专利名称：城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种城市盾构隧道施工 诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置。
背景技术：
近年来，我国城市化水平的迅速提高带动了城市地下轨道交通系统的快速发展。 盾构法隧道施工由于可以较小程度地对地面交通产生影响而越来越广泛的被应用于地下 铁道的建设中，该工法已经成为我国城市地下轨道交通系统中的一种重要施工方法。然而， 在隧道的修建过程中，由于地质条件和施工工艺的限制，盾构机压力舱支护压力与地层土、 水压力不平衡导致开挖面前方土体移动以及盾尾空隙的闭合造成地层损失，周围孔隙水压 变化等原因，都会使土层原始应力重新分布，原有的土体平衡状态遭到破坏，最终引起周围 地层变形及地表沉降，特别是在软土盾构隧道中尤为明显。在现场施工过程中，地表沉降发 生的概率很高，南京地铁1号线施工过程中，在汉口路与中山路交汇处曾发生面积约15 m2, 深为2 m的地面道路沉陷，严重影响了地面的正常交通；深圳地铁1号线施工期内地面沉降 事故占了总事故的25 %，其中一期工程暗挖施工段最大地表沉降达到了 300 mm。2008年 11月杭州萧山湘湖段发生地铁施工塌方事故，导致风情大道75米路面坍塌，下陷达15米， 并造成十几人的重大伤亡事故。因此亟待针对城市盾构隧道施工诱发的地表沉陷机理以及 演变规律进行研究，从而为地铁隧道施工和运营提供良好咨询和建议。目前国内外针对城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的研究主要集中在数值模拟方 法、现场监测方法以及室内一般物理模型试验上。数值模拟方法相对比较成熟，但是存在的 不足之处主要有(1) 土体物理力学参数对数值模拟结果影响很大，然而由于测试仪器设 备的限制，很难得到精确的各项土体参数；(2)数值模拟方法对土体的应力历史以及边界 条件难以完全模拟，从而造成结果的偏差。现场监测方法的不足之处主要有(1)由于仪器 设备以及人为观察因素的限制，现场结果具有一定偏差；(2)现场预埋测试元件较难保护， 非常容易在施工中损坏，从而延误监测；(3)现场监测需要大量人力物力财力的支持，尤其 针对隧道施工引起的土体长期沉降监测，更加不容易实施，并且时效性较差。室内一般物理 模型试验最大的缺点就是无法再现现场土层在真实重力状态下的初始应力状态，而土工离 心试验作为一种先进的物理模拟手段，能够通过施加适当的离心力再现原型应力状态，非 常适用于进行岩土及地下工程的机理研究，从而使其成为研究该问题的首选方法之一。土工离心试验技术是近二三十年迅速发展起来的一项崭新的土工物理模型技术， 其原理是通过在模型上施加离心惯性力使模型的容重增大，从而使模型的应力状态与原型 一致。具体来讲，将原型尺寸1/n实验模型置于ng离心重力场中，试验模型自重将增大η 倍，则模型中每点所受到的应力与原型中相应点的应力相同，这也就是离心模型试验的相 似性定律。
发明内容
本发明目的在于针对该领域现有研究方法的不足之处，提出一种城市盾构隧道施 工诱发地表沉陷的离心试验模拟方法，从而提高对盾构隧道施工土工环境效应的模拟，加 深对盾构隧道施工土工环境效应的机理认识。本发明目的是由以下技术方案实现的
本发明提出的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置，由模型箱1、 有机玻璃窗2、位移计小支架3、位移计大支架4、隧道开挖模拟装置5、进水导管6、出水导管 7、进水电磁阀8、出水电磁阀9、乳胶带10以及LVDT (线性可变差分变压器)位移计11组成。本发明中的模型箱1为中部空心的长方体结构，其前侧面为有机玻璃窗2，便于进 行土层标注以及外部同步摄影；其顶面可以设置为开口，便于放置测量仪器位移计小支架 3和位移计大支架4，其中顶面四周均布置有锚孔以便固定仪器支架；其余四面均为铝合金 板，适于承受较大离心场力。本发明中位移计小支架3可以供5个LVDT位移计11同时进行测量，其位移计水 平方向固定，不可调节，但垂直方向可以根据试验需要进行调节；位移计大支架4可以供5 个LVDT位移计11同时进行测量，其位移计水平方向和垂直方向均可以根据试验需要进行 调节。其特征在于通过位移计沿水平方向和垂直方向的多方位调节，可以实现对地表沉陷 和内部土层变形的测量。本发明中的隧道开挖模拟装置5放置于模型箱1中部位置，其具体位置根据试验 要求确定；开挖装置5中间为一空心黄铜管12，外部围有一橡皮膜13，空心黄铜管12和橡 皮膜13之间形成环状水腔14，水体注满后容积可达0. 