一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層空洞的試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地下工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，可以模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工所引發(fā)的不同形 狀及規(guī)模的地層空洞，為研宄空洞坍落及擴(kuò)展機(jī)制的模型試驗(yàn)提供了依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在城市地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)法由于其施工速度快、對周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)得到了 越來越廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，雖然有了很大的進(jìn)步，但仍 然不可避免地引起周圍地層擾動，引起周邊土體的應(yīng)力釋放及地層變形，極易帶來地表塌 陷、既有建筑物變形等一系列問題，盾構(gòu)開挖所造成的事故中，盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層空洞導(dǎo) 致的地表塌陷事故占事故總數(shù)的60%，地層空洞誘發(fā)的地面塌陷事故由于其發(fā)生的不確定 性、滯后性、突然性而導(dǎo)致發(fā)生事故后造成的危害較大。因此，針對盾構(gòu)施工所誘發(fā)地層空 洞的演變及擴(kuò)展機(jī)理及其所引發(fā)的的地表沉降塌陷問題開展深入研宄是非常必要的。
[0003] 目前關(guān)于盾構(gòu)施工所誘發(fā)地層空洞的演變及擴(kuò)展機(jī)理及其所引發(fā)的的地表沉降 塌陷的研宄所采用的主要方法有現(xiàn)場測試法、數(shù)值計(jì)算法和室內(nèi)模型試驗(yàn)法。室內(nèi)模型試 驗(yàn)基于相似理論，利用與原型在幾何、材料等方面的相似的模型開展試驗(yàn)，具有可人為控制 和改變試驗(yàn)條件，可進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，效果直觀清楚，周期短等特點(diǎn)，在隧道及地下工程研 宄領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004] 現(xiàn)有的模擬裝置與方法中，存在一個共同的缺點(diǎn)，就是在對于地層空洞的模擬中， 無法體現(xiàn)地層空洞在形狀及規(guī)模上的不確定性，通常只是將地層空洞簡化為某一特定的形 狀（如圓形或橢圓形）。然而，在實(shí)際工程中，盾構(gòu)施工所引發(fā)的地層空洞形狀是極不規(guī)則 的，空洞規(guī)模亦存在很大的不確定性，將其近似為特定形狀進(jìn)行的研宄，試驗(yàn)結(jié)果往往與實(shí) 際情況偏差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供盾構(gòu)施工引發(fā)地層空洞模型試驗(yàn)中不規(guī)則形狀地層空洞 的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置能較好的解決現(xiàn)有模型試驗(yàn)中地層空洞難以模擬及空洞形狀無法 控制的問題。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0007] 一種模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地層空洞的試驗(yàn)裝置，包括空洞模型、試驗(yàn)?zāi)Ｐ?箱（8)、加熱控制裝置（7)、試驗(yàn)土體（9)、LVDT位移計(jì)（10)、帶孔的鋼制隧道模型（11)、開 關(guān)閥門（13)、量筒（14);所述空洞模型用于模擬不規(guī)則形狀的地層空洞，空洞模型包括聚 氨酯液囊（3)、電阻絲（4)、第一導(dǎo)管（5)和第二導(dǎo)管（6)，第一導(dǎo)管（5)和第二導(dǎo)管（6)設(shè) 置在聚氨酯液囊（3)上并連通到聚氨酯液囊（3)內(nèi)部，電阻絲（4)設(shè)置在聚氨酯液囊（3)內(nèi) 部，所述電阻絲（4)穿過聚氨酯液囊（3)上的第二導(dǎo)管（6)連接到加熱控制裝置（7)，由加 熱控制裝置（7)對電阻絲進(jìn)行加熱控制，聚氨酯液囊（3)上的第一導(dǎo)管（5)用于向聚氨酯 液囊（3)內(nèi)輸送包括水在內(nèi)的液體介質(zhì)，或者將該液體介質(zhì)輸送到聚氨酯液囊（3)外部的 量筒（14);試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌?)中填充試驗(yàn)土體（9)，填充至所需高度后在土層表面設(shè)置LVDT 位移計(jì)以測量地表位移（10)。
