专利名称：一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土及地下工程的隧道工程领域，尤其是涉及一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置。
背景技术：
在隧道开挖掘进的过程中，对开挖面施加合理的支护压力是保证施工安全的关键。开挖面支护压力过小会造成开挖面坍塌破坏，而支护压力过大会造成地面隆起。当前针对支护压力的研究主要有理论、数值和试验方法。现今，数值模拟方法由于其简便、快捷、成本低廉而得到广泛的应用。其可以基于一些假设用计算机就可以分析盾构隧道开挖时由于支护压力不足或过大而导致的开挖面破坏。但是数值模拟方法存在着一些明显的不足。首先，土体作为自然材料，土体的物理参数及力学特性的测试是近似的，而测试值用于数值模拟的计算参数中必然会造成数值计算的结果同实际情况有较大出入。其次，土体是三相介质，在自然状态地层中是非均质分布的，然而数值计算过程中只能将土体视为均质分布。由于土木工程尤其是岩土工程的自重应力影响巨大，而岩土离心试验可以模拟原型的自重应力，可以正确的模拟应力随深度的变化，且可以模拟自然状态下的土体的分布。所以近年来离心模拟技术就成为预测和验证的不可替代的手段，在工程建设和科学研究中被广泛的应用。对于离心场下盾构隧道开挖面稳定和变形的模拟主要有两种方法:一种是用应力控制的柔性支护面提供支护压力，另一种是用位移控制的刚性支护面。本发明就是设计一套用于研究盾构隧道开挖面稳定性的离心模型试验配套装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、使用方便、运行稳定灵敏的盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，包括模型箱，所述的模型箱的前侧为有机玻璃窗，模型箱的上侧设有开口，所述的模型箱设在离心试验机内，所述的模型箱内设有模型隧道、隧道刚性支护面、动力组件、传动组件及数据采集组件，其中，模型隧道位于模型箱中，模型隧道的外侧充填试验地基土 ；隧道刚性支护面设在模型隧道内部的顶端；动力组件设在模型隧道的外侧,动力组件包括依次连接的三相异步电机、无级变速器及蜗轮减速器；传动组件设在模型隧道内部，传动组件包括动力丝杆、丝杆螺母、推动板拉杆及连接固定盘，所述的动力丝杆的一端与蜗轮减速器连接，另一端通过丝杆螺母与推动板拉杆连接，推动板拉杆的另一端通过连接固定盘与隧道刚性支护面连接；数据采集组件包括力传感器、LVDT位移计及土压力计，所述的力传感器与连接固定盘连接，所述的LVDT位移计设有两个，分别固定在模型隧道内，LVDT位移计的测试杆顶接在隧道刚性支护面的后表面，所述的土压力计分别沿纵向及横向设置在模型隧道外侧的试验地基土内；动力组件通过传动组件为隧道刚性支护面提供动力，带动隧道刚性支护面移动，实现对隧道刚性支护面的位移控制，模拟隧道开挖面土体失稳的过程，数据采集组件同步采集数据。所述的三相异步电机、无级变速器及蜗轮减速器的外侧设有隔绝试验地基土的电机固定挡板。其中，三相异步电机固定转速，无级变速器和三相异步电机组合可以降低输出转速并能进行转速调整，蜗轮减速器和无级变速器组合可降低输出转速。通过调节无级变速器和增减蜗轮减速器的数量就能达到对动力输出转速快慢的控制。380v电源通过电缆线和航空插头与离心机电源连接为三相异步电机供电。所述的三相异步电机与电机可控开关连接，所述的电机可控开关设有正转、反转和停止档位，可以通过改变电流输入方向来控制三相异步电机的正转、反转及停止。该装置还包括监视组件，所述的监视组件设在模型箱的外侧，进行图像采集，所述的监视组件为照相机或摄像机。所述的动力丝杆与丝杆螺母之间螺纹连接，丝杆螺母通过螺纹将动力丝杆的角速度转换成前后方向的线速度，并将该线速度传递给推动板拉杆。所述的蜗轮减速器设有I 5个。在进行隧道开挖面隆起破坏试验时，所述的隧道刚性支护面的外侧设有挡土结构，防止试验地基土进入模型隧道内部。所述的模型箱为长方体，中空结构，模型箱的前侧为有机玻璃窗，以便于试验过程中对隧道的位移和变形进行观察和记录。