本发明涉及一种渗流条件下海底盾构隧道开挖试验装置及方法，属海底盾构隧道开挖技术领域。
背景技术：
土拱效应广泛存在于岩土工程的各个领域，作为土力学当中的一个经典问题一直以来都是人们研究的热点。而在盾构隧道工程当中，由于施工过程中盾构机掘进所造成的上覆土体松动，松动区土体将会发生应力重分布，将部分土压力转移至盾构两侧的土体当中，由于这一土拱效应的存在，作用在管片上部的土压力将远小于全覆土压力。因此，要想合理确定盾构隧道的上覆土压力，土拱效应不可忽略。
特别地，对于海底盾构隧道的开挖，高水压引起的强渗流将会在土体骨架中产生渗流体积力，进一步将会削弱土体颗粒间力链的完整性及土拱效应的发挥，从而增大作用在隧道顶端的上覆水土压力及开挖面上的水土压力。目前，关于土拱效应的研究多基于干土条件下进行，对于渗流及土拱效应间的耦合作用尚无系统研究。在此背景之下，有必要提供一种试验方法，通过该方法可以实现不同渗流条件下盾构隧道开挖过程的室内模型试验，从而研究海底盾构隧道水土荷载作用机理，更准确的对海底盾构隧道上覆土压力及开挖面土压力进行评估。
技术实现要素：
本发明的目的是，为了实现不同渗流条件下盾构隧道开挖过程的室内模型试验，研究海底盾构隧道水土荷载作用机理，准确的对海底盾构隧道上覆土压力及开挖面土压力进行评估，本发明提出一种渗流条件下海底盾构隧道开挖试验装置及方法。
本发明实现的技术方案如下，一种渗流条件下海底盾构隧道开挖试验装置，包括模型箱体、升降装置及试验辅助装置。所述模型箱体与所述升降装置相连接，通过所述升降装置控制开挖模块活动挡板的移动模拟海底盾构隧道开挖。
所述模型箱体由填土箱、钢支架、开挖模块组成；填土箱安装在钢支架上方，开挖模块置于钢支架的中部位置；
所述升降装置包括减速电机、螺杆，齿轮组；所述减速电机固定在钢支架上，所述螺杆包括两根，一根竖直放置，与活动挡板相连，另一根水平放置，与减速电机相连，两根螺杆之间通过齿轮组进行传动；
所述试验辅助装置包括外接水箱、升降架和数码相机；所述外接水箱包括第一外接水箱和第二外接水箱，升降架包括第一升降架和第二升降架；第一外接水箱和第二外接水箱分别安装在所述模型箱体两边的第一升降架和第二升降架上；通过控制升降架的上升或下降，外接水箱随升降架上下移动。
所述填土箱为立方体，其两个面积最大的侧面为观测面板，其底面由位于两侧的固定底板及中部的开挖模块组成，固定底板两侧角部分别开有进水孔；固定底板与观测面板相邻的两侧壁上分别在相同位置开有两列水位孔，其开设位置与试验方案所需水位相一致，用以控制试验过程中的水位高度，所述模型箱体侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板，观测面板为厚度不小于10mm钢化玻璃板。
开挖模块由活动挡板和固定套管构成；所述活动挡板为一圆弧形不锈钢板，侧边上贴有一圈防水垫圈，用以防止试验过程中的渗漏，角部开有四个排水孔，用以在试验过程中产生渗流，中部开有测压孔，并连接测压管，用于在试验过程中测量相应位置孔隙水压力，测压孔一侧开有圆形槽，用于放置土压力盒；所述固定套筒为一不锈钢制立方体形套筒，其壁厚不小于10mm，内壁镀锌，内尺寸与活动挡板外轮廓尺寸相同，外边缘与所述填土箱底板相焊接，所述活动挡板与所述升降装置相连，在升降装置的作用下垂直方向在固定套筒内自由上下移动。
所述第一外接水箱和第二外接水箱的底部均开孔，通过塑料软管可分别与填土箱底部进水孔相连；所述升降架高度可自由调节，所述数码相机设置在观测面板正前方，用于记录试验过程中土体位移。
