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申请/专利权人：中铁第一勘察设计院集团有限公司

摘要：本发明涉及多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置及方法，装置包括上端开口的模型试验土箱，模型试验土箱内设置水平的模型盾构，模型盾构外的模型试验土箱内填满地层土；模型盾构外壁沿纵向环周设置水囊，水囊沿圆周方向分隔成若干个相对独立的仓室；每个水囊仓室都设有一个独立的排水软管，排水软管一端接入水囊仓室，另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入量模型试验土箱外的量杯中，地层损失大小通过控制水囊排水量实现。本发明具有实验装置简单、功能多样、成本低且工艺简便等优势，可为各类工况下盾构掘进地层损失机理与位移规律研究提供了全新思路与试验方式，为确保盾构掘进施工安全与周边环境安全提供了技术支撑。

主权项：1.多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟方法，其特征在于：所述方法采用的模拟装置包括上端开口的模型试验土箱，模型试验土箱内设置有水平的模型盾构（4），模型盾构（4）外的模型试验土箱内填满地层土（9）；模型盾构（4）外壁沿纵向环周设置水囊（7），试验中模拟地层损失，水囊（7）沿圆周方向分隔成若干个相对独立的仓室；水囊（7）采用袋式输液器，包括液袋和进出液软管，每个水囊（7）仓室都设有一个独立的进出液软管和排水软管（8），排水软管（8）一端接入水囊（7）仓室的进出液软管，另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入模型试验土箱外的量杯（10）中；模型试验土箱内的地层土（9）表面设置有差动式数显位移计，地层土（9）内多个深度处设置有差动式数显位移计和测斜仪；排水软管（8）上安装有流量调节器（11），地层损失大小通过流量调节器（11）控制水囊（7）排水量实现；模型试验土箱包括底部的模型底座（1）及外周的模型侧墙（2）组成上端开口的箱体结构；所述方法包括以下步骤：步骤一：利用模型底座（1）与模型侧墙（2）组装模型试验土箱；步骤二：利用模型盾构固定用竖杆（6）和模型盾构固定用横杆（5）在模型试验土箱内固定模型盾构（4）；步骤三：将充满水的水囊（7）通过粘结剂牢固粘贴到模型盾构（4）外壁，排水软管（8）另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入量模型试验土箱外的量杯（10）中，地层损失大小通过控制水囊（7）排水量实现；步骤四：按要求配置地层土（9），通过砂雨法制备模型试验地基土，分层填筑厚度不大于10cm，同时在模型地基土制备完成后，在模型试验土箱顶部注入自由水，直至地层土（9）潜水位达到设计要求，试验土体填筑完成后，等待24～36h，待地层土（9）进行固结后方可进行试验；步骤五：在土体表面布置差动式数显位移计，并在地层土（9）深度范围内布置深层差动式数显位移计与测斜仪，并与位移数显仪（3）连接，记录试验过程中地中位移变化及地表沉降变形情况；步骤六：沿盾构隧道掘进方向，将多仓分隔水囊（7）内的水通过人工控制各自的流量调节器（11）依次排出水囊（7）中的水，并将排出水接入量杯（10）中计算地层损失；步骤七：在水囊（7）排水过程中，通过位移数显仪（3）记录地表及地中位移数据，分析研究盾构掘进后地层损失大小、地层损失部位及隧道埋深对地表沉降的影响及地层损失在地层中的传递机制。

全文数据：多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置及方法技术领域本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置及方法。背景技术随着经济的快速发展，为引导城市合理布局和有序开发，充分利用地下资源为城市发展提供广阔的延伸空间，近年来地下空间逐步向大埋深、大空间方向发展，各类复杂环境下的近距离穿越工程不断涌现，已经在一定程度上制约了城市地下空间的开发利用。随着盾构技术的不断发展，目前制约技术全面发展的一大因素是盾构掘进地层损失及其应对措施。在某些工况下，甚至成为了制约盾构工法与地下空间开发的控制因素，甚至导致地下空间无法实施。