[发明专利]一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法，通过机械手控制加载杆带动隧道开挖面位移的方法，能够模拟隧道掌子面开挖过程，通过外部接水箱以及排水管路可以实现不同水位的模拟，且掌子面开挖模拟通过离心室电脑控制，水位控制可通过远程遥控控制，系统整体上实现了离心试验过程的自动化控制，达到了富水富水软黏土盾构隧道掌子面开挖离心模拟的目的。本发明结构明确，各部分便于拆卸安装，可重复使用，且自动化控制程度高，可以较好的实现不同试验工况的模拟。

技术领域

本发明属于离心模型试验领域，具体涉及一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法。

背景技术

随着我国交通网不断完善，越来越多的水底隧道开始修建，水底隧道施工一般采用沉管法和盾构法，尤其是盾构法，得益于其安全、快捷、方便等特点，应用更为广泛。对于盾构法施工主要问题就是掌子面稳定问题。水底地层多为富水软黏土地层，土体强度较低，工程地质条件复杂，采用盾构法施工时，水土压力共同作用于盾构掌子面，可能造成掌子面失稳破坏，威胁隧道施工安全。如何研究并评价富水软黏土隧道盾构开挖掌子面稳定问题对指导隧道安全施工具有重要意义。室内离心模型试验是一种岩土领域较好的研究手段，采用离心模型试验方法研究富水软黏土隧道开挖过程中掌子面稳定问题也是一种有效手段。但常规离心模型试验系统没有提供水源模拟系统，也没有提供传力系统，因此目前的离心试验尚不能较好的模拟富水软黏土地层盾构开挖掌子面模拟过程，开发一套模拟富水软黏土隧道盾构开挖掌子面稳定的力学试验系统与试验方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置及试验方法，解决了在离心试验系统中较好的模拟富水软黏土地层隧道盾构开挖掌子面不稳定的问题。

为了达到上述目的，一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置，包括模型箱，模型箱内设置有通过盾构壳体，盾构壳体的端面上设置有开挖面，盾构壳体内设置有防水隔板，防水隔板将盾构壳体内分隔成两个腔体，盾构壳体内设置有贯穿两个内腔并与开挖面接触的光线光栅传感器，光线光栅传感器固定在加载杆上，加载杆伸出模型箱并连接机械手，机械手通过X、Y、Z轴平移机构和C向旋转机构驱动运动，模型箱底部设置有储水箱，储水箱通过排水管路接入盾构壳体内与开挖面相接触的腔体内；

光线光栅传感器连接解调仪，解调仪通过路由器连接下游设备。

模型箱底部设置有支撑块，盾构壳体固定在支撑块上。

排水管路上设置有溢流孔。

排水管路上设置有用于向模型箱内注水的电磁阀。

模型箱底部设置有排水口，排水口上设置有用于控制排水口开闭的电磁阀。

机械手通过机械手法兰连接加载杆。

模型箱外侧覆盖有有机玻璃。

一种模拟富水软黏土隧道掌子面稳定的离心装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一，将部分土样装入模型箱内，然后安放隧道模型盾构壳体、加载杆以及光纤光栅传感器，进而继续填充土样至模型箱的预定高度，并加水浸湿到预定水位高度，在常重力下实现渗流；

步骤二，将加载杆、光纤光栅传感器和开挖面连接固定，并将导线引出，之后加载杆与机械手连接，并将机械手和模型箱一同调入离心机吊篮内；

步骤三，将储水箱固定在离心机的转臂上并将模型箱封顶，把储水箱排水管路接入模型箱顶部的入水孔；

步骤四，将光栅光纤传感器导线接入解调仪，并将解调仪固定在离心机转臂上，之后调试信号接收；

步骤五，开始进行离心，通过排水管路模拟水位变化；