[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

说明书

技术领域

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

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。

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 泵将气囊充满，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。

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

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。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

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；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。

所述的试验系统，所述固态粉末采用碳酸钠粉末。

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)。

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)。

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；