模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地下工程试验技术领域，可以模拟地铁盾构隧道施工掘进引起的不同形状及规模的地层损失在地下水渗流及地表荷载作用下的发展过程，为研究隧洞纵断面地层损失坍塌和贯通机制的模型试验提供了依据。
【背景技术】
[0002]目前随着城市建设的发展，地面交通日益拥挤，而地铁可有有效解决交通拥挤问题，其中盾构法因具有施工速度快、对地面环境影响小等优点在城市地铁施工中得到了广泛应用。但是盾构法施工会造成周边地层扰动，施工不当极易造成隧道上方地层破坏进而引起地表塌陷、既有建筑物不均匀沉降等一系列问题，根据相关统计，因为盾构施工造成的地层损失诱发的地表塌陷事故占盾构隧道施工事故总数的60%，地层损失诱发的地面塌陷事故由于其不可预见性会造成严重的后果。因此，有必要针对盾构施工引起的纵向地层损失在地下水渗流和地表荷载作用下的塌落和贯通机理及其所引发的的地表沉降塌陷问题进行深入研究。
[0003]目前针对盾构施工引起的地层损失的塌落和贯通机理及其所引发的的地表变形的研究主要采用现场测试法、数值计算法和模型试验法。模型试验基于相似理论，因为具有模型尺寸较小，经济性好，针对性较强，测试数据准确等优点，在土木工程研究领域得到了广泛的应用。目前在盾构施工所引发的地层损失扩展机理的模型试验研究中，主要采用水囊法和气囊法和冰袋法来模拟地层损失。水囊法与气囊法类似，在进行试验土体填充时埋入水囊，水囊上连接一导管，该导管延伸至试验箱体外，并通过阀门控制水的自然流出进而形成地层损失。气囊法是在试验箱体内预先放置气囊，通过导管连接气栗将气囊充满，然后填充土体过程中，材料填充完毕并压实后，放掉空气即在试验土体中形成地层损失。冰袋法在水囊法的基础上进行了改进，用冰块代替水囊法中的水，并在冰块制作时放入加热装置在试验过程中开启加热装置使冰块融化，形成地层损失。
[0004]现有的模拟装置与方法中，前两种方法都采用流体来形成地层损失，对于地层损失对的形状及大小无法进行准确控制。而实际研究中为了使结果具有对比性往往需要控制地层损失的形状。第四种方法克服了上述缺点，但在充填土体中过程中冰块有可能融化。上述方法主要用于隧道横断面地层损失模拟，且未考虑渗流和地面荷载等作用的影响。
【发明内容】
[0005]本发明旨在针对现有技术的不足提供一种模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统及方法。该系统能较好的解决现有模型试验中纵断面方向模拟地层损失形状尺寸难以控制的问题，且可以有效模拟渗流及地面荷载影响的作用。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0007]—种模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统，包括:模型试验箱、地层损失模型、地表荷载加载装置、渗流装置、地中及地表位移测量装置、土体位移路径监测装置；模型试验箱内部填充试验土体;所述地层损失模型包括聚氨酯囊(I)，聚氨酯囊(I)上连接两根输水导管(2)，一根用于向聚氨酯囊(I)中输送水流，一根将聚氨酯囊(I)中的水流导出，所述聚氨酯囊(I)中填充有可溶于水的固态粉末，该固态粉末在所述聚氨酯囊(I)中紧密堆积将聚氨酯囊(I)撑起形成预期形状的地层损失模型，地表荷载加载装置包括模态激振器(3)、传力板(4)、激振器反力梁(5)，所述传力板(4)放置在试验土体表面，模态激振器
(3)压在传力板(4)上，模态激振器(3)顶部固定在激振器反力梁(5)上;所述地层损失模型采用多个圆弧状聚氨酯囊(I)紧密排列在一起形成;试验时，依次向紧密排列的圆弧状聚氨酯囊(I)注水，溶解所述固体粉末并通过另一根输水管排出，生成沿隧道纵向连续的地层损失。
[0008]所述的试验系统，所述固态粉末采用碳酸钠粉末。
[0009]所述的试验系统，所述渗流装置包括用于提供渗流水源的水箱(6)及控制水流大小的阀门(7)和导管(8)、出水龙头(9)。
[0010]所述的试验系统，所述地中及地表位移测量装置包括放置于试验土体(10)中的用来量测地中位移及地表位移的电子位移计(11)及位移计固定横梁(12)。
[0011 ]所述的试验系统，所述模型试验箱为一长方体结构，顶部开口不予封闭，用于填充试验土体，模型试验箱正面采用透明面板(13)，以便观察内部试验土体，其他四个面采用不锈钢钢板制作;透明面板上制作有半圆结构的隧道模型(22)，隧道模型(22)与试验箱体一体制作；