模型箱的下底、后面、及左右面为刚性铝合金面，上表面设置开口用于方便试样制作。本发明的盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置的操作过程如下:一、模型试样制作。首先清洗模型箱，清洗有机玻璃窗，使其具有较好的可视效果从而达到较好的成像质量。按照试验方案所设计的位移控制速度来调整无级变速器的控制器和确定蜗轮减速器的个数。土压力计按照试验方案中的要求安放到指定位置。其中LVDT位移计、力传感器和土压力计要事先标定已获得试验所需的标定参数。最后填土到试验方案所计算的指定高度。所有接口要做好密封工作以防止水和土进入仪器影响试验过程和测试精度。二、试验过程和数据采集。将制作好的模型试样吊装到离心机吊篮并固定，进行合理配重。然后完成三相异步电机、LVDT位移计、力传感器和土压力计的接线工作。开启数据采集系统和监视系统，仪器正常后开启离心机到达试验方案所设计的加速度值，并等待数值稳定。此时，开启电机可控开关使隧道刚性支护面开始移动，开启方向按照试验方案所设计的方向。按照试验方案设计结束试验，并保存实验数据。三、清理模型箱并按照试验方案处理数据。试验过程中，LVDT位移计可以获得隧道刚性支护面的位移随时间变化的趋势，力传感器可获得隧道刚性支护面的轴力随时间变化的趋势，土压力计可以获得不同位置的土压力随时间变化的趋势。隧道开挖面土体失稳的过程可由照相机或者摄像机拍摄下来，影像资料可通过特定软件如Piv技术处理以得到土体失稳破坏的位移场或塑性应变图。与现有技术相比，本发明可以在高速离心场下实现模拟隧道开挖面由于支护力不足或者过大造成的土体失稳破坏的缩尺试验过程，并能同步完成数据采集和图像采集操作。本发明的装置具有以下优点:(I)本发明装置可承受高G值的离心加速度作用。(2)本发明装置可以通过调节无级变速器的变速比和蜗轮减速器的个数来控制隧道刚性支护面的线性速度。(3)本发明装置中电机可控开关有三个挡位，分别对应电机的前进、停止和后退状态，可随时控制隧道刚性支护面的前后移动和停止。(4)本发明中模型隧道的尺寸和位置可根据实际试验需要自行调整，且可结合其他试验仪器使用，具有良好的可扩展性。(5)利用本发明的装置可以对实际情况下的隧道开挖面失稳破坏的过程进行研究，对科学研究、隧道设计及地下工程咨询可以起到极强的指导作用。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的传动组件的结构示意图；图3为模型箱的俯视结构示意图；图4为图1的A-A面剖视结构示意图；图5为图1的B-B面剖视结构示意图。图中，I为模型箱，2为有机玻璃窗，3为三相异步电机，4为无级变速器，5为蜗轮减速器，6为电机固定挡板，7为模型隧道，8为隧道刚性支护面，9为动力丝杆，10为丝杆螺母，11为推动板拉杆，12为连接固定盘，13为LVDT位移计，14为力传感器。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，如图1 图5所示，包括模型箱I，模型箱I的前侧为有机玻璃窗2，模型箱I的上侧设有开口，模型箱I设在离心试验机内，模型箱I内设有模型隧道7、隧道刚性支护面8、动力组件、传动组件及数据采集组件。其中，模型隧道7位于模型箱I中，模型隧道7的外侧充填试验地基土 ；隧道刚性支护面8设在模型隧道7内部的顶端；动力组件设在模型隧道7的外侧，动力组件包括依次连接的三相异步电机3、无级变速器4及蜗轮减速器5 ;传动组件设在模型隧道7内部，传动组件包括动力丝杆9、丝杆螺母10、推动板拉杆11及连接固定盘12，动力丝杆9的一端与蜗轮减速器5连接，另一端通过丝杆螺母10与推动板拉杆11连接，推动板拉杆11的另一端通过连接固定盘12与隧道刚性支护面8连接；数据采集组件包括力传感器14、LVDT位移计13及土压力计，其中，力传感器14与连接固定盘12连接，LVDT位移计13设有两个，分别固定在模型隧道7内，LVDT位移计13的测试杆顶接在隧道刚性支护面8的后表面，土压力计分别沿纵向及横向设置在模型隧道7外侧的试验地基土内，数据采集组件与外部的数据分析单元连接；动力组件通过传动组件为隧道刚性支护面8提供动力，带动隧道刚性支护面8移动，实现对隧道刚性支护面8的位移控制，模拟隧道开挖面土体失稳的过程，数据采集组件同步采集数据。 