一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置及方法，该装置包括模型箱、始发井模型、盾构机模型、位移测量部件、水平顶进设备、密封圈、土压力计和加固土体；土压力计布置在加固土体和饱和土体的接触面；位移测量部件布置在饱和土体中；盾构机模型穿过始发井模型和加固土体；水平顶进设备抵住盾构机模型外端。本发明专利技术可以模拟不同水位条件下，盾构机外壳与土体间隙渗流对地层沉降影响机理；本发明专利技术的模拟结果可对渗流失稳模式提供有效参考和改进，试验结果直观；同时可研究不同加固范围对始发井保护作用的大小；本发明专利技术操作简单便捷，机械化程度较高；并能够通过荧光剂示踪检测地下水渗流作用路径，方便研究相关机理。

A test device and method for simulating the influence of seepage on the front stratum when shield machine starts

【技术实现步骤摘要】
一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置及方法
本专利技术属于岩土工程施工领域，尤其涉及一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置及方法。
技术介绍
进入21世纪以来，城市地下空间开发和利用越来越被人们所重视，并获得了空前的发展。而盾构施工因其机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点，在地铁、地下管线等修建过程中得到广泛的应用。盾构始发是盾构施工工法的主要工序之一，也是盾构施工中最容易发生事故的环节。盾构出洞地下水渗流将会显著增加支护结构所承受的压力，地下水位变化，有效应力增加。此外随着盾构机的推进，盾构掘削面穿越加固土体后，由于施工偏差、盾构摆动，在盾构机外壳体与加固土体之间产生间隙，并在衬砌拼装、盾尾注浆前也往往成为地下水渗流路径，可能引发盾构出洞时前方地层发生沉降等工程事故。目前对盾构始发问题中主要依据还是工程实践经验和数值软件模拟分析，但不同的物理模型都与实际情况存在一定偏差，参数取值难以确定。模型试验方法可以解决软件模拟中存在的诸多问题，并且可根据实际工程进行缩尺寸研究，对实际问题予以解决，试验结果更加直观。模型试验可通过对影响因素的调整来研究不同工况的下的情况，并以此来制定事故多发环节的施工保护控制标准。同时，模型试验还通过荧光示踪法，对地下水渗流路径进行监测，以此研究相关机理。综上所述，现有的软件模拟和经验方法存在误差较大、与实际工程情况不符等问题，亟需通过改进技术来进行解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，包括模型箱、始发井模型、盾构机模型、位移测量部件、水平顶进设备、密封圈、土压力计和加固土体；其中，模型箱内部依次设置始发井模型、加固土体和饱和土体；土压力计布置在加固土体和饱和土体的接触面，其受力膜面位于饱和土体中；位移测量部件布置在饱和土体中；饱和土体上表面低于加固土体，在饱和土体上方设置水层；盾构机模型为中空圆筒结构，其开挖面为带孔有机玻璃板；模型箱一侧开有圆孔，密封圈固定在圆孔内壁，盾构机模型通过该圆孔水平穿过始发井模型和加固土体，密封圈套在盾构机模型上；加固土体和饱和土体的接触面、盾构机模型和饱和土体接触面位于同一平面；水平顶进设备抵住盾构机模型外端。进一步地，所述模型箱为顶部开口的长方体容器。进一步地，所述始发井模型由混凝土模块组成。进一步地，所述加固土体为水泥土。进一步地，所述位移测量部件分布于饱和土体不同深度和水平位置。进一步地，还包括位移测量部件固定架，位移测量部件固定架固定在模型箱上方，位移测量部件的导线固定在位移测量部件架上。进一步地，所述水层是含有荧光剂的水层。进一步地，所述模型箱圆孔直径大于盾构机模型外径。进一步地，所述水平顶进设备为千斤顶。一种基于上述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置的试验方法，包括以下步骤：(1)将始发井模型安装在模型箱一侧，紧靠内壁并固定；(2)在模型箱内装入盾构机模型下方的加固土体，和始发井模型紧密结合保证无渗漏缝隙；(3)盾构机模型从模型箱圆孔穿过始发井模型通孔并进入加固土体，盾构机模型深入到加固土体与饱和土体的接触面平面，固定在模型箱圆孔上的密封圈套在盾构机模型上；(4)在模型箱内加入盾构机模型上方的加固土体，然后在加固土体前安置土压力计，使下方的加固土体、上方的加固土体、盾构机模型的同侧端面以及土压力计承压面均为同一平面；(5)在加固土体前方填筑饱和土体，土压力计受力膜面与饱和土体接触；(6)安装位移测量部件固定架，并将位移测量部件布置在饱和土体中；(7)水平顶进设备通过模型箱圆孔抵住盾构机模型，且水平顶进设备和盾构机模型在同一轴线；(8)在饱和土体上方加入含有荧光剂的水层；(9)操作水平顶进设备将盾构机模型按照设定速度顶进饱和土体；(10)在盾构机模型完全进入饱和土体时，水平顶进设备停止顶进；(11)读取位移测量部件获得饱和土体沉降情况；读取土压力计的示值获得渗流引起的饱和土体对加固土体的土压力变化；用紫外线设备检测荧光剂在饱和土体不同位置的含量判断渗流方向及流量。本专利技术的有益效果是：本专利技术装置可以模拟不同水位条件下，盾构机外壳与土体间隙渗流对地层沉降影响机理，为盾构隧道始发施工理论研究提供一种试验平台。