所述试验装置填土箱内侧及活动挡板上表面在所述进水孔、水位孔、排水孔和测压孔的位置均覆盖一层无纺布；所述进水孔、水位孔、排水孔和测压孔均外接有阀门。
本发明一种渗流条件下海底盾构隧道开挖试验方法，包括以下步骤：
（1）整平场地，放置试验装置并清理试验装置填土箱，对填土箱内壁进行润滑，在填土箱两侧无锈钢内壁及固定底板上粘贴一层特氟龙薄膜，在填土箱前后钢化玻璃观测面板内侧涂抹一层凡士林。
（2）安装百分表、测压管及土压力盒，将土压力盒导线连接数据采集仪并平衡及清除零点；所述土压力盒安装在试验装置活动挡板圆形槽中。
（3）采用砂雨法分层填筑试验土样至试验所需高度；所述试验土样为砂土，填筑每层土样时，砂雨装置漏斗口距土样顶面的距离相同。
（4）通过塑料软管将进水孔与第一外接水箱相连，通过第一外接水箱向模型箱内注水至试验所需水位。
（5）关闭进水孔阀门，通过第一升降架降低第一外接水箱高度至地面，通过第二外接水箱向模型箱内注水，并打开活动挡板底部排水孔阀门，在填土箱试验土样内部形成稳定渗流；
（6）打开填土箱内试验水位处相应水位孔阀门，控制试验水位高度；
（7）模拟海底隧道开挖，并通过土压力盒、测压管分别监测盾构隧道上覆总压力、孔隙水压力变化，通过数码相机记录试验土样位移场，从而得到开挖过程中隧道上覆总应力、孔隙水压力的分布规律及土体破坏模式。
（8）更换土样，改变填土高度及水位高度，重复步骤(2)至(6)，探究不同渗流工况对海底盾构隧道上覆土体土拱效应及土压力分布的影响。
所述第一外接水箱向模型箱内注水，注水前，通过第一升降架将第一外接水箱抬升至其底面高度高于试验所需水位高度；注水至填土箱内水位达到试验水位后，通过第一升降架调节第一外接水箱高度，使得其水位高度与模型箱内试验水位高度相同，并静置至测压管内水位高度达到模型箱内试验水位高度。
所述第二外接水箱向模型箱内注水，调节并控制试验水位高度，降低第一外接水箱高度至地面后，关闭进水孔阀门，通过第二升降架将第二外接水箱抬升至其底面高度高于试验水位高度，通过塑料软管从填土箱顶部向箱内缓慢注水，同时打开活动挡板底部排水孔阀门，进一步，打开填土箱内试验水位处相应水位孔阀门，并通过第二外接水箱的出水阀门调节注水速度，使得高于试验水位的部分用水从水位孔溢出，从而保证填土箱内水位在试验过程中稳定在试验水位处。
所述模拟海底隧道开挖，通过减速电机控制活动挡板匀速下落，模拟海底盾构隧道的开挖；当活动挡板位移达到预设位移时，关闭减速电机及水位孔、排水孔阀门，同时停止第二外接水箱对填土箱的供水，继续记录土压力盒数据及测压管水头变化情况，对比确认渗流对海底盾构隧道开挖水土压力的影响。
本发明的有益效果是，本发明首次通过对饱和及渗流条件下海底盾构隧道开挖过程的模拟，揭示了渗流对盾构隧道开挖上覆土体应力重分布的影响，丰富了海底盾构隧道水土荷载等方面的研究，补充了渗流与土拱效应相互耦合作用的相关方面理论。
附图说明
图1为海底盾构隧道开挖试验装置结构示意图；
图2为海底盾构隧道开挖试验装置模型箱体侧视图；
图3为海底盾构隧道开挖试验装置模型箱体俯视图；
图4为海底盾构隧道开挖试验装置活动挡板结构示意图；
图5为海底盾构隧道开挖试验装置操作方法示意图；
图中，1为填土箱，2为钢支架，3为开挖模块，4为观测面板，5为进水孔，6为水位孔，7为防水垫圈，8为排水孔，9为测压孔，10为测压管，11为圆形槽，12为减速电机，13为螺杆，14为齿轮组，15为第一外接水箱，16为第一升降架，17为第二外接水箱，18为第二升降架，19为数码相机，31为活动挡板，32为固定套筒。
具体实施方式