三相异步电机3、无级变速器4及蜗轮减速器5的外侧设有隔绝试验地基土的电机固定挡板6。其中，三相异步电机3固定转速，无级变速器4和三相异步电机3组合可以降低输出转速并能进行转速调整，蜗轮减速器5和无级变速器4组合可降低输出转速。通过调节无级变速器4和增减蜗轮减速器5的数量就能达到对动力输出转速快慢的控制。380v电源通过电缆线和航空插头与离心机电源连接为三相异步电机3供电。三相异步电机3与电机可控开关连接，电机可控开关设有正转、反转和停止档位，可以通过改变电流输入方向来控制三相异步电机3的正转、反转及停止。动力丝杆9与丝杆螺母10之间螺纹连接，丝杆螺母10通过螺纹将动力丝杆9的角速度转换成前后方向的线速度，并将该线速度传递给推动板拉杆11。蜗轮减速器5可设有I 5个，本实施例中，蜗轮减速器5设有2个。在进行隧道开挖面隆起破坏试验时，隧道刚性支护面8的外侧设有挡土结构，防止试验地基土进入模型隧道7内部。该装置还包括监视组件，监视组件设在模型箱I的外侧，进行图像采集，监视组件为照相机或摄像机。模型箱I的结构如图3 图5所示，模型箱I为长方体，中空结构，模型箱I的前侧为有机玻璃窗2，以便于试验过程中对隧道的位移和变形进行观察和记录。模型箱I的下底、后面、及左右面为刚性铝合金面，上表面设置开口用于方便试样制作。本发明的盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置的操作过程如下:一、模型试样制作。首先清洗模型箱1，清洗有机玻璃窗2，使其具有较好的可视效果从而达到较好的成像质量。按照试验方案所设计的位移控制速度来调整无级变速器4的控制器和确定蜗轮减速器5的个数。土压力计按照试验方案中的要求安放到指定位置。其中LVDT位移计13、力传感器14和土压力计要事先标定已获得试验所需的标定参数。最后填土到试验方案所计算的指定高度。所有接口要做好密封工作以防止水和土进入仪器影响试验过程和测试精度。二、试验过程和数据采集。将制作好的模型试样吊装到离心机吊篮并固定，进行合理配重。然后完成三相异步电机3、LVDT位移计13、力传感器14和土压力计的接线工作。开启数据采集系统和监视系统，仪器正常后开启离心机到达试验方案所设计的加速度值，并等待数值稳定。此时，开启电机可控开关使隧道刚性支护面8开始移动，开启方向按照试验方案所设计的方向。按照试验方案设计结束试验，并保存实验数据。三、清理模型箱I并按照试验方案处理数据。试验过程中，LVDT位移计13可以获得隧道刚性支护面8的位移随时间变化的趋势，力传感器14可获得隧道刚性支护面8的轴力随时间变化的趋势，土压力计可以获得不同位置的土压力随时间变化的趋势。隧道开挖面土体失稳的过程可由照相机或者摄像机拍摄下来，影像资料可通过特定软件如PIV技术处理以得到土体失稳破坏的位移场或塑性应变图。实施例2
某大直径盾构隧道内径为15m，埋深比为I左右，地基土分砂土层。要对其盾构开挖面由于支护压力不足导致土体失稳破坏的过程进行离心模型试验研究，并获得相关数据。对于此类问题，按照图1 图2的布置方式，自行调节位移控制系统的输出速度，同时根据工程的实际情况及地质条件确定地基土的参数，即可达到满意的效果。试验采用同济大学TLJ-150复合型岩土离心试验机，模型箱I内尺寸为900mmX 700mmX 700mm (长X宽X高)。正式试验时离心加速度为100g。所以模型隧道7内径取150mm。土压力计分别沿模型隧道7纵向及横向放置，间距50mm。模型试验地基土参照实际地址勘察报告的地层分布情况布置，且取施工现场地基土作为实验用土。试验位移控制电机由一个三相异步电机3、一个无级变速器4和两个蜗轮减速器5组合而成，能保证最慢转速到达0.1rpm0丝杆螺母10直径20mm，螺纹间距2mm。所以位移控制系统可为隧道刚性支护面8输出0.005mm/s的线速度，可以保证模拟隧道开挖面由于支护压力逐渐减小而破坏的全过程。试验过程中高清摄像机和照相机进行连续拍摄实现对地基土变形的连续采集。LVDT位移计13对隧道刚性支护面8的位移进行连续采集。土压力计对土体压力和隧道刚性支护面8压力变化进行连续采集。所得实验数据进行整理，可对实际的工程施工起到指导和预测作用。本发明为研究城市地铁盾构隧道开挖面稳定性的离心模型试验提供了新的配套装置和实用方法，有着很好的经济效益。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。
