一種模擬隧道開挖過程的模型試驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地下工程試驗技術(shù)領(lǐng)域，可以模擬地鐵隧道開挖過程中圍巖壓力及地層變形規(guī)律，為隧道開挖過程中圍巖壓力變化及地層變形機理提供科學(xué)的認(rèn)識，為隧道設(shè)計與施工方案的優(yōu)化提供理論依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和進步，城市軌道交通也得到迅速發(fā)展，尤以城市地鐵最為顯著。而城市地鐵大都跨越建筑物密集、人口集中的城區(qū)，施工過程中的地層變形對既有建筑物或構(gòu)筑物的安全以及人們正常的生產(chǎn)生活有著不可避免的影響。且隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，地鐵隧道工程的建設(shè)將呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，對施工安全與隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計亦會提出更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求，使設(shè)計與施工更先進化和經(jīng)濟化；而針對隧道開挖過程中圍巖壓力變化的規(guī)律性研宄無疑能從機理上更科學(xué)的認(rèn)識和解釋隧道力學(xué)原理，從而為實際地鐵工程建設(shè)提供更科學(xué)合理的指導(dǎo)，適應(yīng)時代的要求。
[0003]現(xiàn)有的關(guān)于隧道開挖過程模擬的模型試驗研宄大都為以巖石介質(zhì)為主山嶺隧道。部分關(guān)于城市地鐵隧道的模型試驗研宄也往往是針對實際地鐵工程進行的，一方面所進行的模型試驗對工程中規(guī)律性的問題提煉不夠；另一方面沒有采用同一試驗研宄平臺對不同地質(zhì)不同埋深條件下的地鐵隧道開挖過程進行系統(tǒng)研宄，且大都關(guān)注于隧道圍巖的破壞模式和破壞機理研宄，對試驗過程中的地層變形關(guān)注度亦不夠。本發(fā)明研制一整套模擬隧道開挖過程的模型試驗平臺，包括模型箱、隧道開挖模擬系統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)以及氣囊加載系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)對均勻地層中不同埋深條件下隧道開挖過程中圍巖壓力的變化規(guī)律與地層變形機理進行模擬研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明方法利用自主研發(fā)的能夠模擬均勻地層地鐵隧道開挖過程中圍巖壓力與地層變形規(guī)律研宄的試驗裝置，可以獲得地鐵隧道開挖過程中圍巖壓力的變化規(guī)律與地層變形規(guī)律，主要解決了以下技術(shù)問題:(I)開挖過程的精確實現(xiàn)。本裝置利用半徑大小與試驗設(shè)計隧道半徑大小相同的圓柱形水囊來模擬隧道開挖，與通常模型試驗中利用機械手等工具模擬開挖相比，洞室形狀更規(guī)整，對周圍土體擾動程度更小；且能夠利用壓力水泵或壓力水頭賦予等效地層壓力。(2)不同埋深條件的實現(xiàn)?？紤]模型夯筑以及模型箱安裝的方便性，模型箱高度設(shè)計為1.5m，在高度限制下我們發(fā)明了能夠提供氣囊壓力氣囊加載系統(tǒng)，在精密減壓閥的控制下能提供0-0.4MPa的氣囊壓力，實現(xiàn)了從超淺埋到深埋的不同埋深條件下的隧道開挖過程的模擬研宄。(3)模擬裝置的簡便安裝于操作。巖土工程領(lǐng)域的模擬試驗通常都需要體積比較龐大的模擬裝置來實現(xiàn)，因此，模型裝置的制作、安裝與操作往往比較復(fù)雜。本裝置采用模型箱框架與亞克力板作為拼裝材料，實現(xiàn)了模擬裝置的簡單拼裝與拆卸，不僅操作簡易，而且能夠回收利用，節(jié)省試驗成本。(4)地層變形的全場實時觀測。本發(fā)明方法采用非接觸式應(yīng)變位移測量分析系統(tǒng)對開挖過程中的地層變形進行量測和分析，能夠?qū)崟r全程記錄模型觀測面范圍內(nèi)任意點的位移，操作便利、精度高。
