渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统的制作方法

本发明属于隧道模型试验领域，具体涉及渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统。

背景技术：

盾构隧道施工中开挖面的稳定性控制仍然是一个亟待解决的难题，而开挖面支护力的合理选取是解决这一难题的核心问题。开挖面支护力是影响开挖面稳定且造成土体扰动的重要原因，如若控制不当将会产生严重的安全事故。支护力过小导致开挖面前方土体大量进入压力仓，引起地表塌陷，而支护力过大则容易产生地表隆起问题，给周围建筑物带来不良影响，所以研究盾构隧道施工开挖面支护力合理控制范围对优化隧道施工工艺及掌握地层扰动规律具有重要意义。

目前，许多学者针对盾构隧道开挖面失稳状态下的支护力变化规律开展了大量研究，但是现场实测难以获得开挖面失稳时的支护力大小，而离心模型试验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，因此成为了主流研究手段。如申请号为201310205889.2介绍的发明专利研制了国内外首套适用于模拟稳态渗流下盾构开挖面失稳的离心模型装置，但该装置也存在一些可以继续完善的地方：一方面，土工离心机机械手相比该装置使用的步进电机控制开挖面位移，在离心场中可以更加精确、实时控制；另一方面，《盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究》、《迎坡条件下盾构隧道开挖面极限支护力计算与分析》等文献均已得出结论：盾构隧道开挖面稳定性的计算与平坡条件存在区别，且坡度对其稳定性的影响明显，实际设计与施工过程中，应予以具体考虑。由此可见，研究盾构隧道开挖面极限支护力与隧道纵坡角的关系十分必要，但是该装置并没有介绍相关内容；最后，该试验测试开挖面支护力所用仪器为压力传感器，受测试场域电磁环境影响较大，且每个测点引出线所形成的一大束导线成束绑扎，占据大部分的集流环空间，信号传输过程中相互干扰，极大地影响了测试精度。此外，土工离心模型的尺寸较小，长度在0.20～1.5m之间，传统的电类传感器尺寸一般偏大，在重力作用下会对模型产生较大影响，因此，离心模型试验需要高速、稳定、抗干扰能力强的信号转换、传输和处理系统。

近年来，光纤传感技术的兴起给工程监测领域提供了一类新的技术和手段。与常规的电阻式、振弦式或电感式传感器相比，光纤光栅不仅体积小、精度高、抗电磁场干扰、耐久性好，还具有易于实现准分布式和自动化监测的优势。在土木结构健康监测方面，光纤布拉格光栅(fbg)由于其传感灵敏度高、可靠性好等优点被广泛使用，例如桩基础、边坡、大型洞室等。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验测试系统，

为了达到上述目的，本发明包括用于固定在土工离心机上吊篮内的模型箱；

模型箱包括试验箱，试验箱内设置有通过半圆形盾壳和开挖面板组成的腔体，腔体底部设置有角度调节装置，开挖面板外表面覆盖有pvd透水滤膜，试验箱一侧设置有竖向隔板，竖向隔板上设置有若干溢流孔，试验箱顶部设置有供水管，试验箱外具有土木离心机机械手，土木离心机机械手连接第二传力杆，第二传力杆铰接第一传力杆，第一传力杆伸入半圆形盾壳和开挖面板组成的腔体内，第一传力杆的端部固定有不锈钢钢棒，不锈钢钢棒端部与开挖面板固定，不锈钢钢棒内部设置有光纤光栅，不锈钢钢棒和光纤光栅组成fbg传感器。

角度调节装置包括设置在腔体底部的支撑块，支撑块底部设置有角度调节垫块，角度调节垫块通过垫块固定装置限位。

试验箱下方设置蓄水箱，腔体连接第一排水管，溢流孔连接第二排水管，第一排水管和第二排水管均接入蓄水箱，蓄水箱的入水管路上设置有电磁阀。

试验箱与腔体的端面为竖向隔板，竖向隔板与模型箱间设置有若干用于固定竖向隔板的支撑杆。

试验箱中前侧面由高强铝框内镶高强透明特种玻璃制成，内衬透明有机玻璃板，便于观察隧道开挖面失稳过程中土体情况。光纤光栅通过通讯光缆连接光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过无线传输装置连接计算机终端。

