[发明专利]一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置

说明书

本发明涉及一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置，包括用于容纳透明土的透明模型箱和用来模拟施工中隧道的管道，管道一端伸入模型箱内，一端伸出模型箱外，其特征在于，在管道的伸入模型箱内的一侧通过橡胶膜保持密闭且松弛；管道上配置压力表，并通过设置有止气阀的软管与空气压缩机相连；在模型箱的上方固定有用来生成横向和纵向的激光切面的十字激光器；在模型箱周边固定有相机，相机拍摄的图像被送入计算机。本发明可以用来动态模拟开挖面失稳破坏的发生过程，研究影响开挖面稳定性的诸多因素。

技术领域

本发明涉及一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置，适用于研究盾构开挖面失稳过程中土体变形破坏的时空演化规律。

背景技术

盾构机问世至今已有190多年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。由于盾构法开挖引起地表沉降小，掘进速度快，隧道成型质量较好，机械化程度高，造价低，具有很高的技术经济优越性，如今已成为地下隧道工程建设中最常用的方法。由于盾构开挖是一个三维推进的动态过程，在盾构机的掘进过程中，隧道环向土体位移可以通过及时施加管片衬砌加以控制，但在隧道的掘进方向，无论采用哪种施工方法，保证开挖面稳定而施加的支护力的控制都难以做到完全等效于原始地应力，开挖面支护力的增大或减小，都会引起周围土体发生相应的位移乃至发生重大事故，因此对于开挖面稳定性的研究不可或缺。

模型试验因为便于控制试验参数和较好的经济性，在隧道开挖面稳定性的研究中得到了广泛应用。现有隧道开挖面稳定性模型试验根据相似比确定模型箱的设计尺寸和模型土，通过开挖面位移的方式模拟开挖面的失稳过程，在土体表层设置位移计观测土体表面的土体变形规律，在土体内部埋设土压力盒观测失稳过程中的土体压力变化规律，由此得到开挖面失稳破坏的变化规律。

虽然现有模型试验装置能够得出开挖面失稳前和失稳后土体表的变化情况，但是仍然存在比较严重的缺点：

(1)与实际工况不符：影响开挖面稳定性的主要因素是支护力的大小，支护力不足导致开挖面失稳。而现有模型试验采用开挖面位移模拟盾构开挖面失稳破坏的过程，试验过程主要影响因素是位移的大小而不是支护力的改变，因而常规试验并不完全符合实际工况，也无法得到支护力这一主要影响因素与土体内部变形的关系。

(2)测量局限性较大：只能观测到开挖面失稳过程中土体表面沉降的变化规律，无法观测土体内部的变形规律。

(3)试验数据失真：采用探入式测量工具进行测量，会改变试验土体的性质已经发生改变，试验结果存在各种不确定性。

近些年来，随着透明土模型的发展和数字图像处理技术在岩土工程中的应用，使得对土体内部细观变形的研究成为可能，应用透明土作为模型试验土层，结合数字图像处理技术、激光散斑技术，通过模拟开挖面支护力变化过程对盾构施工过程中幵挖面周围土体变形破坏进行观测，得到开挖面失稳破坏全过程土体变形破坏的时空演化规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于透明土的模拟隧道开挖面失稳的试验装置，可以动态模拟开挖面失稳破坏的发生过程，研究影响开挖面稳定性的诸多因素，为盾构法施工提供理论指导。技术方案如下：

一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置，包括用于容纳透明土的透明模型箱和用来模拟施工中隧道的管道，管道一端伸入模型箱内，一端伸出模型箱外，其特征在于，在管道的伸入模型箱内的一侧通过橡胶膜保持密闭且松弛；管道上配置压力表，并通过设置有止气阀的软管与空气压缩机相连；在模型箱的上方固定有用来生成横向和纵向的激光切面的十字激光器；在模型箱周边固定有相机，相机拍摄的图像被送入计算机。

优选地，所述的管道为PVC管。所述的相机有两个，一个位于模型箱的上方，另一个位于模型箱的侧面。

本发明具有显著的科研价值和实用价值，可为施工和科研单位进行盾构开挖面失稳破坏规律研究开辟新的途径。与现有的盾构隧道开挖面稳定性试验装置相比，本发明具有以下几个方面的优点：