一种大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验方法及其系统与流程

本发明涉及一种隧道掘进界面模拟试验方法及系统，特别涉及一种大直径土压盾构隧道掘进面模拟试验方法及系统。

背景技术：

目前，土压盾构施工正朝着大直径，大埋深方向发展。在实际掘进过程中，随着刀盘转动、开挖出土、盾构推进、润滑发泡剂注射等因素的影响下，土仓压力常出现持续波动。随着土压盾构直径增加，土仓内不同高度处压力差别更显著，掘进扰动下土仓中上部较容易形成明显的低压区并导致局部区域支护荷载不足，部分区域率先出现应变局部化特征。渗透性地层中土压盾构发生掘进面失稳和地层坍塌事故屡见不鲜，在渗流作用下，应变局部化加速发展，并逐渐形成贯通的剪切带，失稳土体沿着剪切带滑移形成坍塌破坏。

随着试验技术进步，模型试验因其能够较真实反映土体失稳运动过程而被应用于盾构掘进面稳定问题研究中。在本发明作出之前，公开号为cn105019920a的中国发明专利涉及了一种浅埋暗挖隧道地层变形试验系统，旨在提供一种浅埋暗挖隧道超前加固下的地层变形试验系统；其通过移动面板的后退模拟浅埋暗挖一个进尺下应力释放，通过地表沉降监测、轴力变化、后退速度和注浆管棚不同组合超前加固的设置，研究地表沉降规律和开挖面应力释放规律。该模型试验在干砂条件下展开，主要测量在不同超前加固形式下地表沉降变形和开挖面轴力变化规律，未涉及渗流作用对掘进面稳定的影响，模型中掘进过程模拟采用面板后退来实现，与实际盾构掘进行为差别较大，更无法反映大直径盾构掘进施工土仓内压力波动的特点。

为进一步研究在地下水渗流作用下中大直径盾构掘进面的盾构掘进面失稳发展过程，揭示失稳破坏阶段性特征，实现对渗透地层中大直径盾构掘进行为的模拟，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种可实现在渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程的模拟观测，为分析掘进面稳定状态，揭示渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程及阶段性特征提供实验依据的模拟大直径土压盾构隧道掘进界面行为的试验方法及其实验装置。

实现本发明发明目的的技术方案是提供一种大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验系统，包括模型箱，盾构模型，监测系统，它还设有盾构掘进系统，水位控制装置，渗流示踪装置；

所述模型箱为矩形状立方体，四周面板为透明高强度有机材料，模型箱的一侧面板上分别开有安装盾构模型的半圆形开口和安装盾构掘进系统的开口，相对的另一侧面板的上部开有若干个不同高度用于安装水位控制系统给水管的开口；模型箱内填充土样；

所述的盾构掘进系统包括土仓控制装置和排土、排水控制装置；所述土仓控制装置包括土仓隔板、轴力计、传动杆、记录装置、变速器、驱动装置及外部支座；所述土仓隔板为半圆形面板，设置在半圆环形盾构模型外壳内凹面与模型箱的前面板之间，土仓隔板下部设有渣土出口；土仓隔板、轴力计、传动杆依次相连，传动杆穿过模型箱一侧面板，连接到模型箱外的变速器，变速器与驱动装置相连，驱动装置固定在外部支座上；记录装置一端固定在外部支座上，一端连接在土仓隔板上；土仓隔板在传动杆的控制下，在半圆环形盾构外壳内移动；所述轴力计用于测试移动面板的压力，所述记录装置用于测试移动面板的移动距离；所述驱动装置为移动面板移动提供动力，所述变速器用于控制移动面板前进和后退的速度；所述排土、排水控制装置包括传输机、动力装置、排水管道、阀门、流量计、废水槽，在土仓隔板下部的渣土出口安装传输机，传输机穿过模型箱一侧面板，连接到动力装置，动力装置固定在外部支座上；传输机下方开口连接排水管，排水管上设有出水阀门、流量计，排水管与废水槽连接；