如图1所示，本实施例一种渗流条件下海底盾构隧道开挖试验装置，包括模型箱体、升降装置及试验辅助装置。所述模型箱体与所述升降装置相连接，通过所述升降装置控制活动挡板的移动模拟海底盾构隧道开挖。
如图2和图3所示，模型箱体包括填土箱1，钢支架2和开挖模块3。填土箱1为立方体，架设在钢支架2上，其两个面积最大的侧面为由钢化玻璃制成的观测面板4，观测面板通过热熔胶与两侧箱体固定。填土箱3底面由两侧固定底板及中部的开挖模块3构成。固定底板四角开有四个进水孔5，试验用水从这四个进水孔中注入填土箱3内。开挖模块的宽度为b，两侧箱体上，距填土箱3底板距离为2b，3b和4b的位置，分别开有两列水位孔6，用于控制不同初始水位从而模拟不同的渗流工况。模型箱体侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板，观测面板为厚度不小于10mm钢化玻璃板。
开挖模块3由活动挡板31和固定套管32构成。所述活动挡板31为一圆弧形不锈钢板，侧边上贴有一圈防水垫圈7，用以防止试验过程中的渗漏，角部开有四个排水孔8，用以在试验过程中产生渗流，中部开有测压孔9，并连接测压管10，用于在试验过程中测量相应位置孔隙水压力，测压孔一侧开有圆形槽11，用于放置土压力盒；所述固定套筒32为一不锈钢制立方体形套筒，其壁厚不小于10mm，内壁镀锌，内尺寸与活动挡板外轮廓尺寸相同，外边缘与所述填土箱底板相焊接，所述活动挡板31与所述升降装置相连，在升降装置的作用下垂直方向在固定套筒32内自由上下移动。活动挡板31如图4所示。
升降装置包括减速电机12，螺杆13和齿轮组14。减速电机12固定在钢支架2上，其转动速度和转动方向均可进行调节，从而满足不同试验需求。螺杆13包括两根，一根水平向放置，与减速电机12相连，另外一根竖直放置，与开挖模块3相连。开挖模块3包括活动挡板31和上边缘焊接在填土箱1底板上的固定套筒32。活动挡板31为一半圆弧形板，用于模拟盾构隧道。其与螺杆13相连，两根螺杆间通过齿轮组14进行传动，从而使得减速电机12可以控制活动挡板31以不同的速度在固定套筒32内上下移动，从而实现盾构隧道开挖卸荷的模拟。
试验辅助装置包括外接水箱、升降架和数码相机；所述外接水箱包括第一外接水箱15和第二外接水箱17，升降架包括第一升降架16和第二升降架18；第一外接水箱15和第二外接水箱17分别安装在所述模型箱体两边的第一升降架16和第二升降架18上；通过控制升降架的上升或下降，外接水箱随升降架上下移动。
第一外接水箱15和第二外接水箱17的底部均开孔，通过塑料软管分别与填土箱底部两个进水孔5相连；所述升降架高度可自由调节，所述数码相机19设置在观测面板正前方，用于记录试验过程中土体位移。
如图5所示，本实施例一种渗流条件下海底盾构隧道开挖试验方法，包括以下步骤：
(1)整平场地，放置试验装置并清理填土箱1，在填土箱内壁除观测面板外均贴一层特氟龙薄膜，在观测面板4内侧涂上一层凡士林，以减少填土箱内壁与试验土样之间的摩擦力，在填土箱内壁及活动挡板31上方进水孔5、排水孔8、水位孔6和测压孔9的位置粘贴一层无纺布，通过自来水管将两个外接水箱注满水。
(2)传感器布置，根据试验的具体要求，在活动挡板31圆形槽11中安放土压力盒，土压力盒导线用热熔胶固定在活动挡板上，以避免试验过程中出现导线切割土体的情况。导线尾端连接数据采集仪并平衡及清除零点。在活动挡板底部安装百分表，在进水孔5、排水孔8及相应试验水位对应水位孔6上连接塑料软管，在测压孔9上连接测压管10，并保证所有阀门处于关闭状态。
