本申請(qǐng)涉及盾構(gòu)隧道施工，特別是涉及一種考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

1、砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，在無水的狀態(tài)下，顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏，在盾構(gòu)掘進(jìn)中刀盤與砂卵石地層接觸壓力不等，導(dǎo)致刀頭震動(dòng)，在頂進(jìn)力作用下易產(chǎn)生坍塌，引起圍巖擾動(dòng)和地層變形。砂卵石地層顆粒粒度不均一，孔隙度大，粘結(jié)性差，透水性好，在盾構(gòu)施工過程中，由于砂卵石土孔隙率大，盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)后地層逐漸變得密實(shí)，造成土體損失、地表沉降。

2、隧道工程施工的滲流主要發(fā)生在含水路段，當(dāng)對(duì)此路段進(jìn)行施工時(shí)，原有地下水的狀況就會(huì)發(fā)生改變，破壞其滲流條件，地下水便會(huì)隨著隧道的一些位置流出，最終導(dǎo)致涌水災(zāi)害，形成滲流。有的巖體遇水后會(huì)因膠結(jié)物溶解，導(dǎo)致巖體內(nèi)的一些細(xì)小顆粒被融化，從而使巖體軟化，最終致使巖體的強(qiáng)度降低；有的巖體會(huì)因巖體中的一些物質(zhì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使其強(qiáng)度降低；有的巖體會(huì)因巖體中的物體遇水變得光滑導(dǎo)致巖體變形或破壞使其強(qiáng)度降低。

3、因而常采用盾構(gòu)隧道模型裝置對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行模擬，以減少工程事故的發(fā)生，然而現(xiàn)有的一些盾構(gòu)隧道模型裝置往往只考慮某種單一工況，但是在實(shí)際盾構(gòu)隧道施工過程中是多種因素耦合對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生影響，如滲流、動(dòng)載擾動(dòng)等，僅考慮單一工況因素與實(shí)際不相符合，所以這類裝置無法真實(shí)模擬砂卵石地層中動(dòng)水動(dòng)載耦合作用下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要提供一種考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，以克服現(xiàn)有盾構(gòu)隧道模型裝置僅考慮單一因素，無法真實(shí)模擬砂卵石地層中動(dòng)水動(dòng)載耦合作用下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程的缺陷。

2、一種考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，包括：

3、模型箱，其內(nèi)部填充有試驗(yàn)土體，所述模型箱的相對(duì)兩側(cè)面及底面設(shè)有與其內(nèi)部連通的儲(chǔ)水箱，其未設(shè)有儲(chǔ)水箱側(cè)相對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有通孔，所述通孔處設(shè)有法蘭；

4、循環(huán)式變高度恒水位控制系統(tǒng)，其通過輸出端與輸入端與儲(chǔ)水箱連通，水經(jīng)輸出端滲流入試驗(yàn)土體內(nèi)，后經(jīng)輸入端回流；

5、盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置，其一端與法蘭可拆卸地連接，其另一端埋設(shè)于試驗(yàn)土體內(nèi)；

6、動(dòng)力加載系統(tǒng)，其輸出端設(shè)于試驗(yàn)土體上方。

7、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述儲(chǔ)水箱包括第一儲(chǔ)水箱、第二儲(chǔ)水箱和第三儲(chǔ)水箱，所述第一儲(chǔ)水箱和第二儲(chǔ)水箱相對(duì)布設(shè)于儲(chǔ)水箱兩側(cè)面，所述第一儲(chǔ)水箱設(shè)有上部進(jìn)水孔，所述第二儲(chǔ)水箱設(shè)有溢流孔，所述第三儲(chǔ)水箱設(shè)于模型箱底部，其遠(yuǎn)離第二儲(chǔ)水箱側(cè)設(shè)有下部進(jìn)水孔，所述第一儲(chǔ)水箱、第二儲(chǔ)水箱和第三儲(chǔ)水箱與模型箱內(nèi)部連通側(cè)設(shè)有可拆卸地帶孔透水板或擋水板。