土工离心机的顶部设置有下仪器仓，光纤光栅解调用螺丝固定安装于于下仪器仓顶盖上，通讯光缆两端分别熔接跳线，分别与光纤光栅(3)和光纤光栅解调仪(32)连接。

第一传力杆的端部和开挖面板的内表面均固定有螺帽，不锈钢钢棒的两端均开设有与螺帽相配合的外螺纹，不锈钢钢棒的两端固定在螺帽内。

土工离心机的转臂两端均设置有吊篮，其中一个吊篮固定模型箱，另一个吊篮固定配重箱。

与现有技术相比，本发明的fbg传感器通过光纤光栅将信号导出，首次将先进的光纤光栅传感技术用于渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验，能够高精度、实时地获取盾构隧道开挖面失稳过程中开挖面支护力的变化特征，指导实际盾构隧道施工。本发明利用土工离心机机械手在离心场中实时、精确控制开挖面板位移及后撤速率，本发明通过土工离心机机械手和角度调节装置实现不同隧道纵坡角下的盾构隧道开挖面失稳离心模型试验，构思巧妙，易于实现，本发明方案合理，结构简单，使用设备常规，具有良好的经济效益和社会效益。

进一步的，本发明将试验进行过程中的变形信息等数据，依靠解调仪配备的无线传输装置，实时地传递到监控室内的计算机终端上，方便用户实时地观察和记录试验过程中模型的变形情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中模型箱的主视图；

图3为本发明中模型箱的侧试图；

图4为本发明中支撑块结构的侧视图；

图5为本发明中角度调节垫块的示意图；

其中，1-半圆形盾壳，2-开挖面板，3-光纤光栅，4-不锈钢钢棒，5-通讯光缆，6-螺纹，7-螺帽，8-第一传力杆，9-pvd透水滤膜，11-第二传力杆，12-支撑杆，13-电磁阀，14-支撑块，15-第一排水管，16-角度调节垫块，17-垫块固定装置，18-水位面，19-溢流孔，20-土工离心机，21-法兰，22-土工离心机机械手，23-供水管，24-第二排水管，25-竖向隔板，26-通水孔，27-蓄水箱，28-l型钢片，29-玻璃，30-有机玻璃板，31-下仪器仓，32-光纤光栅解调仪，33-无线传输装置，34-计算机终端，35-模型箱，36-吊篮，37-转臂，38-配重箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1、图2和图3，本发明包括用于固定在土工离心机20上吊篮36内的模型箱35；

模型箱35包括试验箱，试验箱内设置有通过半圆形盾壳1和开挖面板2组成的腔体，腔体底部设置有角度调节装置，开挖面板2外表面覆盖有pvd透水滤膜9，试验箱一侧设置有竖向隔板25，竖向隔板25上设置有若干溢流孔19，水位面18与溢流孔19高度相同，试验箱顶部设置有供水管23，试验箱外具有土木离心机机械手22，土木离心机机械手22连接第二传力杆11，第二传力杆11铰接第一传力杆8，第一传力杆8伸入半圆形盾壳1和开挖面板2组成的腔体内，第一传力杆8的端部固定有不锈钢钢棒4，不锈钢钢棒4内部设置有光纤光栅3，不锈钢钢棒4和光纤光栅3组成fbg传感器，通过光纤光栅3将信号导出。第一传力杆8的端部和开挖面板2的内表面均固定有螺帽7，不锈钢钢棒4的两端均开设有与螺帽7相配合的外螺纹6，不锈钢钢棒4的两端固定在螺帽7内。

参见图4和图5，角度调节装置包括设置在腔体底部的支撑块14，支撑块14底部设置有角度调节垫块16，角度调节垫块16通过垫块固定装置17限位。

试验箱下方设置蓄水箱27，腔体连接第一排水管15，溢流孔19连接第二排水管24，第一排水管15和第二排水管24均接入蓄水箱27，蓄水箱27的入水管路上设置有电磁阀13。试验箱与腔体的端面为竖向隔板25，作用是增加模型箱35的刚度并且把装土区与加载装置设备区隔开，竖向隔板25与模型箱35间设置有若干用于固定竖向隔板25的支撑杆12，保证竖向隔板25不变形，试验箱前侧面由高强铝框内镶高强透明特种玻璃29制成，内衬透明有机玻璃板30，便于观察隧道开挖面失稳过程中土体情况。光纤光栅解调仪32采用单通道传输数据，通过无线传输装置33连接计算机终端34。土工离心机20的顶部设置有下仪器仓31，光纤光栅解调仪32用螺丝固定安装于于下仪器仓31的顶盖上，通讯光缆5两端分别熔接跳线，一端与光纤光栅3连接，另一端与光纤光栅解调仪32连接。土工离心机20的转臂37两端均设置有吊篮，其中一个吊篮固定模型箱35，另一个吊篮固定配重箱38。