[0012]所述的试验系统，透明面板(13)的外表面固定有位移基准标志(14)，透明面板
(13)内侧的试验土体中放置有用于显示土体移动路径的低磨阻的彩色玻璃球(15);
[0013]所述的试验系统，还包括土体位移路径监测装置，土体位移路径监测装置包括高频相机(16)、数据线、计算机(18)。
[0014]所述的试验系统，试验土体内部设置有加速度传感器(19)，采用加速度传感器
(19)来量测地层损失上方土体的加速度并通过数据线将信号传输至计算机(18)。
[0015]根据任一所述的试验系统进行试验的方法，包括以下步骤:制作模型试验箱、制作地层损失模型、在模型试验箱中填充试验土体并安装电子位移计(11)、加速度传感器(19)、放置彩色玻璃球(15);试验土体填充完之后进行压实处理，在试验土体表面安装模态激振器(3)、传力板(4)和激振器反力梁(5)以及水箱(6)、水流控制阀门(7)、导管(8);所述地层损失模型的制作方法为:在一聚氨酯囊(I)上连接两根输水导管(2)，一根用于向聚氨酯囊
(I)中输送水流，一根将聚氨酯囊(I)中的水流导出，在所述聚氨酯囊(I)中填充可溶于水的固态粉末，该固态粉末在所述聚氨酯囊(I)中紧密堆积将聚氨酯囊(I)中撑起形成预期形状的地层损失模型;然后生成地层损失:模拟施工掘进过程，依次向紧密排列的圆弧状聚氨酯囊(I)注水，溶解所述固体粉末并通过另一根输水管排出，生成纵向连续的地层损失；
[0016]开启水流控制阀门(7)，让水流通过导管(8)流入试验土体，并开启出水龙头(9)，让水流流出模型试验箱(21);开启模态激振器(3)，让其输出所需荷载;并通过加速度传感器(19)测量土体加速度，并将信号通过数据线将信号传输至计算机(18)。
[0017]在试验过程中通过电子位移计(11)测量并记录地表和地中位移，并通过加速度传感器(19)测量土体加速度，并将信号通过数据线传输到计算机(18)，同时用高频相机(16)监测地层损失上方土体移动路径及地层损失的扩展过程，通过数据线连接到计算机(18)。
[0018]所述的方法，所述地层损失模型采用多个圆弧状聚氨酯囊(I)紧密排列在一起形成;试验时，依次向紧密排列的圆弧状聚氨酯囊(I)注水，溶解所述固体粉末并通过另一根输水管排出，生成沿隧道纵向连续的地层损失。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0020]1、本系统利用可溶于水的固体粉末碳酸钠填充聚氨酯囊，可以方便制作成不同形状，且在试验时能保持既有形状不变，此方法可有效模拟不同形状和规模的地层损失。
[0021]2、本系统采用水流溶解固体粉末的原理，可以控制地层损失形成的速度且有效的避免了模块边围岩参数的影响和对土体所造成的扰动问题，使试验环境更符合工程实际情况。
[0022]4、本系统可以模拟地下水渗流对地层损失的影响，并通过控制水位的高低来控制渗流速度。
[0023]5、本系统通过在试验土体上部添加激振器模拟地面荷载影响。
[0024]6、在试验过程中通过在围岩中放置特征点，采用高速摄影测量原理量测了隧道上方围岩的移动距离和路径，同时采用位移计量测了地层损失扩展过程中的地中位移。并在地层中布置加速度传感器测量了地层的振动情况。
【附图说明】
[0025]图1为本发明所述聚氨酯囊及导管；
[0026]图2为本发明试验装置的正视图；
[0027]图3为本发明试验装置的侧视图(模型试验箱部分沿A-A进行剖切)；
[0028]其中，1、聚氨酯囊;2、输水导管;3、模态激振器;4、传力板;5、激振器反力梁;6、水箱;7、水流控制阀门；8、导管;9、出水龙头；10、试验土体;11、电子位移计；12、位移计固定横梁；13、透明面板;14、位移基准标志；15、彩色玻璃球;16、高频相机;17、数据线；18、计算机；19、加速度传感器;20、数据线;21、模型试验箱;22、隧道模型;23电子位移计测量杆。
【具体实施方式】
[0029]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0030]如图1-图3所示，一种模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统，包括:模型试验箱、地层损失模型、地表荷载加载装置、渗流装置、地中及地表位移测量装置、土体位移路径监测装置；
[0031]模型试验箱内部填充试验土体;所述地层损失模型包