8、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述第一儲(chǔ)水箱和第二儲(chǔ)水箱的上部設(shè)有透氣孔，所述第一儲(chǔ)水箱、第二儲(chǔ)水箱和第三儲(chǔ)水箱設(shè)有壓力表。

9、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述模型箱內(nèi)部靠近第二儲(chǔ)水箱側(cè)設(shè)有分隔組件。

10、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述試驗(yàn)土體內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其包括外部控制端及與其電連接的孔隙水壓力傳感器、土壓力盒、電磁流量器、地中位移計(jì)和地表位移計(jì)，所述孔隙水壓力傳感器、土壓力盒埋設(shè)于試驗(yàn)土體內(nèi)部，所述電磁流量器設(shè)于溢流孔內(nèi)，所述地中位移計(jì)埋設(shè)于試驗(yàn)土體中部，所述地表位移計(jì)設(shè)于試驗(yàn)土體頂部。

11、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述循環(huán)式變高度恒水位控制系統(tǒng)包括固定式水箱和變高度恒壓供水箱，所述固定式水箱設(shè)于變高度恒壓供水箱下方，所述變高度恒壓供水箱通過自動(dòng)牽引裝置與固定式水箱連接，所述固定式水箱通過第一水管與溢流孔連通，其還通過帶有增壓泵的第二水管與變高度恒壓供水箱的水箱進(jìn)水口連通，所述變高度恒壓供水箱的水箱出水口通過第三水管與上部進(jìn)水孔或下部進(jìn)水孔連通。

12、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述水箱進(jìn)水口和水箱出水口相對(duì)布設(shè)，二者之間設(shè)有遮擋板，所述遮擋板將變高度恒壓供水箱分為蓄水區(qū)和穩(wěn)壓水頭區(qū)。

13、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述法蘭通過承重桿與盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置可拆卸地連接。

14、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置包括伸縮裝置和隧道模型，所述伸縮裝置布設(shè)于隧道模型內(nèi)部且通過撐桿與隧道模型連接，所述隧道模型外部嵌套有預(yù)應(yīng)力硅膠薄膜。

15、作為本發(fā)明中考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置的一種優(yōu)選，所述動(dòng)力加載系統(tǒng)包括模塊化移動(dòng)桁架系統(tǒng)，其輸出端位于盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置上方且設(shè)有激振器，所述激振器下方設(shè)有與其可拆卸地連接的激振桿，所述激振器通過功率放大器與信號(hào)發(fā)生器連接。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、1、本發(fā)明通過循環(huán)式變高度恒水位控制系統(tǒng)和儲(chǔ)水箱相互配合，可實(shí)現(xiàn)多路徑的地下動(dòng)水滲流侵蝕試驗(yàn)，其中水平滲流時(shí)通過拆除部分帶孔透水板可實(shí)現(xiàn)地層堵塞情況的有效觀測。

18、2、本發(fā)明中的循環(huán)式變高度恒水位控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水位的穩(wěn)定控制，并且可以模擬高達(dá)40kpa的地下承壓水頭，還可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)水資源的循環(huán)利用。

19、3、本發(fā)明有效模擬了地下動(dòng)水環(huán)境中盾構(gòu)隧道下穿城市交通道路的施工環(huán)境，建立了考慮地下動(dòng)水、地面動(dòng)載、盾構(gòu)施工三者耦合作用的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，為研究盾構(gòu)隧道開挖下細(xì)顆粒遷移規(guī)律及致塌機(jī)理提供了更完善、更準(zhǔn)確的模型系。

