[发明专利]一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置及其试验方法

说明书

本发明公开了一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置及其试验方法，该方法包括以下步骤：1)安装好试验装置；2)清洗试验装置并擦净；3)在透明土模型箱内配制透明土并进行密封性检测试验；4)拆开试验装置进行重新清洗，并擦净；5)重新组装试验装置并在透明土模型箱内配制透明土，静置24h；6)布置好工业相机和激光发射器；7)打开激光发射器，调节工业相机；8)启动刀盘驱动模拟装置匀速转动和匀速前进，开挖完成后，将与盾构机模拟装置连接的其他装置分离并静置，持续记录透明土散斑场的变化；9)保存图像和数据并分析处理。本发明可真实模拟盾构机开挖隧道的过程，并可以精确监测盾构机模拟装置周围土体位移场变化。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置及其试验方法。

背景技术

随着我国城市建设的飞速发展，对轨道交通的运营速度和运力也有了更高的要求。城市轨道交通以其安全、快速、高运力等特点在城市交通中发挥着巨大的作用。盾构机以其施工时推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低；不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动等优点在世界范围内被广泛应用。因此研究盾构机开挖隧道过程中周围土体位移场的变化对控制既有盾构机开挖隧道的变形和优化盾构机开挖隧道技术有重要意义。

使用透明土模型试验技术来研究隧道施工时周围土体位移场的变化已广泛应用。然而，大部分的透明土隧道模拟实验都是使用预制水管排水来模拟隧道施工过程，这种模拟方法中，开挖隧道过程不符合实际开挖过程；排出的水重度和透明土重度不一致，影响隧道模型与周围土体相互作用；没有模拟开挖过程形成的隧道衬砌支护，会使周围土体位移场变化较大。

因此，亟需开发一种模拟盾构机开挖隧道引起周围土体位移场变化的透明土室内模型试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟盾构机隧道开挖引起周围土体位移场变化的透明土模型试验装置，包括透明土模型箱、盾构机模拟装置、隧道上浮模拟装置、盾构机前盾旋转模拟装置、盾构机前进驱动模拟装置、底座、两台工业相机和激光发射器。

所述底座包括支架以及安装在支架上的透明玻璃板，支架安装在地面上，透明土模型箱放置在透明玻璃板上。

所述透明土模型箱为上端敞口的矩形箱体，透明土模型箱的一个侧板记为侧板A，侧板A的内壁与透明玻璃板的一侧边缘齐平。

所述透明土模型箱的侧板A上开设有竖直的矩形槽，矩形槽贯穿侧板A的内外壁以及上下边缘。

所述矩形槽的两个竖直边缘上均开设有滑槽Ⅰ，滑槽Ⅰ贯穿侧板A的上下边缘。

所述隧道上浮模拟装置为竖直设置的矩形板，隧道上浮模拟装置上开设有圆形通孔，密封圆环安装在隧道上浮模拟装置的圆形通孔内。

所述隧道上浮模拟装置的两个竖直边缘上均设置有条形滑块Ⅰ，条形滑块Ⅰ的上下端分别与隧道上浮模拟装置的上下端齐平，条形滑块Ⅰ与滑槽Ⅰ相匹配。

所述隧道上浮模拟装置上的两个条形滑块Ⅰ分别与矩形槽竖直边缘上的两个滑槽Ⅰ配合安装，隧道上浮模拟装置的上下端分别伸出侧板A的上下边缘。

所述盾构机模拟装置包括盾体模拟模型、刀盘模拟装置和刀盘驱动模拟装置。

所述盾体模拟模型包括盾体模型和两个凸块，盾体模型为两端敞口的空心圆柱体结构，盾体模型的两端分别记为前端和后端，两个凸块固定在盾体模型的内壁上并靠近盾体模型的前端，两个凸块的连线穿过盾体模型的轴心。