031 m3 ；开挖装置5侧面接近两端及 端面处沿径向缠绕有乳胶带10，以使空心黄铜管12与橡皮膜13间形成封闭空间构成模拟 隧道开挖的重要结构，其中一端连有进水导管6，进水导管6与进水电磁阀8连接，另外一端 连有出水导管7，出水导管7与出水电磁阀9连接，由进水电磁阀8以及出水电磁阀9引出 的导管分别连接离心机的液体控制系统。其特征在于通过排放一定量的水来模拟地层损 失引起的土体变形。本发明的工作过程如下隧道开挖模拟装置5按照模型设计图制作完毕，将进水 电磁阀8以及出水电磁阀9引出的液体导管分别连接到离心机的液体控制系统，此时进水 电磁阀8以及出水电磁阀9呈关闭状态。在模型箱1内壁四周涂抹硅油，以便减小箱体与 土体的摩擦。加入调制好的隧道下部第一层试验土，其土层厚度达200 mm。继续填土直至达到300 mm厚度，即填完隧道下卧层土，然后放入隧道开挖模拟装 置5，隧道开挖模拟装置5两侧用乳胶带10缠绕，通过水准尺测量使隧道开挖模拟装置5水 平，打开进水电磁阀8将隧道开挖模拟装置5内充入水，水体注满后容量可达0.031 m3，隧 道开挖模拟装置5水充满后进水电磁阀8关闭。继续填土直至填完，总厚度达450 mm。在 填土过程中，要预先将LVDT延伸计埋到指定位置以便测量土体内部变形。将模型箱1运用吊车装置放置于土工离心机系统中，离心机主要由下部支座15、 上部支座16、主驱动轴17、连接横轴18、离心配重19等组成，其中下部支座15固定在地板 20上，上部支座16固定在天花板21上，主驱动轴17与离心电机相连并获取动能，模型箱1 挂杆与连接横轴18活动铰接22，以使模型箱1与离心加速度方向保持一致。启动离心机， 离心主驱动轴17将带动连接横轴18转动，同时带动模型箱1同速转动，直到达到预定离心加速度100g，此时离心场稳定，之后打开出水电磁阀9，释放隧道开挖模拟装置5中水体， 以0. 3%/分速率放水达到6% 土体损失，增加到0. 7%/分达到10% 土体损失，中间重点记录 0. 3%、0· 4%、0· 5%、0· 6%、1%、2%、3%、5%、6%、8%以及10% 土体损失比时各类测试仪器读数，从 而可以观测盾构隧道施工诱发地表沉陷值以及内部土体位移值。在离心机运行工程中，地表沉降形态以及演化过程可以通过离心机室内高倍同步 摄影机获取。结合LVDT位移计测量结果以及高倍同步摄影图像，可以较好地对城市盾构隧 道施工诱发的地表沉陷机理进行研究。本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点本发明可提供在高速离心场中狭 小空间内模拟城市盾构隧道施工诱发的地表沉陷灾害并进行精确测量。本测试装置特点如 下
(1)本试验模拟系统可承受最大离心加速度150g；
(2)对隧道模型自由端的约束符合实际情况，隧道管两端的乳胶带可以起到防震作
用；
(3)功能与构造紧密结合，利用离心机容易模拟长期沉降的优点，可以在几十小时内 模拟几十年后的沉降，缩短了研究时间，并能很好地模拟实际隧道在土中的应力水平等参 数；
(4)本试验各种设备可以手工制作，可以广泛投入到相关科研之中，同时试验方案具有 较强扩展性，可以进一步应用到城市盾构隧道施工对临近既有建(构)筑物的变形影响研究 中；
(5)利用本套模拟测试装置进行隧道施工环境土工效应的试验研究，可以促进相关专 业学科的理论研究，同时可为隧道工程现场施工及运营提供良好的咨询与建议。
附图1为本发明的模型箱内模拟测试装置示意图； 附图2为本发明的附图IA-A断面示意附图3为本发明的离心机系统示意图； 附图4为本发明的测量实施示意图； 附图5为本发明的位移计支架示意图。
具体实施例方式结合附图，通过一个优选实施例对本发明作进一步的详细说明如图1和图2所 示，模型箱1外形呈长方体，净尺寸为800mmX500mmX500mm (长X宽X高)，由6个侧面 拼接组成。前侧面为30mm厚的有机玻璃窗2，有机玻璃窗2便于试验准备过程中标注以及 试验运行过程中摄像，其它侧面为30mm厚的硬质合金铝板。隧道开挖模拟装置5中间为一 空心黄铜管12，外径为50mm，内径为46mm，壁厚为2mm，长度为480mm，外侧一周围有厚度为 Imm的橡皮膜13，注满水后可形成一个4mm厚度的环状水腔14。隧道开挖模拟装置5侧面 距离两端沿径向及端部套有定制的乳胶带10，轴向宽度为15mm，厚度为5mm。进水电磁阀8 和出水电磁阀9均为通用型号，进水导管6和出水导管7外径均为5mm，壁厚均为0. 5mm,由 进水电磁阀8引出的进水导管6以及由出水电磁阀9引出的出水导管7连接上离心机的液体控制系统。 图3所示，土工离心机离心能力可达150g · t，最大离心加速度可达200g，有效旋 转半径达3. 