[发明专利]研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置及方法

权利要求书

1.一种研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置，其特征在于，所述装置包括试验箱、模型隧道及控制模块；

所述试验箱为长方体结构，所述试验箱正面板及背板中部开口，用于安置模型隧道；所述模型隧道安置在模型箱中部，通过控制模块控制模型隧道直径的改变，模拟盾构隧道掘进过程中的地层损失，从而在土体中形成土拱效应；

所述模型隧道由互相咬合的多环管片错缝拼接而成，所述多环管片咬合方式为，奇数环管片两端开有圆弧形凹槽，偶数环管片两端各有两根棒状凸起，棒状凸起插入两片奇数环管片相邻的圆弧形凹槽内，并沿圆弧方向自由滑动，从而带动两环管片发生相对环向转动；所述模型隧道管片外径相同，内径则由隧道中部向两端线性增大；

所述控制模块共两套，分别安装在隧道两端；所述控制模块包括变截面导杆和减速电机；所述变截面导杆放置在隧道内部，长度为隧道长度的一半，截面尺寸与隧道内表面尺寸一致；所述减速电机与导杆相连，并通过控制导杆的移动改变模型隧道的直径：导杆往隧道中部移动，隧道直径增大，导杆往隧道两端移动，隧道直径减小。

2.根据权利要求1所述一种研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置，其特征在于，所述试验箱正面为透明钢化玻璃面板，其余侧板、背板及底板为不锈钢板。

3.根据权利要求1所述一种研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置，其特征在于，所述模型隧道外部套有一橡胶套，橡胶套内径与模型隧道最小外径相同。

4.根据权利要求1所述一种研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置，其特征在于，所述多环管片中的每环管片由四块互相独立的小管片组成，小管片外表面粘贴薄膜压力传感器。

5.根据权利要求3所述一种研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置，其特征在于，所述模型隧道通过橡胶套与试验箱的正面板及背板中部开口连接，并对模型隧道和试验箱间的孔隙进行密封。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述试验装置的外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)试验准备：放置试验装置并清理试验箱，并对其内壁进行润滑；

(2)填筑第一层土体：将试验用砂性土分层倒入试验箱，并夯实至最大密实度，第一层土体厚度等于模型隧道最大直径；

(3)安装模型隧道：拼接隧道管片，粘贴薄膜压力传感器，并将拼装好的隧道套入橡胶套中，将两套控制模块的变截面导杆分别从隧道两端插入隧道内部，使得隧道管片带动橡胶套外扩；模型隧道直径达到最大后，安装在试验箱的正面板及背板中部开口处，并通过橡胶套与试验箱的开口连接密封；

(4)填筑第二层土体：将砂性土与同级配的橡胶颗粒按不同比例配置不同压缩性能的试验土体，采用砂雨法分层填筑至隧道顶部标高处；

(5)填筑第三层土体：采用砂雨法将砂性土填筑至试验设计地表标高处；

(6)盾构掘进模拟：通过减速电机控制两根变截面导杆沿隧道轴线向隧道两端移动，使得隧道直径减小，模拟盾构掘进过程造成的地层损失，并形成土拱效应；通过数码相机拍照自动观测并记录土体位移变化，通过薄膜压力传感器记录土压力变化；

(7)施加外部荷载：在土样表面铺设一块钢板，在钢板上通过不同重量的质量块进行堆载；通过数码相机拍照自动观测并记录土体位移变化，通过薄膜压力传感器记录土压力变化。