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申请/专利权人：浙江工业大学

摘要：本发明公开一种用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置以及采用上述可视化装置实施的盾构模拟试验方法，该可视化装置包括：模型箱、隧道开挖装置、支承调节系统、监测系统，其隧道开挖装置采用3D打印技术等比例缩小打印和拼装管片，支承调节系统采用支撑台和千斤顶模拟盾构开挖，将挖孔装置和管片衬砌组装后模拟盾构掘进。本发明的装置中的监测系统采用光纤应变感测技术，实现了监测数据的无线传输、自动化处理和可视化，还通过采用调节板和不同功能模块组合，实现了不同自然环境、地质条件和施工条件等多种工况作用下盾构穿越过程和隧道运营过程模拟，为盾构穿越优化施工和隧道运营安全、应急响应措施提供参考。

主权项：1.一种采用可视化装置实施的盾构模拟试验方法，其特征是：所述可视化装置用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形，所述用于模拟盾构开挖和监测隧道与土体变形的可视化装置包括模型箱、隧道开挖装置、支承调节系统、监测系统；所述模型箱内装有现场施工采集的土样，基于几何相似比原理进行土样的分层填埋，模拟现场的土层分布，所述模型箱前后两侧由可拆卸、带有孔洞的插板组成；所述隧道开挖装置由挖孔装置和管片衬砌组合，所述挖孔装置前端为圆台型光滑锋利环刀，后端为装土用的空心圆筒；所述管片衬砌利用3D打印技术获取，由多个管片组合形成；圆台型光滑锋利环刀、装土用的圆筒和管片衬砌之间不存在空隙，同时圆筒上设置有螺纹，用来与管片衬砌连接成为整体；所述管片之间通过螺栓连接，同时管片衬砌一端的管片上设置有螺纹形状，与圆筒进行螺纹连接；所述开挖装置下方设置有支承调节系统，支承调节系统包括隧道支撑台、复位弹簧、千斤顶、千斤顶支撑台、千斤顶底座、顶推板、千斤顶反力台；隧道支撑台通过复位弹簧连接成整体，隧道支撑台之间的距离通过复位弹簧进行调节，隧道支撑台底部设置有滑轮；隧道的开挖通过所述千斤顶实现，将顶推板放在千斤顶和隧道开挖装置中间，通过千斤顶顶推到顶推板上控制隧道的前进；所述监测系统利用光纤应变感测技术对土体和管片衬砌的变形进行监测，将应变感测光纤和温度补偿光纤安装于模型箱的土中和管片衬砌上，通过光纤解调仪可进行数据的采集和无线传输；监测数据实时显示在计算机屏幕上，通过计算机自动化处理得到相应的变形信息；所述模型箱前后两侧上下竖直布置有多道卡槽，各卡槽之间采用竖向框架条区隔，中间卡槽内布置有若干高度调节挡板和一个挖空挡板，两侧卡槽内布置有若干高度调节挡板；所述卡槽、高度调节挡板、挖空挡板的布置在模型箱后侧亚克力板上与模型箱前侧对称布置，该卡槽内高度调节挡板能上下移动，两侧底部的高度调节挡板高度和宽度与挖空挡板一致，其余高度调节挡板高度和宽度均一致；所述土体和管片衬砌的变形监测系统由应变感测光纤、光纤解调仪、计算机组成，将应变感测光纤安装于模型箱的土中和管片衬砌上，利用光纤解调仪对土体和管片衬砌的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到土体和管片衬砌的变形信息；所述应变感测光纤由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；所述模型箱上方设置有喷水装置，喷水装置依托固定在模型箱上的喷水装置支架支撑，所述喷水装置包括喷水管网，喷水管网朝下密集开设喷水口，喷水口处安装有喷头，所述喷水管网的总管通过外接管道连接进水管，进水管连接水泵；所述模型箱上固定有辐射灯支架，辐射灯支架上固定设置有热辐射灯，热辐射灯定向照射土样以模拟太阳照射升温，所述喷水装置支架固定设置在模型箱两侧，所述辐射灯支架设置在模型箱两侧框架之间，辐射灯支架配置有电机以驱动其上下移动，喷水管网喷水时电机驱动辐射灯支架带着热辐射灯上移并处于喷水管网上方，采用热辐射灯辐射热量时电机驱动热辐射灯支架带着热辐射灯下移并处于喷水管网下方；所述试验方法包括以下步骤：A、根据勘察资料，基于相似比理论填埋模型箱土体以模拟实际土层分布；B、将应变感测光纤安装于模型箱的土中，利用光纤解调仪对土体的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到土体的变形信息；所述应变感测光纤由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；C、将应变感测光纤安装于管片衬砌上，利用光纤解调仪对管片衬砌的变形进行监测；光纤解调仪采集的数据可通过无线传输到计算机，应变感测光纤并行安装有温度补偿光纤，将应变感测光纤的监测数据减去温度补偿光纤的监测数据从而得到管片衬砌的变形信息；所述应变感测光纤由内而外依次为纤芯和加强护套，避免光纤在安装过程中破坏；D、隧道开挖装置由挖孔装置和管片衬砌组合，所述挖孔装置前端为圆台型光滑锋利环刀，后端为装土用的空心圆筒；所述管片衬砌利用3D打印技术获取，由多个管片组合形成，所述管片衬砌与所述装土用的圆筒通过螺纹连接成为整体；E、所述开挖装置下方设置有支承调节系统，隧道支撑台通过复位弹簧连接成整体，隧道支撑台之间的距离通过复位弹簧进行调节；隧道的开挖通过所述千斤顶实现，将顶推板放在千斤顶和隧道开挖装置中间，通过千斤顶顶推到顶推板上控制隧道的前进；F、所述监测系统利用光纤应变感测技术对土体和管片衬砌的变形进行监测，将应变感测光纤安装于模型箱的土中和管片衬砌上，通过光纤解调仪可进行数据的采集和无线传输；监测数据实时显示在计算机屏幕上，通过计算机自动化处理得到相应的变形信息。

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