[0005]本發(fā)明方法的主要技術(shù)關(guān)鍵是將模型箱框架(I)與亞克力板(2)拼裝成模型箱后，將模擬均勻地層的砂土(15)分10層填入模型箱并夯實，期間將隧道開挖模擬系統(tǒng)與土壓力監(jiān)測系統(tǒng)在試驗設(shè)計位置處植入。對于淺埋隧道開挖工況，在模型表面處安裝地表沉降量測系統(tǒng)；對于深埋隧道開挖工況，在模型表面處安裝氣囊加載系統(tǒng)。在地層變形測量系統(tǒng)就位運行后啟動隧道開挖模擬系統(tǒng)，通過連接水囊排水口的針閥控制流量來模擬整個開挖過程。在開挖過程中利用非接觸式應(yīng)變位移測量分析系統(tǒng)全場實時記錄模型觀測面范圍內(nèi)的地層變形信息。
[0006]一種模擬隧道開挖過程的模型試驗裝置，其特征在于；包括模型箱與地層系統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)、隧道開挖模擬系統(tǒng)、地層變形測量系統(tǒng)、地表沉降測量系統(tǒng)、土壓力監(jiān)測系統(tǒng)、氣囊加載系統(tǒng)；
模型箱與地層系統(tǒng)，包括模型箱框架(I)、亞克力板(2)、隧道孔洞(14)、砂土(15);亞克力板(2)設(shè)置在模型箱框架(I)正面板的中心為長方形，且亞克力板(2)中心開洞；模型箱框架(I)與亞克力板(2)通過螺栓連接形成試驗?zāi)Ｐ拖洌?br> 隧道開挖模擬系統(tǒng)，包括水囊(4)、針閥、通水膠管、密封帶、量筒、壓力水泵；水囊排水口(3)通過法蘭連接對絲、對絲與針閥連接以控制出水體積；通水膠管兩端分別與壓力水泵、針閥連接；
地層變形測量系統(tǒng)，也即非接觸式應(yīng)變位移測量分析系統(tǒng):包括CCD攝相機、圖像采集卡、控制計算機；通過拍攝變形前后模型觀測面的散斑場，然后進行相關(guān)運算得到變形信息；模型觀測面即為亞克力板所在面；
地表沉降測量系統(tǒng)，包括百分表，磁性表座；
土壓力監(jiān)測系統(tǒng)，包括微型土壓力計，導(dǎo)線，靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀；微型土壓力計按試驗設(shè)計位置分別監(jiān)測洞室拱頂與拱腰位置的豎向土壓力與側(cè)壓力；
氣囊加載系統(tǒng)，包括橡膠氣囊(11)，通氣膠管，精密減壓閥，空氣壓縮機。
[0007]進一步，模型箱框架與亞克力板通過螺栓連接形成試驗?zāi)Ｐ拖?；模型箱框架在立面四周均采用槽鋼與角鋼進行加固，經(jīng)過加固后模型箱框架在最大設(shè)計豎向荷載(0.2MPa)下的側(cè)向變形通過百分表量測不超過0.02mm，完全滿足試驗要求的平面應(yīng)變條件。
進一步，隧道結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)采用鍍鋅鐵薄壁圓筒，在滿足應(yīng)力相似條件下通過薄殼理論設(shè)計為厚度Imm的鍍鋅鐵薄壁圓筒。
進一步，地層變形測量系統(tǒng)采用非接觸式應(yīng)變位移測量分析系統(tǒng)，其精度達ΙΟμπι。最高采集頻率117ΗΖ。能夠?qū)崿F(xiàn)對開挖過程中模型觀測面圍巖變形的全程實時量測，得到整個觀測面的位移信息。