本专利技术的模拟结果可对渗流失稳模式提供有效参考和改进，试验结果直观；同时可研究不同加固范围对始发井保护作用的大小。模拟实验本身操作简单便捷，机械化程度较高；并能够通过荧光剂示踪检测地下水渗流作用路径，方便研究相关机理。附图说明图1为轴侧剖面示意图；图2为正剖面示意图；图3为始发井模型示意图；图4为盾构机模型示意图；图5为土压力计、位移计测点布置示意图；附图标记说明：1-模型箱、2-始发井模型、3-盾构机模型、4-位移测量部件、5-位移测量部件固定架、6-水平顶进设备、7-密封圈、8-土压力计、9-加固土体。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本专利技术。应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以对本专利技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本专利技术权利要求的保护范围内。本专利技术用于模拟盾构机始发时盾构机外壳与土体的间隙发生渗流时对地层沉降的影响。试验装置包括模型箱1、始发井模型2、盾构机模型3、位移测量部件4、位移测量部件固定架5、水平顶进设备6、密封圈7、土压力计8、加固土体9。如图1所示，模型箱1为顶部开口的长方体容器，位移测量部件固定架5固定在模型箱1上方开口处。如图2所示，模型箱1内部从左往右依次设置始发井模型2、加固土体9和饱和土体；饱和土体表示土体间隙不含空气只有水；如图3所示，始发井模型2为根据实际工程尺寸按比例缩小的混凝土结构，由混凝土模块制成；加固土体9为水泥土，所述水泥土的水泥掺入比为15％，水含量为6％-10％；土压力计8布置在加固土体9和饱和土体的接触面，膜面位于饱和土体中；如图5所示，位移测量部件4也布置在饱和土体中，位于不同深度和水平位置，用于测量土体位移变化；位移测量部件4的导线固定在位移测量部件架5上；饱和土体上表面低于加固土体，在饱和土体上方设置水层，水中加入荧光剂，浓度为0.2-0.5wt％。如图4所示，盾构机模型3为根据实际尺寸按比例缩小的中空圆筒结构，开挖面为带孔有机玻璃板；模型箱1左侧开有圆孔，盾构机模型3通过该圆孔水平穿插在始发井模型2和加固土体9中；模型箱1圆孔直径略大于盾构机模型3外径，密封圈7固定在圆孔内壁，套在盾构机模型3上；加固土体9和饱和土体的接触面与盾构机模型3和饱和土体接触面位于同一平面；水平顶进设备6为千斤顶置于支架上，水平顶进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，包括模型箱、始发井模型、盾构机模型、位移测量部件、水平顶进设备、密封圈、土压力计和加固土体等。其中，模型箱内部依次设置始发井模型、加固土体和饱和土体；土压力计布置在加固土体和饱和土体的接触面，其受力膜面位于饱和土体中；位移测量部件布置在饱和土体中；饱和土体上表面低于加固土体，在饱和土体上方设置水层；盾构机模型为中空圆筒结构，其开挖面为带孔有机玻璃板；模型箱一侧开有圆孔，密封圈固定在圆孔内壁，盾构机模型通过该圆孔水平穿过始发井模型和加固土体，密封圈套在盾构机模型上；加固土体和饱和土体的接触面、盾构机模型和饱和土体接触面位于同一平面；水平顶进设备抵住盾构机模型外端。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，包括模型箱、始发井模型、盾构机模型、位移测量部件、水平顶进设备、密封圈、土压力计和加固土体等。其中，模型箱内部依次设置始发井模型、加固土体和饱和土体；土压力计布置在加固土体和饱和土体的接触面，其受力膜面位于饱和土体中；位移测量部件布置在饱和土体中；饱和土体上表面低于加固土体，在饱和土体上方设置水层；盾构机模型为中空圆筒结构，其开挖面为带孔有机玻璃板；模型箱一侧开有圆孔，密封圈固定在圆孔内壁，盾构机模型通过该圆孔水平穿过始发井模型和加固土体，密封圈套在盾构机模型上；加固土体和饱和土体的接触面、盾构机模型和饱和土体接触面位于同一平面；水平顶进设备抵住盾构机模型外端。


2.根据权利要求1所述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，所述模型箱为顶部开口的长方体容器。


3.根据权利要求1所述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，所述始发井模型由混凝土模块组成。


4.根据权利要求1所述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，所述加固土体为水泥土。


5.根据权利要求1所述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，所述位移测量部件分布于饱和土体不同深度和水平位置。


6.根据权利要求1所述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，还包括位移测量部件固定架，位移测量部件固定架固定在模型箱上方，位移测量部件的导线固定在位移测量部件架上。


7.根据权利要求1所述模拟盾构始发时渗流对前方地层影响的试验装置，其特征在于，所述水层是含有荧光...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，何骏飞，齐永洁，张治国，赵毅，谢宇，叶馨，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33