪粒子；

步骤二：对矩阵式薄膜压力传感器、电感式位移传感器、bw型电阻应变式土压力传感器、lvdt位移传感器进行调试和标定，检查将要埋置在土层中的bw型电阻应变式土压力传感器的连接情况，并对其进行编号，将电感式位移传感器安装在测试断面的设计位置，将矩阵式薄膜压力传感器做表面密封防油处理后均匀铺设在既有隧道的表面，保证试验测试正常进行；

步骤三：将配置好的透明砂土按照设定密实度要求定量分层填入模型箱内，装砂时做到对称均匀，每加一层后在该层水平均匀埋置已编号的若干bw型电阻应变式土压力传感器，并将其夯实和整平，在装至指定高度后在指定位置按指定方向放置既有隧道模型，并将其与模型箱内壁固定，然后继续按照分层均匀填土至指定埋深，在模型箱上方横梁安装lvdt位移传感器；

步骤四：在模型箱上方及侧面分别布置激光器，将ccd相机设置在各相应垂直断面上准备拍摄二维图像，并对piv数字图像处理系统进行调试和标定；

步骤五：将等速加载仪和位移传感器安装在可移动横梁上，然后在滑轨上移动横梁将其置于第一道活动门下方，同时向上与支护板连接。

步骤六：所有测量系统调试完毕后，应待测试仪器数据稳定，记录各压力传感器及位移传感器的读数，将其作为每个工况试验测试时的初始读数；开始试验时先将位移传感器置零，按照试验工况控制等速加载仪下降(或抬升)至设定的地层损失(或注浆过程)对应的高度，然后将等速加载仪和位移传感器与第一道活动门下方的支护板断开连接，将等速加载仪复原，移动横梁将等速加载仪和位移传感器置于下一道活动门下方，同样向上与支护板连接，将位移传感器清零，然后同样控制等速加载仪下降(或抬升)活动门至指定高度，以此类推，依次下降(或抬升)各个活动门，模拟盾构机掘进不同的地层损失或注浆过程；

步骤七：试验过程中通过电感式位移传感器与矩阵式薄膜传感器测量试验既有隧道结构变形及与土体接触压力分布形式；通过lvdt位移传感器测量地表沉降或隆起的发展；用bw型电阻应变式土压力传感器测量活动门与既有隧道之间地层土体应力状态的变化；用激光器将片光从模型箱顶部、侧面分别射入放有碳纳米管颗粒的透明土中，通过高像素相机拍照捕捉透明土中碳纳米管颗粒在活动门依次下降(或上升)过程中的分布及运动图像，在计算机上使用数据处理软件控制图像采集并对图像数据进一步处理得到地层土体位移场变化规律；

步骤八：每个工况试验完成后，应待测量系统各传感器读数稳定，记录试验数据，然后卸除主要测试仪器，挖除土体，取出各种传感器及既有隧道模型，再调整试验参数，重复上述的步骤，开始进行另外一组工况的试验。

对于黏土地层中的试验，具体试验步骤与透明砂土相似，但还需要事先对透明黏土进行分层固结，对步骤三需做相应调整，具体调整如下：

调整后的步骤三：将步骤一配制好的透明黏土放入一个与试验模型箱相同尺寸的真空固结装置中，按照试验选取的分层高度分层固结，特别的，在最下层(存在活动门)和存在既有隧道的层固结时，需要在真空固结装置的相应位置放置与活动门和既有隧道相同尺寸的模型进行填充；每一层固结完成之后便将其转移至模型箱内，同样的在各层布置水平均匀埋置已编号的若干bw型电阻应变式土压力传感器并整平，在装至指定高度后在指定位置按指定走向放置既有隧道模型，然后继续按照分层均匀填土至指定埋深，在模型箱上方横梁安装lvdt位移传感器。

通过改变既有隧道模型的位置，从而改变既有隧道与盾构掘进施工纵轴线竖直间距l及两者水平向空间夹角α，模拟盾构掘进施工纵轴线与既有隧道纵轴线处于不同空间位置时的施工工况。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

在不同性质地层、不同盾构与既有隧道空间位置条件下，借助薄膜压力分布测试系统、隧道位移测量系统、土压力测试系统、土体表面沉降测量系统、土体内部位移测量系统在可视化环境中，通过观测记录盾构下穿施工过程中地层土体应力状态和位移场变化、造成既有隧道扰动变形、隧道表面压力分布形式及变化规律和地表不均匀沉降的发展趋势，为既有隧道沉降变形预测和运营保护，优化施工控制措施提供理论指导，对地铁和城市地下工程的发展有着深远意义。

本发明装置还能够模拟各种不利的施工条件，例如局部活动门抬升或下降可模拟既有隧道周边其他地下工程注浆过程和地层空洞发展，溶洞坍塌等情况，借助该装置可进一步探究以上不利施工条件下土体和隧道渐进破坏过程，揭示既有隧道周边荷载变化机理，为既有隧道应急响应措施或加强方案提供参考。

