[发明专利]一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置

说明书

本发明公开了一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，包括模型试验箱、矩形盾壳和蓄水箱；模型试验箱的侧壁采用透明材质制成，其上端敞口，箱内填有土样；矩形盾壳采用透明材质制成，其设置于模型试验箱内的土样中，矩形盾壳的前端敞口，并在敞口处设有一用于模拟掌子面的柔性膜，矩形盾壳中部设有用于存水的腔体，矩形盾壳的后端呈上下排布地设有进水管和泄水管；蓄水箱通过所述进水管连通于矩形盾壳的腔体内。本发明所提供的试验装置结构简单，易于操作，通过瞬时或缓慢降低矩形盾壳内水压引发的柔性膜发生形变，从而模拟泥水盾体矩形掌子面失稳破坏模式及破坏过程，有助于获取矩形掌子面极限泥浆压力，并指导泥水平衡盾构施工。

技术领域

本发明涉及泥水平衡盾构模型试验装置，具体是指一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置。

背景技术

随着隧道技术不断的发展，泥水平衡盾构的适用性逐渐凸显，尤其是在大跨径、砂土层掘进以及砂卵石地层掘进中的优势更加明显。泥水盾构掘进过程中，通过向刀盘密封舱内加入泥水（浆）来平衡矩形掌子面的水、土压力，刀盘的旋转切削和推进在泥水（浆）的环境下进行。在这种情况下，由于泥水压力过大或过小导致矩形掌子面失稳及地表沉降或隆起的事故时有发生。因此，作用在矩形掌子面上的泥水压力的控制就成为了保持矩形掌子面稳定性的重要因素。

类矩形盾构在施工过程中所占水平和垂直方向上地下空间都是最小的，可以节省施工工作量，在工程中逐渐多的应用起来。目前对泥水平衡盾构类矩形掌子面稳定性的研究主要包括理论研究、模型试验研究和数值计算研究，其中泥水平衡盾构矩形方面的研究主要是掘进过程中管片竖向沉降规律、管片被土现象、相邻建筑物或管线等对其影响等方面，而对类矩形泥水压力减小过程中矩形掌子面形态、破坏过程、位移、土压力等动态监测过程的研究较少。因此，进行泥水平衡盾构矩形掌子面变形和应力的实时量测，从而得到泥水盾构泥水压力减小过程的应力应变关系及矩形掌子面失稳模式具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，该装置通过压力水头控制支护压力，并通过对矩形掌子面变形和应力进行实时、精准的量测，从而获得泥水平衡盾构矩形掌子面失稳机理。

本使用新型采用如下技术方案：

一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，包括模型试验箱、矩形盾壳和蓄水箱；所述模型试验箱的侧壁采用透明材质制成，其上端敞口，箱内填有土样；所述矩形盾壳采用透明材质制成，其设置于模型试验箱内的土样中，矩形盾壳的前端敞口，并在敞口处设有一用于模拟掌子面的柔性膜，矩形盾壳中部设有用于存水的腔体，矩形盾壳的后端呈上下排布地设有连通于空腔内的进水管和泄水管；所述蓄水箱通过所述进水管连通于矩形盾壳的腔体内。

进一步，还包括一导砂槽，所述导砂槽的一端设置于所述柔性膜下方，另一端延伸至模型试验箱外部，用于将试验过程中产生的坍塌土样及时排出。

进一步，还包括采集仪以及电连接于所述采集仪的孔隙水压力传感器、土压传感器和位移传感器；若干所述孔隙水压力传感器和土压传感器均匀埋设于所述土样中，若干所述位移传感器设置于所述柔性膜的土样接触面。

更进一步，还包括相机和LED灯；所述相机设置于所述模型试验箱外部，用于实时拍摄土样并进行PIV图像分析；所述LED灯设置于所述模型试验箱与相机之间，用于为模型试验箱提供光线。

再进一步，所述蓄水箱标有刻度，蓄水箱内设有水压力计；所述进水管和泄水管均设有控水阀，并且进水管处装设有一水压计。

进一步，所述矩形盾壳通过若干支撑架设置于所述模型试验箱内。

进一步，所述矩形盾壳的顶部设有排气管。

进一步，所述矩形盾壳由透明有机玻璃制成。

进一步，所述模型试验箱的四个侧壁均由透明有机玻璃制成，且模型试验箱的外表面设有钢架。