所述水位控制系统包括压力泵、补给水槽、给水管及阀门；补给水槽、压力泵通过给水管相连；若干根给水管穿过模型箱一侧面板上的开口，插入到模型箱内不同高度处的填充土样中，调节模型箱内的水位高度，给水管的出口处用滤膜封口；各给水管上设有阀门，选择不同高度处给水管的开启阀门，对模型箱内填充的土样进行灌水，使水位上部土样处于不饱和状态，实现地下水位模拟；

所述渗流示踪装置安装在模型箱的顶部，渗流示踪装置包括颜料管和颜料补给槽，若干根颜料管从模型箱的顶部沿轴线方向插入到模型箱内填充土样的浅层土层中，布置于模型箱内的近前面板处；颜料管上设有阀门，控制颜料的补充；

所述监测系统包括数字摄影相机，土、水压力传感器；数字摄影相机设置在模型箱前面板外部，用于记录试验过程中掘进面前方土样的变化情况；土、水压力传感器设置在土仓隔板上，用于观测掘进面压力分布及波动规律。

本发明所述盾构模型的土仓隔板前内部空间填充改良渣土，模拟大型土压盾构机土仓内对开挖土体的改良。所述传输机采用管式螺旋输送机，通过动力装置控制螺旋速度，实现定量排土、排水控制；所述管式螺旋输送机的管内预先填充密封胶泥。

本发明技术方案还涉及一种大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验方法，包括如下步骤：

（1）安装模型箱，各面板之间采用硅酮结构胶进行粘接；模型箱的一侧焊接固定盾构支座，将半圆环形盾构外壳固定于盾构支座和模型箱前面板上；

（2）将土仓隔板安装在盾构模型内，土仓隔板前设置土、水压力传感器，再依次连接传动杆、轴力计、变速器与一台伺服电机；将排水管连接到传输机上，传输机后端连接另一台伺服电机，再将传输机前端安装到土仓隔板下部渣土出口处，填充一段密封胶泥；

（3）水位控制装置安装在模型箱的另一侧，将呈纵向排列的若干根给水管穿过模型箱面板上的开口，插入到模型箱内的不同高度处，给水管的出口处用滤膜封口；补给水槽、压力泵通过给水管相连；

（4）标定无土样时土仓隔板移动速度和不同速度下因面板和半圆环形盾构外壳摩擦产生的轴力计的读数；

（5）移动土仓隔板到距半圆环形盾构外壳的前端1/3处，在仓隔板前内部空间填充改良渣土；

（6）在模型箱内部采用落雨法填充土样，当土样高度满足浅埋隧道对应的模型高度时，在模型箱的顶部安装渗流示踪装置，渗流示踪装置的颜料管沿模型箱前面板设置，出口埋在浅层土层；

（7）在模型箱前面板前方架设数字摄影相机；

（8）选择不同高度处给水管的开启阀门，通过水位控制系统向对模型箱内填充的土样进行灌水，使水位上部土样处于不饱和状态，实现地下水位模拟；

（9）水位稳定后，打开排水管上的阀门，启动盾构掘进系统，推动土仓隔板前进，传输机开始运作排土；同时打开渗流示踪装置颜料管上的阀门；

（10）开启颜料管控制阀门，通过渗流示踪装置显示地下水渗流规律；土仓隔板前的土、水压力传感器观测土仓压力分布及波动规律，用数字摄影相机记录图片经piv分析，得到对称面土体的位移场和速度场，轴力计的读数变化用于分析开挖面的应力释放，用于揭示渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程及阶段性特征的试验。

本发明提供的一种大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验方法，包括设置如下试验条件进行对照试验：

（1）保持地下水位高度、传输机排土速度不变，改变土仓隔板推进速度，试验得到掘进速度对掘进面失稳的影响结果；保持在地下水位高度、土仓隔板推进速度不变，改变传输机排土速度，试验得到排土速度对掘进面失稳的影响结果；