[0008] 所述的試驗(yàn)裝置，所述空洞模型的制作方法為：根據(jù)需要采用聚氯乙烯塑料（1) 制成所需要的內(nèi)輪廓，鋼絲網(wǎng)（2)鋪襯在聚氯乙烯塑料（1)內(nèi)部，聚氨酯液囊（3)外表面與 鋼絲網(wǎng)（2)緊密貼合在一起，在聚氨酯液囊（3)內(nèi)設(shè)置電阻絲（4)并通過第二導(dǎo)管（6)將 電阻絲（4)通到外部；將聚氯乙烯塑料（1)和鋼絲網(wǎng)（2)設(shè)定為某一形狀后，通過第一導(dǎo)管 (5) 向聚氨酯液囊（3)內(nèi)注滿水，然后將其放于冷凍箱（12)內(nèi)，聚氨酯液囊（3)中的水固結(jié) 成冰后，拆除聚氯乙烯塑料（1)和鋼絲網(wǎng)（2)即可得用于模擬不同形態(tài)的地層空洞的空洞 模型。
[0009] 利用所述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行地層空洞誘發(fā)地表沉降模型試驗(yàn)的方法，具體實(shí)施步驟 是：
[0010] A1、制作空洞模型：首先將電阻絲（4)放入聚氨酯液囊（3)中并通過導(dǎo)管（6)與外 部連接，同時(shí)將導(dǎo)管（5)與聚氨酯液囊（3)連接；將干癟狀態(tài)下的聚氨酯液囊（3)外部包圍 鋼絲網(wǎng)（2)與聚氯乙烯塑料（1)，將鋼絲網(wǎng)（2)與聚氯乙烯塑料組成的外部模型設(shè)定為所需 特定形狀，通過第一導(dǎo)管（5)向聚氨酯液囊（3)中注水，直到聚氨酯液囊（3)的囊壁與鋼絲 網(wǎng)（2)緊貼為止；將裝置放入冷凍箱（12)中冷凍，聚氨酯液囊（3)中水全部固結(jié)成冰后取 出，拆除鋼絲網(wǎng)（2)與聚氯乙烯塑料（1)，即得不規(guī)則形狀地層空洞模型；
[0011] A2、安裝空洞模型：將空洞模型置于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌?)中進(jìn)行安裝固定，第二導(dǎo)管 (6) 通過鋼制隧道模型（11)上的小孔與外界連接，其內(nèi)的電阻絲（4)連接加熱控制裝置 (7) ;第一導(dǎo)管（5)通過鋼制隧道模型（11)另一個小孔通到量筒（14)，并在第一導(dǎo)管（5)端 部設(shè)置開關(guān)閥門（13)，實(shí)驗(yàn)開始前保持開關(guān)閥門（13)關(guān)閉及量筒（14)中水量為零；在模 型箱中填充試驗(yàn)土體（9)并壓實(shí)，在土層表面設(shè)置LVDT位移計(jì)（10);
[0012] A3、實(shí)驗(yàn)過程：打開開關(guān)閥門（13)，通過加熱控制裝置（7)控制聚氨酯液囊（3)中 冰塊的融化速度，冰塊完全融化后，空洞形成，此時(shí)記錄量筒（14)中水的體積，通過計(jì)算換 算為空洞體積，LVDT位移計(jì)持續(xù)監(jiān)測地表位移。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 1、本發(fā)明利用液態(tài)水形狀易改變的特點(diǎn)，將盛有液態(tài)水的容器預(yù)先設(shè)定形狀，充 滿水后將其冷凍為固態(tài)的冰，可在一定時(shí)間內(nèi)保持形狀不變，此方法可有效解決形狀不規(guī) 則地層空洞難以模擬的問題。
[0015] 2、以往的模型試驗(yàn)中，地層空洞一般只能一次性生成，本發(fā)明通過液囊內(nèi)設(shè)置的 電阻絲控制冰塊融化時(shí)間，從而達(dá)到控制地層空洞形成時(shí)間的目的，可用于研宄地層空洞 形成的時(shí)間快慢對于地表沉降的影響。
[0016] 3、本發(fā)明通過在隧道模型上設(shè)置孔道將出水導(dǎo)管和電阻絲加熱裝置與外界連接， 有效的避免了導(dǎo)管埋設(shè)在土體中對土體所造成的擾動問題，使模型試驗(yàn)更接近于工程實(shí)際 情況。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明所述用于模擬不規(guī)則形狀地層空洞裝置圖；
[0018] 圖2為發(fā)明所述模型箱及地層空洞模擬系統(tǒng)裝置正視