附图说明

图1-1为实施例盾构下穿既有隧道施工模型可视化试验装置示意图，

图1-2为试验测量系统原理图。

图2为实施例盾构下穿既有隧道施工模型可视化试验装置正视图。

图3为实施例盾构下穿既有隧道施工模型可视化试验装置侧视图。

图4为实施例半圆壳柱形活动门布置示意图。

图5为实施例既有隧道各测试断面电感式位移传感器布置示意详图。

图6为实施例薄膜传感器在既有隧道模型的布置示意图。

图7既有隧道模型示意图。

图中：

模型土箱1，支撑钢板13；

透明土2，半圆壳柱形活动门3，既有隧道4，支护板5，可移动横梁14；

传动杆6，位移传感器7，等速加载仪8；

矩阵式薄膜压力传感器9，电感式位移传感器10，lvdt位移传感器11，bw型电阻应变式土压力传感器12；

滑轨15，防油密封垫16；

底座17，两侧立柱18，上方横梁19。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明盾构下穿既有隧道施工可视化模型试验装置包括模型箱装置、分段式活动门调节系统、既有隧道模型和试验测量系统四部分。

图1-1所示为模型试验装置整体三维示意图，模型箱尺寸为700×300×400(mm)，外侧为20mm厚的钢化玻璃，其内装有用透明土制备的模拟地层，所有模拟施工过程在模型箱中进行。既有隧道模型位于下穿施工纵轴线上方l处，本实施例取隧道纵轴线与活动门纵轴线水平向空间夹角为90°，即正交下穿；图1-2为试验测量系统原理图，所示试验测量系统的各种传感器按要求布设在模型箱相应各处，并通过相应采集接口与采集仪和计算机相连。在模型箱上方及侧面分别布置激光器，同时布置ccd相机，ccd相机与安装有选购的piv数字图像处理系统的计算机相连。

图2、3所示为模型试验装置正视图和侧视图，其中，模型箱1下部由支撑钢板13支撑，支撑钢板13固定在底座17上，支撑钢板13之间有滑轨15，连接两个支撑钢板13的横梁14可在滑轨15上移动，模型箱1正上方设有用于固定lvdt位移传感器11的横梁19，横梁两侧由立柱18固定在底座17上；模型箱1内装有透明土2，活动门调节系统位于模型箱1下侧，支护板5平铺在模型箱1下表面，支护板5上方沿盾构施工纵轴线方向上布置的多个半圆壳柱形活动门3，各活动门3下侧与两侧支护板5、相邻两个活动门3之间设置条状封闭防油密封垫16，且上下各设一道；支护板5和活动门3下方的等速加载仪8通过传动杆6与支护板5连接，位移传感器7安装在支护板5与传动杆6连接处，等速加载仪8固定在可移动横梁14上并可按照试验要求移至指定位置；既有隧道4位于盾构施工纵轴线上方l处，两者水平向空间夹角为α；矩阵式薄膜压力传感器9铺设在既有隧道模型4外表面，电感式位移传感器10布置在既有隧道4内部拱顶、拱底及拱腰两侧，bw型电阻应变式土压力传感器12水平和竖直埋置在活动门3与既有隧道4之间的地层土体中，lvdt位移传感器11水平铺设在模型箱1上表面。

图4所示为设置半圆壳柱形活动门布置示意详图，支护板上方沿盾构施工纵轴线方向上布置多个半圆壳柱形活动门，各活动门与两侧支护板、相邻两个活动门之间设置条状封闭防油密封垫，且上下各设一道，保证活动门在抬升或下降过程中均位于上下两道防油密封垫范围内，起到防油作用。

图5所示为各测试断面电感式位移传感器布置示意详图，传感器按水平和竖直分别布置在既有隧道内部各测试断面的拱顶、拱底及拱腰两侧。

电感式位移传感器10的横截面图，使用时0°和180°连线应位于既有隧道4竖直线上，即0°对应的是拱顶，180°对应拱底，而90°和270°连线在既有隧道4中也位于水平线上，90°和270°分别对应两侧拱腰。电感式位移传感器10大小与既有隧道内径适应，并安装在既有隧道内的测试截面。

图6所示为既有隧道模型及薄膜传感器布置示意：根据隧道尺寸优选薄膜传感器的尺寸并均匀铺设在既有隧道4模型外表面。

综上所述，本发明所述的盾构下穿既有隧道施工可视化试验装置及方法经试制试用被证明效果良好：

1)采用透明土和piv等可视化技术能够实现盾构下穿既有隧道施工全过程的完全三维可视。

2)试验研究手段中利用本发明能够详细观测和记录盾构掘进过程中既有隧道变形与隧道结构压力以及地表沉降的变化规律，并对全过程土体应力状态和连续位移场变化规律进行分析研究。

3)盾构施工线路与既有隧道的空间关系可通过调整既有隧道位置与走向进行调整。

4)本装置及方法适用于砂土地层和黏土地层，具有较好的普适性。

5)本装置设计功能全面、结构布局合理且可重复使用。

6)本装置还够模拟各种不利的施工条件，例如局部活动门抬升或下降可模拟既有隧道周边其他地下工程注浆过程和地层空洞发展，溶洞坍塌等情况，借助该装置可进一步探究以上不利施工条件下土体和隧道渐进破坏过程，揭示既有隧道周边荷载变化机理，为既有隧道应急响应措施或加强方案提供参考。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。