（2）改变地下水位高度，试验得到渗流作用对掘进面稳定性的影响结果，用于揭示渗流诱发掘进面失稳机理；

（3）改变填充改良渣土的配方，试验得到不同改良渣土对渗流作用的抑制效果。

本发明的原理是：盾构机截面为圆形，采用半圆形的盾构模型是利用轴对称性分析渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程。盾构掘进系统采用土仓隔板前进和传输机排土，模拟大型土压盾构机向前掘进和土仓排土行为，与实际盾构掘进行为接近，同时在土仓隔板前的盾构模型中填充制备好的改良渣土，模拟实际大型土压盾构机土仓内中注射添加剂并对土样进行搅拌，使其达到较好的流塑状态的过程。由于地下水位越高，渗流作用效应更为明显，为分析渗流作用对掘进面稳定性的影响，揭示渗流诱发掘进面失稳机理，模型需要设置不同的地下水位高度。水位控制装置通过设置在不同高度的出水口向模型箱内注水，设置不同的水位高度，使水位下部土样处于饱和状态，上部土样为不饱和状态，来模拟真实地下水位情况下的土样状态。渗流示踪装置通过在浅层土样中沿轴线方向架设一排颜料管，并向管中补充各色颜料，颜料在渗流作用下会进行扩散的情况对所在位置处流线进行示踪，获得掘进面渗流场分布规律。监测系统分为两个部分，一是在模型箱前面板设置外部数字摄影相机，记录试验过程中掘进面前方土样的变化情况，再通过颗粒数字测量系统（piv）对观测图像处理；二是在土场隔板前设置土、水压力传感器，测量掘进面上土、水压力分布情况和波动规律。由此来分析掘进面稳定状态，揭示渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程及阶段性特征。

与现有技术相比，本发明具有以下优点:

1.本发明提供的大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验系统的关键性功能是实现渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程的模拟观测，对掘进面失稳做出有效的预警，进而建立对应失稳机制。采用推进土仓隔板和渣土传输模拟盾构掘进过程，与实际盾构掘进行为更为接近；通过制备不同的改良渣土，在盾构模型中进行填筑，可以分析改良渣土的性质对掘进面的失稳情况的影响。

2.本发明能够通过推进土仓隔板和渣土传输模拟大直径土压盾构的掘进过程，通过设置不同水位高度、掘进速度，监测土体变形、土仓压力波动及渗流分布，用于研究渗透地层中大直径盾构掘进面的地下水渗流规律及失稳特征，对掘进面失稳做出有效的预警，进而建立对应失稳机制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验系统的正视剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的模拟试验系统的侧视剖面结构示意图；

图3为模拟试验系统中盾构模型的侧视剖面结构示意图；

图4为模拟试验系统中盾构掘进系统的结构示意图；

图5为模拟试验系统中排土、排水控制装置的局部详图；

图6为本发明实施例提供的模拟试验系统中水位控制装置及渗流示踪装置的结构示意图；

图中，1.模型箱；2.盾构模型；3.盾构掘进系统；4.水位控制装置；5.渗流示踪装置；6.监测系统；7.土样；8.数字摄影相机；9.补充光源；10.土、水压力传感器；11.模型箱前面板；12.半圆环形盾构外壳；13.盾构支座；14.土仓隔板；15.轴力计；16.传动杆；17.直线位移传感器；18.变速器；19.伺服电机a；20.橡胶密封条；21.渣土出口；22.传输机；23.伺服电机b；24.排水管；25.阀门；26.流量计；27.废水槽；28.密封胶泥；29.压力泵；30.补给水槽；31.给水管；32.颜料补给槽；33.颜料管；34.改良渣土。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供一种大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验系统，通过设置不同的水位高度，模拟不同的掘进速度，监测渗流过程、土仓压力波动、土层变形和掘进面轴力，从而研究渗透地层中大直径盾构掘进面的地下水渗流规律及失稳特征。

参见附图1和2，本实施例提供的模拟试验系统包括模型箱1，盾构模型2，盾构掘进系统3，水位控制装置4，渗流示踪装置5及监测系统6。模型箱为矩形上部开口箱，以此来填充土样7并安放盾构模型2；模型箱1的四周面板都是透明钢化玻璃板，便于外部监测记录土层变形情况，模型箱1底面板为钢板。左、右侧面板设有开口，左面板上开口为半圆形开口，直径550mm，右面板不同高度处设置开口。

