模拟盾构隧道抗浮力的模型试验装置及方法

摘要

本发明提供了一种模拟盾构隧道抗浮力的模型试验装置及方法，包括：用于盛放试验土体的土箱，用于模拟隧道的隧道模型，用于提升隧道模型的电机，用于放置电机的支架，用于测量抗浮力的测力计，用于实时采集抗浮力的数据采集仪，用于监测并记录数据的计算机，用于放置数据采集仪和计算机的试验桌。本发明可以准确模拟不同地层分布、不同隧道直径以及不同覆土深度下，现场实际地层对隧道抗浮力的大小，达到合理选择施工参数和采取施工措施的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，具体地，涉及一种模模拟盾构隧道抗浮力的模型 试验装置及方法。

背景技术

随着城市交通的快速发展，城市地下空间的开发和利用已经成为一种趋势，盾构隧 道以其对各种地层的适应性这一优势，在地铁隧道和公路隧道中得到了广泛应用。特别 是近二十年来，随着盾构技术的日益成熟，圆形盾构隧道的直径越来越大。施工期以及 工后运营阶段的隧道抗浮问题关系到隧道的施工质量和运营安全，受到工程师们的高度 重视，如何能够在隧道施工之前就能获得隧道所在地层对隧道的抗浮力的大小，对于合 理选择施工参数和采取施工措施具有非常重要的现实指导意义。

对于隧道抗浮的研究，目前主要集中在现场采取抗浮措施控制隧道的上浮量，以及 采用有限元方法计算抗浮所需压重荷载大小，然后将所需重量的铅块放在隧道底部进行 压重，控制隧道上浮。对于现场采取抗浮措施控制隧道上浮，只能通过预估的方法估算 隧道抗浮力，得不到准确的抗浮力；对于有限元计算抗浮所需压重荷载大小，由于现场 施工条件复杂，很难准确的得到隧道所需的真实的抗浮力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟盾构隧道抗浮力的模型试 验装置及方法，运用该试验装置和方法，可以准确模拟不同地层分布、不同隧道直 径以及不同覆土深度下，现场地层对隧道抗浮力的大小，达到合理选择施工参数和 采取施工措施的目的。

根据本发明的一个方面，提供一种模拟盾构隧道抗浮力的模型试验装置，包括： 用于盛放试验土体的土箱，用于模拟隧道的隧道模型，用于提升隧道模型的电机， 用于放置电机的支架，用于测量抗浮力的测力计，用于实时采集抗浮力的数据采集 仪，用于监测并记录数据的计算机，用于放置数据采集仪和计算机的试验桌；其中：

所述土箱为一顶面开口的长方体容器，其内部用于盛放试验土体和水；

所述隧道模型为根据实际隧道按照比例缩小制作成的两端封闭的中空圆筒结构， 以防止试验土体和水分进入，隧道模型放置于土箱的内部；

所述电机通过紧固件固定于支架上，用于为隧道模型提供向上的拉力；

所述支架设置于土箱的顶部，并通过紧固件与土箱固定；

所述测力计通过钢丝绳与隧道模型和电机连接，用于实时测量地层对隧道模型的抗 浮力；

所述数据采集仪通过信号传输线与测力计相连，用于实时采集抗浮力；

所述计算机通过信号传输线与数据采集仪相连，其内装有实时监测软件，用于实时 显示和处理数据采集仪输入的试验数据。

优选地，在所述土箱的一侧底部设置有出水口，在出水口设置有球阀用于控制出水 口的开关闭合。

优选地，所述隧道模型的两端各连有一根等长的钢丝绳后再与测力计相连，测力计 再与电机相连，从而保证隧道模型在电机的驱动下均匀上升。

更优选地，所述隧道模型的中心距离土箱的底部至少两倍于隧道模型的直径、距离 土箱的左右两侧边缘至少各四倍于隧道模型的直径。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于所述试验装置的方法，用于盾构隧道抗浮 力监测试验，具体操作步骤如下：

1)、将支架通过紧固件固定在土箱上，将电机通过紧固件固定在支架上；

2)、转动球阀，关闭土箱的出水口；

3)、查看地勘报告明确现场隧道所在位置的地层情况，在土箱内部装入现场取回的 土体，土体厚度等于1.5倍隧道模型的直径；

4)、把隧道模型放入土箱内部，置于下部土体之上，连接钢丝绳和测力计，连接测 力计和电机；

5)、继续加入土体，达到需要的覆土深度，并根据现场水位线，加入需要的水饱和；

6)、通过信号传输线连接数据采集仪和测力计，以及计算机和数据采集仪，接通计 算机、数据采集仪的电源；

7)、开启计算机和数据采集仪，开启计算机中安装的实时监测软件，然后开启电机；

8)、电机通过钢丝绳在提升隧道模型均匀上升的过程中，测力计会实时检测到施加 在隧道模型上的拉力信号，该信号经过数据采集仪采集后输入到计算机中并实时显示在 计算机的实时监测软件中；密切关注实时监测软件中拉力值的变化，当发现拉力不再增 加或者开始减小后，试验即可结束，那么得到的最大拉力即为该地层情况对隧道模型的 抗浮力，通过模型相似比换算，即可获得现场实际地层对实际隧道的抗浮力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述试验装置和方法，可以准确模拟不同地层分布、不同隧道直径以及 不同覆土深度下，现场地层对隧道抗浮力的大小，达到合理选择施工参数和采取施 工措施的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例试验装置的横断面结构示意图；