优选的，半圆形盾壳1内直径100mm，壁厚5mm，长200mm，安置在支撑块14上，半圆形盾壳1空腔朝向有机玻璃板30方向，为防止模型箱35内的土、水顺着半圆形盾壳1与模型箱35的接触面缝隙处漏入密封舱，用纱布包裹住接触面并涂抹玻璃胶。在半圆形盾壳1另一侧的模型箱35底焊接两块l型钢片28与支撑块14密贴，用以固定支撑块14；其开挖面板2厚度为10mm、直径为100mm，制作成均匀开孔型铝板以模拟隧道开挖面受渗透压力的情况。

土工离心机20型号采用tlj-3型土工离心机，离心模型试验是通过施加离心力来增加模型土体的自重应力，从而达到原型与模型处于相同的应力应变环境。

所述半圆形盾壳1包括3个，分别适用于不同隧道纵坡角工况下的离心试验。为使半圆形盾壳1尾端与竖向隔板25紧密贴合，防止水流出密封舱，在半圆形盾壳1尾端切割掉一部分，切割角度与隧道纵坡角相等。

开挖面板2前面黏附pvd透水滤膜9，为利于滤膜的粘贴用砂纸将开挖面板2打磨粗糙，再用丙酮和酒精擦拭。在开挖面板2与半圆形盾壳1间隙之间均匀涂抹一层凡士林，能达到减小开挖面板2与半圆形盾壳1之间的摩擦力和防水的作用。

土工离心机机械手22实行四轴联动，包括x轴、y轴、z轴的直线运动和c轴转动，每个方向都由独立的电机驱动以实现四轴精确定位，利用计算机及控制软件操控土工离心机机械手22来控制开挖面板2的位移及后撤速率。

光纤光栅3内置于不锈钢钢棒4时，使用注射器涂alteco环氧树脂ab胶粘贴固定并起到保护作用，涂抹环氧树脂胶时注意涂匀，避免产生气泡。

角度调节垫块16为不同高度的铝合金块，每一个隧道纵坡角对应一个角度调节垫块16，紧贴着角度调节垫块16前方的模型箱35底部焊接1个垫块固定装置17，根据要测量的隧道纵坡角事先设计角度调节垫块16的高度。角度调节垫块上16面刻有凹槽，凹槽倾斜面与隧道纵坡角相等，将支撑块14放置于凹槽上方，在离心场作用下确保盾构感测模型固定不动。

无线传输装置33包括2个路由器，在土工离心机20下仪器仓31的转轴及保护罩分别安装1台路由器，通过两台路由器的桥接来实现信号的无线传输。

本发明的工作方法包括以下步骤：

步骤一，将模型箱以及箱内模型装置放入土工离心机吊篮并固定，启动离心装置，转臂带动吊篮作高速旋转运动，转臂另一端安装有配重箱用来保证转臂在运行过程中能够保持平衡；

步骤二，离心加速度逐渐提高到60g并稳定10～20min，通过遥控开关使供水管供水、第一排水管和第二排水管排水，此阶段通过土工离心机机械手保证开挖面板位置不变；

步骤三，当开挖面板前方形成稳态渗流时，逐渐后撤开挖面板；

步骤四，当开挖面板水平位移：s<2mm时，开挖面板后撤速度v＝00.1mmmmin；当2mm<s<6mm时，v00.2mmmmin；当6mm<＝s<10mm时，v00.4mmmmin；当s010mm时，v00；

步骤五，离心加速度由60g逐渐减少至0，将模型箱以及箱内模型装置吊出土工离心机吊篮。在试验过程中，开挖面板的后撤位移由土工离心机机械手控制软件进行监测，而开挖面板上的支护力由镶嵌在传力杆上的光纤光栅实时感测，依靠光纤光栅解调仪配备的无线传输装置，实时地传递到监控室内的计算机终端上，方便用户实时地观察和记录试验过程中模型的变形情况。

本发明首次将光纤光栅传感技术应用于渗流条件下盾构隧道开挖面失稳离心模型试验中开挖面支护力的测定，并利用土工离心机机械手及自主设计的角度调节装置介绍了满足不同隧道纵坡角工况下的试验装置结构。