权利要求
1.一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，包括模型箱，所述的模型箱的前侧为有机玻璃窗，模型箱的上侧设有开口，其特征在于，所述的模型箱设在离心试验机内，所述的模型箱内设有模型隧道、隧道刚性支护面、动力组件、传动组件及数据采集组件，其中， 模型隧道位于模型箱中，模型隧道的外侧充填试验地基土； 隧道刚性支护面设在模型隧道内部的顶端； 动力组件设在模型隧道的外侧，动力组件包括依次连接的三相异步电机、无级变速器及蜗轮减速器； 传动组件设在模型隧道内部，传动组件包括动力丝杆、丝杆螺母、推动板拉杆及连接固定盘，所述的动力丝杆的一端与蜗轮减速器连接，另一端通过丝杆螺母与推动板拉杆连接，推动板拉杆的另一端通过连接固定盘与隧道刚性支护面连接； 数据采集组件包括力传感器、LVDT位移计及土压力计，所述的力传感器与连接固定盘连接，所述的LVDT位移计设有两个，分别固定在模型隧道内，LVDT位移计的测试杆顶接在隧道刚性支护面的后表面，所述的土压力计分别沿纵向及横向设置在模型隧道外侧的试验地基土内； 动力组件通过传动组件为隧道刚性支护面提供动力，带动隧道刚性支护面移动，实现对隧道刚性支护面的位移控制，模拟隧道开挖面土体失稳的过程，数据采集组件同步采集数据。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，其特征在于，所述的三相异步电机、无级变速器及蜗轮减速器的外侧设有隔绝试验地基土的电机固定挡板。
3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，其特征在于，所述的三相异步电机与电机可控开关连接，所述的电机可控开关控制三相异步电机的正转、反转及停止。
4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，其特征在于，该装置还包括监视组件，所述的监视组件设在模型箱的外侧，进行图像采集，所述的监视组件为照相机或摄像机。
5.根据权利要求1所述的一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，其特征在于，所述的动力丝杆与丝杆螺母之间螺纹连接，丝杆螺母通过螺纹将动力丝杆的角速度转换成前后方向的线速度，并将该线速度传递给推动板拉杆。
6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，其特征在于，所述的蜗轮减速器设有I 5个。
7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，其特征在于，在进行隧道开挖面隆起破坏试验时，所述的隧道刚性支护面的外侧设有挡土结构。
全文摘要
本发明涉及一种盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，包括模型箱，模型箱内设有模型隧道、隧道刚性支护面、动力组件、传动组件及数据采集组件；其中模型隧道位于模型箱中，模型隧道的外侧充填试验地基土；隧道刚性支护面设在模型隧道内部的顶端；动力组件设在模型隧道的外侧；传动组件设在模型隧道内部，连接动力组件及隧道刚性支护面；数据采集组件包括力传感器、LVDT位移计及土压力计；动力组件通过传动组件为隧道刚性支护面提供动力，带动隧道刚性支护面移动，实现对隧道刚性支护面的位移控制，模拟隧道开挖面土体失稳的过程，数据采集组件同步采集数据。与现有技术相比，本发明结构简单，使用方便，运行稳定灵敏，适用范围广。
文档编号G01N3/00GK103175729SQ20131007217
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者吕玺琳, 黄茂松, 李冯缔 申请人:同济大学