[发明专利]模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统及方法

权利要求书

1.一种模拟盾构隧道纵断面内地层损失扩展的试验系统，其特征在于，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(1)，聚氨酯囊(1)上连接两根输水导管(2)，一根用于向聚氨酯囊(1)中输送水 流，一根将聚氨酯囊(1)中的水流导出，所述聚氨酯囊(1)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(1)中紧密堆积将聚氨酯囊(1)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(1)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(1) 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。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述固态粉末采用碳酸钠粉 末。

3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，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)。

4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，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)。

5.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，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)。

7.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，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)。

8.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，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)。

9.根据权利要求1-8任一所述的试验系统进行试验的方法，其特征在于，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(1)上连接两根输水导管(2)，一根用于向聚氨酯囊(1)中输送水流，一根 将聚氨酯囊(1)中的水流导出，在所述聚氨酯囊(1)中填充可溶于水的固态粉末，该 固态粉末在所述聚氨酯囊(1)中紧密堆积将聚氨酯囊(1)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 (1)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；

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)；

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)。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地层损失模型采用多个圆弧 状聚氨酯囊(1)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(1) 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。