盾构掘进地层损失机理与位移控制措施是否合理，直接关系到工程自身与周边环境安全、工程造价，地层损失与变形措施不到位，将会造成巨大的安全隐患与投资浪费。发明内容本发明的目的是提供一种多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置及方法，在模型试验土箱内设置模型盾构，在模型盾构圆周方向布置多仓分隔的水囊，水囊沿隧道纵向按特定间距设置，模型盾构四周填筑与原状土吻合的模型试验地基土（地层），通过分仓水囊内液体的排出，对盾构隧道圆周方向任意部位、任意地层损失率情况下的盾构掘进工况进行模拟，明确典型工况与典型地层情况下地层损失率的影响及其应对措施。本发明所采用的技术方案为：多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：包括上端开口的模型试验土箱，模型试验土箱内设置有水平的模型盾构，模型盾构外的模型试验土箱内填满地层土；模型盾构外壁沿纵向环周设置水囊，试验中模拟地层损失，水囊沿圆周方向分隔成若干个相对独立的仓室；水囊采用袋式输液器，包括液袋和进出液软管，每个水囊仓室都设有一个独立的进出液软管和排水软管，排水软管一端接入水囊仓室的进出液软管，另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入模型试验土箱外的量杯中。模型试验土箱内的地层土表面设置有差动式数显位移计，地层土内多个深度处设置有差动式数显位移计和测斜仪。排水软管上安装有流量调节器，地层损失大小通过流量调节器控制水囊排水量实现。充满水的水囊通过粘结剂粘贴到模型盾构外壁。模型试验土箱包括底部的模型底座及外周的模型侧墙组成上端开口的箱体结构。模型盾构底部与模型底座之间设置有模型盾构固定用竖杆；模型盾构横向两侧与模型侧墙之间设置有模型盾构固定用横杆。模型侧墙前面和一个侧面采用透明钢化玻璃制作，其余两个侧面和模型底座采用钢板制作。模型盾构采用钢管模拟隧道衬砌结构，其固定用横杆和竖杆采用Q235H型钢，其中横杆两端分别焊接于模型试验土箱侧面钢板和模型盾构拱腰，而竖杆两端分别焊接于模型试验土箱底座钢板和模型盾构拱底。多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：利用模型底座与模型侧墙组装模型试验土箱；步骤二：利用模型盾构固定用竖杆和模型盾构固定用横杆在模型试验土箱内固定模型盾构；步骤三：将充满水的水囊通过粘结剂牢固粘贴到模型盾构外壁，排水软管另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入量模型试验土箱外的量杯中，地层损失大小通过控制水囊排水量实现；步骤四：按要求配置地层土，通过砂雨法制备模型试验地基土，分层填筑厚度不大于10cm，同时在模型地基土制备完成后，在模型试验土箱顶部注入自由水，直至地层土潜水位达到设计要求，试验土体填筑完成后，等待24～36h，待地层土进行固结后方可进行试验；步骤五：在土体表面布置差动式数显位移计，并在地层土深度范围内布置深层差动式数显位移计与测斜仪，并与位移数显仪连接，记录试验过程中地中位移变化及地表沉降变形情况；步骤六：沿盾构隧道掘进方向，将多仓分隔水囊内的水通过人工控制各自的流量调节器依次排出水囊中的水，并将排出水接入量杯中计算地层损失；步骤七：在水囊排水过程中，通过位移数显仪记录地表及地中位移数据，分析研究盾构掘进后地层损失大小、地层损失部位及隧道埋深对地表沉降的影响及地层损失在地层中的传递机制。本发明具有以下优点：本发明提供了一种新型的盾构隧道地层损失模拟装置。模型试验土箱涉及的模型底座与侧墙可采用常规焊接或螺栓连接处理，钢化玻璃与带肋钢板钻通孔，螺栓连接，螺母锁紧。横杆与竖杠对模型盾构的固定采用常规焊接，所涉及的设备及其他辅助设施均为常规机械设备，模型试验土箱、模型盾构、排水设施、模型地基土（地层）等都是常规材料，钢板采用Q235钢材，模型侧墙正面及一侧面采用透明钢化玻璃，模型土（地层）采用经过筛分的现场土体，地层变形监测用的差动式数显位移计为常规测量设备。多仓分隔式水囊排水盾构掘进地层损失模拟装置，可以针对隧道圆周方向任意部位、任意地层损失率与各类地层条件下的盾构掘进地层损失情况进行试验，有效解决了常规试验只能针对隧道拱顶区域地层损失进行模拟，无法体现实际工程需要，尤其是隧道下半断面的地层损失情况，有利于更加全面地反应复杂工况下盾构掘进风险，有利于隧道工程自身安全与周边环境安全的保证。