(3)土样制备，将试验用标准砂灌入砂雨漏斗当中，通过吊车将其运送至填土箱1上方，通过砂雨法，以50mm为一层，分层填筑试验土体至活动挡板顶部埋深等于圆弧形活动挡板直径，并保证每次填筑时砂雨落距相同，从而控制每层土样的密实度及表观重度相同。
(4)土体饱和，对两个外接水箱分别为第一外接水箱15和第二外接水箱17。将进水孔5通过塑料软管与二个外接水箱底部的开口相连；通过第一升降架16调节第一外接水箱15底面高度至高于试验水位高度，打开进水孔5阀门及第一外接水箱15底部阀门，通过第一外接水箱15缓慢向填土箱1内注水至水面距活动挡板31顶部距离等于两倍的活动挡板直径；随后通过第一升降架16调节第一外接水箱的高度，使得其水位高度与模型箱内试验水位高度相同；并静置至测压管内水位高度与模型箱内水位高度相等，以保证试验土样达到饱和。
(5)形成渗流，关闭进水孔5阀门，通过第一升降架16降低第一外接水箱15高度至地面，打开活动挡板31底部排水孔8阀门，通过第二升降架18抬升第二外接水箱17至其底面高度高于试验水位高度，打开其底部出水阀门，通过塑料软管从填土箱顶面向填土箱内缓慢注水，同时通过排水孔8塑料软管将排出的试验用水排至第一外接水箱15内。
(6)水位控制，打开填土箱内部试验水位处相应水位孔6的阀门，同时通过第二外接水箱17底部出水口处阀门调节注水速度，增加进水流量，使得高于试验水位部分的试验用水始终从水位孔6中流出，从而使水位稳定在试验设计水位高度，并通过塑料软管将从水位孔6中溢出的试验用水排至第一外接水箱15内。
(7)试验并记录数据，在观测面板4正前方约2m的位置架设数码相机19。读取百分表及测压管9的初始数据，开动减速电机12，调整电机转速至1mm/min，使活动挡板31缓慢匀速下落，模拟盾构隧道开挖过程；同时通过数据采集仪以1次/s的频率记录土压力数据，通过数码相机以15s一次的频率拍摄记录试验过程中土体位移照片；当活动挡板12位移达到十分之一的活动挡板直径大小时，第二次读取测压管9数据，关闭减速电机12及水位孔6、排水孔8阀门，同时停止第二外接水箱对填土箱的供水，继续记录土压力盒数据并第三次读取测压管数据，将所得数据与之前渗流情况下的数据进行对比，从而确认渗流对海底盾构隧道开挖水土压力的影响。
(8)试验结束，清理填土箱，读取百分表最终读数并拆除百分表，降低第二外接水箱17高度至地面，打开排水孔8阀门，通过排水孔8软管将填土箱内试验用水排出至两个外接水箱当中，取出填土箱内土样及传感器，清理填土箱，并通过减速电机将活动挡板升至试验前位置，变换填土高度及水位高度，重复步骤(3)-(8)。
通过改变填土高度及水位高度，测量不同填土高度、不同水位、不同渗流工况下，海底盾构隧道开挖上覆总压力、孔隙水压力的分布，进而通过总压力减去孔隙水压力，得到海底盾构隧道开挖上覆有效土压力分布。通过绘制试验过程中不同位置有效土压力的变化图，对比其与初始静止有效土压力直线的关系，可以判断各测点位置土拱效应发挥情况以及渗流对土拱效应及土压力分布的影响：有效土压力变化曲线与初始静止土压力直线接近重合，说明此处无土拱效应发生；有效土压力变化曲线落在初始静止土压力直线下方，说明此处有土拱效应发生，两者间距越大，说明土拱效应越明显。此外，通过辅助软件对数码相机所拍摄试验过程中土体照片进行对比分析，可以绘制出活动挡板下落过程中(盾构隧道开挖)，上方土体位移场、应变场的变化情况，从而得到渗流条件下土体破坏机理。
综上所述，本实施例首次通过模拟多种渗流工况条件下盾构隧道开挖引起主动土拱的发展过程，揭示渗流对土体破坏模式及土拱松动区土压力分布的影响规律，丰富了海底盾构隧道开挖过程中所受水土荷载方面研究。