0m，在本实施例中，离心加速度为100g。如图4和图5所示，位移计小支架3固 定在模型箱1顶面，长度为800mm，宽度为120mm，其轴线位置60mm处开有5个外径为60mm 的预留小孔，便于LVDT位移计11的固定，小孔23孔中心位置与模型箱1 一侧观外缘距离 为215mm，小孔23孔中心位置与小孔M孔中心位置距离为100mm，小孔M孔中心位置与小 孔25孔中心位置距离为100mm，小孔25孔中心位置与小孔沈孔中心位置距离为100mm，小 孔沈孔中心位置与小孔27孔中心位置距离为100mm，在本实施例中，该处位移计用于土体 内部变形测量。位移计大支架4固定在模型箱1顶面，长度为800mm，宽度为180mm，其以轴 线位置90mm处为对称位置，开有长度780mm，宽度80mm的长方形孔，便于LVDT位移计11 的固定，在本实施例中，小孔四孔中心位置与模型箱1 一侧；34外缘距离为125mm，小孔四 孔中心位置与小孔30孔中心位置距离为130mm，小孔30孔中心位置与小孔31孔中心位置 距离为130mm，小孔31孔中心位置与小孔32孔中心位置距离为100mm，小孔32孔中心位置 与小孔33孔中心位置距离为100mm，该处位移计用于土体表面变形测量。
权利要求
1.一种城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置，由模型箱(1)、有 机玻璃窗(2)、位移计小支架(3)、位移计大支架(4)、隧道开挖装置(5)、进水导管(6)、出水 导管(7)、进水电磁阀(8)、出水电磁阀(9)、乳胶带(10)以及LVDT位移计(11)组成，其特征 在于模型箱(1)为中部空心的长方体结构，其前侧面为有机玻璃窗(2)，其顶面开口，便于 放置位移计小支架(3 )和位移计大支架(4 )；隧道开挖装置(5 )放置于模型箱(1)中部位置， 其中部为一空心黄铜管(12)，外部围有一橡皮膜(13)，空心黄铜管(12)和橡皮膜(13)之间 注有液体水(14)。
2.根据权利要求1所述的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置， 其特征在于模型箱(1)放置于土工离心机中，离心主驱动轴(17)带动连接横轴(18)转动， 同时带动模型箱(1)同速转动，直至达到预定离心加速度。
3.根据权利要求1所述的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置， 其特征在于位移计小支架(3)开有小孔(23、M、25J6、27)；位移计大支架(4)开有小孔 (29、30、31、32、33)。
4.根据权利要求1所述的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置， 其特征在于隧道开挖装置(5)侧面接近两端及端面处沿径向缠绕有乳胶带(10)，其中一端 连有进水导管(6)，进水导管(16)与进水电磁阀(8)连接，另外一端连有出水导管(7)，出水 导管(7)与出水电磁阀(9)连接，由进水电磁阀(8)以及出水电磁阀(9)引出的导管分别连 接离心机的液体控制系统。
5.根据权利要求1所述的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置， 其特征在于所述模型箱(1)的其余五个侧面均采用铝合金板。
6.根据权利要求1所述的城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置， 其特征在于所述模型箱(1)内壁四周均涂抹硅油，且模型箱(1)内部填有试验用土。
全文摘要
本发明属岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种城市盾构隧道施工诱发地表沉陷的离心试验模拟测试装置。该测试装置主要由模型箱、位移计小支架、位移计大支架、隧道开挖装置以及LVDT(线性可变差分变压器)位移计等构成。其中，模型箱为中部空心的长方体；位移计小支架和位移计大支架通过沿水平方向和垂直方向多方位调节LVDT位移计，可以实现对地表沉陷和内部土层变形的测量；隧道开挖装置可以通过排放一定体积的水来模拟地层损失引起的土体变形。本发明能够更方便、更真实有效地模拟出城市盾构隧道施工对周围地层的变形影响，为隧道设计与施工提供更真实准确的实验数据，保障城市盾构隧道建设的高效与安全。
文档编号G01C5/00GK102071943SQ20101058441
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者张孟喜, 张治国, 黄茂松 申请人:上海大学