多仓分隔式水囊排水系统，可根据地层特性与实际工程情况，对水囊体积与布置进行灵活调整，进而满足各类工程的需要。本发明具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、市政公路、民用建筑等地下结构工程中有广泛的应用前景。附图说明图1为模型盾构与水囊分布情况。图2为模型盾构与模型试验土箱横断面图。图3为模型盾构与模型试验土箱纵断面图。图中，1-模型底座，2-模型侧墙，3-位移数显仪，4-模型盾构，5-模型盾构固定用横杆，6-模型盾构固定用竖杆，7-水囊，8-排水软管，9-地层土，10-量杯，11-流量调节器。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。本发明涉及一种多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，包括密闭的模型试验土箱，模型试验土箱内设置有水平的模型盾构4，模型盾构4外的模型试验土箱内填满地层土9。模型盾构4外壁沿纵向环周设置有水囊7，水囊7沿圆周方向分隔成若干个相对独立的仓室。水囊7利用粘结剂牢固粘贴到模型盾构4外壁，水囊7采用袋式输液器，包括液袋和进出液软管，每个水囊7仓室都设有一个独立的进出液软管和排水软管8，排水软管8一端接入水囊7仓室的进出液软管，另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入模型试验土箱外的量杯10中。模型试验土箱内的地层土9表面设置有差动式数显位移计，地层土9内多个深度处设置有差动式数显位移计和测斜仪。这些位移测量系统通过引线与位移数显仪3连接，记录水囊7排水过程中地表及地中位移数据。捆扎于模型盾构4外壁的多仓分隔水囊7内的水通过人工控制各自的流量调节器依次排出水囊7中的水，并将排出水接入模型试验土箱外的量杯10中计算地层损失。模型试验土箱包括底部的模型底座1与外周的模型侧墙2组成上端开口的箱体结构。模型盾构4底部与模型底座1之间设置有模型盾构固定用竖杆6；模型盾构4横向两侧与模型侧墙2之间设置有模型盾构固定用横杆5。其中一面模型侧墙2采用钢化玻璃透明材料，其余模型侧墙2和模型底座1采用Q235钢板材料；钢化玻璃与带肋钢板钻通孔，螺栓连接，螺母锁紧。模型盾构4采用钢管模拟隧道衬砌结构，其固定用横杆5和竖杆6采用Q235H型钢，其中横杆5两端分别焊接于模型试验土箱侧面钢板2和模型盾构4拱腰，而竖杆6两端分别焊接于模型试验土箱底座钢板1和模型盾构4拱底。技术上述装置结构进行的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟方法，包括以下步骤：步骤一：利用模型底座1与模型侧墙2组装模型试验土箱；步骤二：利用模型盾构固定用竖杆6和模型盾构固定用横杆5在模型试验土箱内距离模型底座1一定高度处固定模型盾构4；步骤三：将充满水的水囊7通过胶乳胶圈捆扎到模型盾构4外壁，排水软管8另一端穿过模型试验土箱钢化玻璃预留孔洞接入量模型试验土箱外的量杯10中，地层损失大小通过控制水囊7排水量实现。步骤四：按要求配置地层土9，通过砂雨法制备模型试验地基土，分层填筑厚度不大于10cm，同时在模型地基土制备完成后，在模型试验土箱顶部注入自由水，直至地层土9潜水位达到设计要求，试验土体填筑完成之后，等待24～36h，待地层土9进行一定程度的固结后方可进行试验。步骤五：在土体表面布置差动式数显位移计，并在地层土9深度范围内布置深层差动式数显位移计与测斜仪，并与位移数显仪3连接，记录试验过程中地中位移变化及地表沉降变形情况；步骤六：沿盾构隧道掘进方向，将多仓分隔水囊7内的水通过人工控制各自的流量调节器11依次排出水囊7中的水，并将排出水接入量杯10中计算地层损失。；步骤七：在水囊7排水过程中，通过位移数显仪3记录地表及地中位移数据，分析研究盾构掘进后地层损失大小、地层损失部位及隧道埋深等对地表沉降的影响及地层损失在地层中的传递机制。本发明具有模型简单、简洁易作、装置成本低廉且可实现多工况模拟等优点。分仓水囊的体积与环纵向间布置，可根据盾构掘进工况与地层条件灵活调整，可实现盾构隧道圆周方向任意部位、任意地层损失率情况下的盾构掘进工况模拟，设置于土层内的位差动式数显移计可记录相应各类工况下的地层位移或变形规律，进而为地层损失工程风险及风险处理措施提供依据。本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