技術(shù)特征：

1.一種考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)水箱包括第一儲(chǔ)水箱、第二儲(chǔ)水箱和第三儲(chǔ)水箱，所述第一儲(chǔ)水箱和第二儲(chǔ)水箱相對(duì)布設(shè)于儲(chǔ)水箱兩側(cè)面，所述第一儲(chǔ)水箱設(shè)有上部進(jìn)水孔，所述第二儲(chǔ)水箱設(shè)有溢流孔，所述第三儲(chǔ)水箱設(shè)于模型箱底部，其遠(yuǎn)離第二儲(chǔ)水箱側(cè)設(shè)有下部進(jìn)水孔，所述第一儲(chǔ)水箱、第二儲(chǔ)水箱和第三儲(chǔ)水箱與模型箱內(nèi)部連通側(cè)設(shè)有可拆卸地帶孔透水板或擋水板。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第一儲(chǔ)水箱和第二儲(chǔ)水箱的上部設(shè)有透氣孔，所述第一儲(chǔ)水箱、第二儲(chǔ)水箱和第三儲(chǔ)水箱設(shè)有壓力表。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述模型箱內(nèi)部靠近第二儲(chǔ)水箱側(cè)設(shè)有分隔組件。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述試驗(yàn)土體內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其包括外部控制端及與其電連接的孔隙水壓力傳感器、土壓力盒、電磁流量器、地中位移計(jì)和地表位移計(jì)，所述孔隙水壓力傳感器、土壓力盒埋設(shè)于試驗(yàn)土體內(nèi)部，所述電磁流量器設(shè)于溢流孔內(nèi)，所述地中位移計(jì)埋設(shè)于試驗(yàn)土體中部，所述地表位移計(jì)設(shè)于試驗(yàn)土體頂部。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述循環(huán)式變高度恒水位控制系統(tǒng)包括固定式水箱和變高度恒壓供水箱，所述固定式水箱設(shè)于變高度恒壓供水箱下方，所述變高度恒壓供水箱通過自動(dòng)牽引裝置與固定式水箱連接，所述固定式水箱通過第一水管與溢流孔連通，其還通過帶有增壓泵的第二水管與變高度恒壓供水箱的水箱進(jìn)水口連通，所述變高度恒壓供水箱的水箱出水口通過第三水管與上部進(jìn)水孔或下部進(jìn)水孔連通。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述水箱進(jìn)水口和水箱出水口相對(duì)布設(shè)，二者之間設(shè)有遮擋板，所述遮擋板將變高度恒壓供水箱分為蓄水區(qū)和穩(wěn)壓水頭區(qū)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述法蘭通過承重桿與盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置可拆卸地連接。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置包括伸縮裝置和隧道模型，所述伸縮裝置布設(shè)于隧道模型內(nèi)部且通過撐桿與隧道模型連接，所述隧道模型外部嵌套有預(yù)應(yīng)力硅膠薄膜。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述動(dòng)力加載系統(tǒng)包括模塊化移動(dòng)桁架系統(tǒng)，其輸出端位于盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置上方且設(shè)有激振器，所述激振器下方設(shè)有與其可拆卸地連接的激振桿，所述激振器通過功率放大器與信號(hào)發(fā)生器連接。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及一種考慮動(dòng)水動(dòng)載作用的多路徑滲流盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，包括模型箱，其內(nèi)部填充有試驗(yàn)土體，所述模型箱的相對(duì)兩側(cè)面及底面設(shè)有與其內(nèi)部連通的儲(chǔ)水箱，其未設(shè)有儲(chǔ)水箱側(cè)相對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有通孔，所述通孔處設(shè)有法蘭；循環(huán)式變高度恒水位控制系統(tǒng)，其通過輸出端與輸入端與儲(chǔ)水箱連通；盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝置，其一端與法蘭可拆卸地連接，其另一端埋設(shè)于試驗(yàn)土體內(nèi)；動(dòng)力加載系統(tǒng)，其輸出端設(shè)于試驗(yàn)土體上方。本發(fā)明有效模擬了地下動(dòng)水環(huán)境中盾構(gòu)隧道下穿城市交通道路的施工環(huán)境，建立了考慮地下動(dòng)水、地面動(dòng)載、盾構(gòu)施工三者耦合作用的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，為研究盾構(gòu)隧道開挖下細(xì)顆粒遷移規(guī)律及致塌機(jī)理提供了更完善、更準(zhǔn)確的模型系。

技術(shù)研發(fā)人員：傅金陽,林世儒,楊州,夏祎倩,孫前輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6