图2为本发明一实施例试验装置的纵断面结构示意图；

图中：

1—土箱，2—隧道模型，3—出水口，4—球阀，5—测力计，6—钢丝绳，7—电机， 8—支架，9—固定螺栓，10—试验桌，11—计算机，12—数据采集仪，13—信号传输线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1所示，为本实施例所述一种模拟盾构隧道抗浮力的模型试验装置的横断面 结构示意图，所述装置包括：土箱1、隧道模型2、测力计5、钢丝绳6、电机7、支架 8、试验桌10、计算机11和数据采集仪12，其中：

所述的土箱1为一顶面开口的长方体容器，用来盛放试验土体和水；

所述的隧道模型2放置于土箱1内部，其为根据实际隧道按照比例缩小制作的 两端封闭的中空圆筒结构，防止试验土体和水分进入；

所述的支架8设置于土箱1的顶部，并通过固定螺栓9与土箱1固定，用来放 置电机7；

所述的电机7通过固定螺栓9固定在支架8上，用于为隧道模型2提供向上的 拉力；

所述的测力计5通过钢丝绳6与隧道模型2和电机7连接，用来实时测量地层 对隧道模型2的抗浮力；

所述的数据采集仪12通过信号传输线13与测力计5相连，用于实时采集抗浮 力；

所述的计算机11通过信号传输线13与数据采集仪12相连，其内装有实时监 测软件，用于实时显示和处理数据采集仪12输入的试验数据；

所述的试验桌10用于放置数据采集仪12和计算机11。

作为一优选的实施方式，在所述土箱1的一侧底部设有出水口3，并在出水口3 上设置有球阀4；球阀4控制出水口3的开关闭合：试验时关闭球阀4则出水口3关闭， 试验结束后开启球阀4，则水可以从出水口3流出。

作为一优选的实施方式，所述隧道模型2的中心距离土箱1底部至少两倍于隧 道模型2的直径、距离土箱1左右两侧边缘至少各四倍于隧道模型2的直径。

如图2所示，在所述的隧道模型2两端各连有等长的钢丝绳6，隧道模型2通过 钢丝绳6与测力计5的底部相连，电机7通过钢丝绳6与测力计5的顶部相连，测力计 5测量隧道模型2受到的拉力；电机7开启后通过钢丝绳6向上提升隧道模型2时， 隧道模型2两端的受力均匀从而可以均匀上升；同时测力计5实时检测电机7施加 在隧道模型2上的拉力信号。

应用本实施例所述装置进行盾构隧道抗浮力监测试验的具体操作步骤如下：

1、将支架8通过固定螺栓9固定在土箱1上，将电机7通过固定螺栓9固定在支 架8上；

2、转动球阀4，关闭土箱1的出水口3；

3、查看地勘报告明确现场隧道所在位置的地层情况，在土箱1内部装入现场取回 的土体，土体厚度等于1.5倍隧道模型2的直径；

4、把隧道模型2放入土箱1内部，置于下部土体之上，连接钢丝绳6和测力计5，连 接测力计5和电机7；

5、继续加入土体，达到需要的覆土深度，并根据现场水位线，加入需要的水饱和；

6、通过信号传输线13连接数据采集仪12和测力计5，以及计算机11和数据采集 仪12，接通计算机11、数据采集仪12的电源；

7、开启计算机11和数据采集仪12，开启计算机11中安装的实时监测软件，然后 开启电机7，设定电机7的线速度为1mm/min；

8、电机7通过钢丝绳6在提升隧道模型2上升的过程中，测力计5会实时检测到 施加在隧道模型2上的拉力信号，该信号经过数据采集仪12采集后输入到计算机11中 并实时显示在计算机11的实时监测软件中；密切关注实时监测软件中拉力值的变化， 当发现拉力不再增加或者开始减小后，试验即可结束，那么得到的最大拉力即为该地层 情况对隧道模型2的抗浮力，通过模型相似比换算，即可获得现场实际地层对实际隧道 的抗浮力。

本发明所述的一种模拟盾构隧道抗浮力的模型试验装置及方法，可以准确监测不同 地层分布、不同隧道直径以及不同覆土深度下，现场实际地层对隧道抗浮力的大小，达 到合理选择施工参数和采取施工措施的目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。