权利要求：1.多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：包括上端开口的模型试验土箱，模型试验土箱内设置有水平的模型盾构（4），模型盾构（4）外的模型试验土箱内填满地层土（9）；模型盾构（4）外壁沿纵向环周设置水囊（7），试验中模拟地层损失，水囊（7）沿圆周方向分隔成若干个相对独立的仓室；水囊（7）采用袋式输液器，包括液袋和进出液软管，每个水囊（7）仓室都设有一个独立的进出液软管和排水软管（8），排水软管（8）一端接入水囊（7）仓室的进出液软管，另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入模型试验土箱外的量杯（10）中。2.根据权利要求1所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：模型试验土箱内的地层土（9）表面设置有差动式数显位移计，地层土（9）内多个深度处设置有差动式数显位移计和测斜仪。3.根据权利要求2所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：排水软管（8）上安装有流量调节器（11），地层损失大小通过流量调节器（11）控制水囊（7）排水量实现。4.根据权利要求3所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：充满水的水囊（7）通过粘结剂粘贴到模型盾构（4）外壁。5.根据权利要求4所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：模型试验土箱包括底部的模型底座（1）及外周的模型侧墙（2）组成上端开口的箱体结构。6.根据权利要求5所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：模型盾构（4）底部与模型底座（1）之间设置有模型盾构固定用竖杆（6）；模型盾构（4）横向两侧与模型侧墙（2）之间设置有模型盾构固定用横杆（5）。7.根据权利要求6所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：模型侧墙（2）前面和一个侧面采用透明钢化玻璃制作，其余两个侧面和模型底座（1）采用钢板制作。8.根据权利要求7所述的多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置，其特征在于：模型盾构（4）采用钢管模拟隧道衬砌结构，其固定用横杆（5）和竖杆（6）采用Q235H型钢，其中横杆（5）两端分别焊接于模型试验土箱侧面钢板（2）和模型盾构（4）拱腰，而竖杆（6）两端分别焊接于模型试验土箱底座钢板（1）和模型盾构（4）拱底。9.多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：利用模型底座（1）与模型侧墙（2）组装模型试验土箱；步骤二：利用模型盾构固定用竖杆（6）和模型盾构固定用横杆（5）在模型试验土箱内固定模型盾构（4）；步骤三：将充满水的水囊（7）通过粘结剂牢固粘贴到模型盾构（4）外壁，排水软管（8）另一端穿过模型试验土箱预留孔洞接入量模型试验土箱外的量杯（10）中，地层损失大小通过控制水囊（7）排水量实现；步骤四：按要求配置地层土（9），通过砂雨法制备模型试验地基土，分层填筑厚度不大于10cm，同时在模型地基土制备完成后，在模型试验土箱顶部注入自由水，直至地层土（9）潜水位达到设计要求，试验土体填筑完成后，等待24～36h，待地层土（9）进行固结后方可进行试验；步骤五：在土体表面布置差动式数显位移计，并在地层土（9）深度范围内布置深层差动式数显位移计与测斜仪，并与位移数显仪（3）连接，记录试验过程中地中位移变化及地表沉降变形情况；步骤六：沿盾构隧道掘进方向，将多仓分隔水囊（7）内的水通过人工控制各自的流量调节器（11）依次排出水囊（7）中的水，并将排出水接入量杯（10）中计算地层损失；步骤七：在水囊（7）排水过程中，通过位移数显仪（3）记录地表及地中位移数据，分析研究盾构掘进后地层损失大小、地层损失部位及隧道埋深对地表沉降的影响及地层损失在地层中的传递机制。

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