监测系统6包括数字摄影相机8，补充光源9，土、水压力传感器10；数字摄影相机8、补充光源9设置在模型箱前面板11的外部，用于记录试验过程中掘进面前方土样的变化情况，可以运用piv分析处理照片；土、水压力传感器10设置在土仓隔板上，用于观测掘进面压力分布及波动规律。

盾构模型2为半圆环柱形模型，包括半圆环形盾构外壳，内弧形实体盾构支座，半圆环形盾构外壳的半圆环状外凸面能与盾构支座的内弧面匹配固定；半圆环形盾构外壳利用盾构支座与模型箱的前面板、底面板、左面板固定，半圆环形盾构外壳左侧与模型箱一侧面板开口对齐；盾构支座的底面固定在模型箱的底面板，保证半圆环形盾构外壳的半圆环状内凹面面向模型箱的前面板；

参见附图3，盾构模型为半圆环柱形模型，包括半圆环形盾构外壳12，盾构支座13，用于利用轴对称性分析圆环柱形盾构掘进引起的掘进面的地下水渗流规律及失稳特征。半圆环形盾构外壳12采用镀铝合金钢制成，内直径600mm，盾构支座13为采用高强度合金钢板制成的内弧形实体支座，半圆环形盾构外壳12的半圆环状外凸面能与盾构支座13的内弧面匹配固定。半圆环形盾构外壳12利用盾构支座13安装在模型箱内，具体为：半圆环形盾构外壳12利用盾构支座13与模型箱的前面板、底面板、左面板固定，半圆环形盾构外壳12左侧与模型箱左面板开口中心对齐，盾构支座13的底面固定在模型箱的底面板，保证半圆环形盾构外壳12的半圆环状内凹面面向模型箱的前面板。土仓隔板14的边缘粘贴有橡胶密封条20，略擦着半圆环形盾构外壳12来避免土样进入盾构；土仓隔板14下部设有直径为60mm渣土出口21，连接排土、排水控制装置，实现盾构掘进排土和渗流控制；土、水压力传感器10设置在土仓隔板14上，用于观测掘进面压力分布及波动规律。

参见附图4和5，分别为本实施例提供的模拟试验系统中盾构掘进系统的结构示意图和排土、排水控制装置的局部详图。

盾构掘进系统包括土仓控制装置和排土、排水控制装置。土仓控制装置包括土仓隔板14、轴力计15、传动杆16、直线位移传感器17、变速器18、伺服电机a19及外部支座。

土仓隔板14为半圆形面板，半径略小于半圆环形盾构外壳的半圆环状内凹面的内径整体设置在半圆环形盾构外壳内凹面与模型箱的前面板之间，厚度为40mm。盾构模型的土仓隔板14前内部空间内填充改良渣土34，模拟大型土压盾构机土仓内对开挖土体的改良；土、水压力传感器10设置在土仓隔板14上，用于观测掘进面压力分布及波动规律。

土仓隔板14、轴力计15、传动杆16依次相连，传动杆16穿过模型箱左面板开口，连接到模型箱外的变速器18，变速器18与伺服电机a19相连，伺服电机a19固定在外部支座上。直线位移传感器17一端固定在外部支座上，一端连接在土仓隔板14上。土仓隔板14上设有滚轮，利用滚轮，土仓隔板14能在传动杆16的控制下，在半圆环形盾构外壳内移动。轴力计15用于测试土仓隔板14上的压力，直线位移传感器17测试土仓隔板14的移动距离。伺服电机a19为土仓隔板14移动提供动力，通过变速器18控制土仓隔板14前进和后退的速度，操作时速度应控制在0.02mm/s～0.25mm/s。

排土、排水控制装置包括传输机22、伺服电机b23、排水管24、阀门25、流量计26、废水槽27，在隔板下部渣土出口安装输送机22，传输机22通过模型箱左侧左面板开口，连接到伺服电机b23，伺服电机b23固定在外部支座上；输送机22为直径为60mm管式螺旋输送机，管内预先填充密封胶泥28防止喷涌，通过伺服电机b23控制螺旋速度，实现定量排土、排水控制；传输机22靠近渣土出口下方开口连接排水管24，开口用滤膜封口，防止土样进入排水管24，排水管24上设有阀门25、流量计26，排水管24连接到废水槽27。