進一步，隧道開挖模擬系統(tǒng)采用外徑與隧道洞徑相同的圓柱形水囊，水囊采用PVC材料制作，其強度和耐久性均滿足試驗要求。與通常模型試驗中利用機械手等工具模擬開挖相比，利用水囊系統(tǒng)模擬開挖過程使模型隧道洞室形狀更規(guī)整，對周圍土體擾動程度更??；并且在針閥與水泵的控制下，可以通過分布排水能夠精確的模擬開挖過程中的地層損失，從而實現(xiàn)開挖過程中圍巖變形隨地層損失的發(fā)展規(guī)律。而且通過水泵的作用能夠等效賦予地層壓力，與傳統(tǒng)的試驗方法相比，在開挖機理上更符合實際工程。
進一步，氣囊加載系統(tǒng)中，加壓氣囊在考慮土顆粒、模型箱箱壁對其的摩擦效應(yīng)以及最大設(shè)計壓力作用下采用雙層設(shè)計，內(nèi)膽采用聚氨酯材料制作，外囊采用PVC材料制作，其強度和耐久性亦滿足試驗要求?？諝鈮嚎s機采用常規(guī)的活塞式空壓機、可提供0.SMpa的最大壓力；精密減壓閥選用日本SMC公司生產(chǎn)的IR2000/IR2010系列減壓閥，調(diào)壓范圍在0-0.4MPa,設(shè)定靈敏度在0.2%F.s.以內(nèi)。氣囊加載系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可伺服加壓，在開挖過程中持續(xù)提供穩(wěn)定的壓力；而且在調(diào)壓范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)不同埋深條件下隧道開挖過程。從而得到隧道開挖過程中圍巖變形隨埋深的發(fā)展規(guī)律。
[0008]模型箱與地層系統(tǒng)，模型箱框架(I)與亞克力板(2)通過螺栓連接形成試驗?zāi)Ｐ拖洌瑏喛肆Π逅诜秶鳛槟Ｐ陀^測面，一方面便于地層變形信息的實時記錄與現(xiàn)象觀察；一方面其表面光滑有效降低了邊界效應(yīng)。砂土(15)分10層填入模型箱并夯實，每層表面撒一層石英砂作為標(biāo)志層(13)以控制土體夯實密度以及便于地層變形量測。其中:
[0009]模型箱框架(I)均采用U型槽鋼(8)加固，加固方案見附圖1 ;
[0010]為方便模型夯筑與土壓力監(jiān)測系統(tǒng)的植入，模型框架(I)后視擋板采用可拆卸式拼裝鋼板，利用角鋼支撐(9)與螺栓連接其拆卸分界線(10)見附圖2 ;
[0011]模型箱蓋板(5)亦采用采用U型槽鋼⑶加固，加固方案見附圖4;
[0012]砂土(15)分10層填入模型箱并夯實，其中模型箱孔洞(14)洞底以下每層20cm，孔洞洞底以上每層10cm，夯筑時通過控制每層土體的質(zhì)量來控制夯實密度，夯筑方案見附圖5。
[0013]隧道結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，采用壁厚為1.0mm的鍍鋅鐵薄壁圓筒，在圓筒內(nèi)外壁對稱布置應(yīng)變片以量測隧道開挖過程中襯砌結(jié)構(gòu)的變形與受力規(guī)律。其中:
[0014]鍍鋅鐵薄壁圓筒設(shè)計半徑大小與試驗設(shè)計隧道半徑大小相同；
[0015]其隧道開挖過程仍采用內(nèi)置于圓筒的水囊來進行模擬。
[0016]隧道開挖模擬系統(tǒng)，采用半徑大小與試驗設(shè)計隧道半徑大小相同的圓柱形水囊
(4)來模擬隧道開挖，與通常模型試驗中利用機械手等工具模擬開挖相比，洞室形狀更規(guī)整，對周圍土體擾動程度更小。其中:
[0017]水囊在排水口(3)處設(shè)計一個固定法蘭通過對絲連接針閥達到控制水流量的目的；
[0018]利用壓力水泵或者壓力水頭近似的賦予等效地層壓力。
[0019]地層變形測量系統(tǒng)，采用非接觸式應(yīng)變位移測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r全程記錄模型觀測面范圍內(nèi)任意點的位移，操作便利、精度高。<