参见附图6，为本实施例提供的模拟试验系统中水位控制装置和渗流示踪装置的结构示意图。

水位控制系统包括压力泵29、补给水槽30、给水管31及阀门25。给水管31穿过在模型箱右面板不同高度处的开口，伸入模型箱内3～5cm，开口处缝隙用密封材料填堵，防止漏水，给水管31出口用滤膜封口，防止土样进入管内。补给水槽30、压力泵29通过给水管31相连，给水管31上设有阀门25，用于将水送至不同高度，实现地下水位模拟。

渗流示踪装置包括颜料补给槽32、颜料管33，颜料管33靠近模型箱前面板布置，沿轴线方向架设在浅层土层中，采用颜料补给槽32为颜料管33补给各色颜料，颜料补给槽32架设在模型箱上方，颜料管33上设有阀门控制颜料的补充，颜料在渗流作用下的扩散可以对所在位置处渗流分布进行示踪。

模拟试验系统实施时，具体步骤如下:

（1）安装模型箱1，各面板之间采用硅酮结构胶进行粘接。焊接固定盾构支座13，将半圆环形盾构外壳12粘接到盾构支座13和模型箱前面板11上，左侧对齐模型箱1左面板开口。

（2）安装盾构掘进系统3。土仓隔板14安装在盾构模型2内，土仓隔板14前设置土、水压力传感器10，连接传动杆16、轴力计15、变速器18与伺服电机a19，将排水管24连接到传输机22上，传输机22后端连接伺服电机b23，再将传输机22前端安装到土仓隔板14下部渣土出口21处，并填充一段密封胶泥28。

（3）安装水位控制装置4，开口处缝隙用密封材料填堵，检测模型箱1是否有漏水情况，若出现漏水，对漏水处进行密封。

（4）标定无土样时土仓隔板14移动速度和不同速度下因面板和半圆环形盾构外壳12摩擦产生的轴力计15读数。

（5）移动土仓隔板14到距半圆环形盾构外壳12的前端1/3处，并填充改良渣土34。

（6）在模型箱1内部采用落雨法填充土样7，当土样7高度满足浅埋隧道对应的模型高度时，安装渗流示踪装置，颜料管33沿模型箱前面板11设置，出口埋在浅层土层。

（7）在模型向前面板11前方架设数字摄影相机8、补充光源9。

（8）通过水位控制系统4向模型箱1内加水，模拟地下水位。

（9）水位稳定后，打开排水管24上的阀门25，启动盾构掘进系统3，推动土仓隔板14前进，传输机22开始运作排土。同时打开渗流示踪装置5颜料管33上的阀门25。

（10）通过渗流示踪装置显示地下水渗流规律，土仓隔板14前的土、水压力传感器10观测土仓压力分布及波动规律，相机记录图片经piv分析可得出对称面土体的位移场和速度场，轴力计15的读数变化可以分析开挖面的应力释放。由此来分析掘进面稳定状态，揭示渗流作用下大直径盾构掘进面失稳发展过程及阶段性特征。

利用本实施例提供的大直径土压盾构隧道掘进界面模拟试验系统，可设置不同的试验条件进行如下的对照试验：

在地下水位高度、传输机22排土速度不变情况下，设置不同土仓隔板14推进速度，研究掘进速度对掘进面失稳情况的影响；在地下水位高度、土仓隔板14推进速度不变情况下，设置不同传输机22排土速度，研究排土速度对掘进面失稳情况的影响。

设置不同的地下水位，地下水位越高渗流作用效应更为明显，分析渗流作用对掘进面稳定性的影响，揭示渗流诱发掘进面失稳机理。

在盾构模型2中不填充或填充室内试验制备的不同的改良渣土34，对比分析不同改良渣土对渗流作用的抑制效果。