一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置的制作方法
1.本实用新型涉及岩土与地下工程技术领域，具体地讲是一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置；适用于室内模拟不同隧道埋深条件下，通过控制支护压力，来研究分析开挖面失稳机理和颗粒位移变化的关系以及土拱发展的时变特征。
背景技术：
2.随着地下空间开发和城市轨道交通的迅速发展，盾构技术在地下空间开发中得到广泛应用，盾构施工过程中遭遇的工程地质条件和掘进环境越来越复杂，由于开挖面支护力控制不当产生地表过大沉降，给正常施工带来极大的影响，所以保持开挖面稳定性是盾构施工的关键。
3.目前关于开挖面稳定性的研究大部分主要针对支护力大小的确定和失稳机制的分析，而关于不同埋深条件下从土体应力状态变化和地表沉降变化的角度分析开挖面失稳过程以及土拱效应的系统研究较少，现有的模型试验中多通过移动盾构模型来减少支护力，不能实现在同一面上支护力持续减小或增大的实时精准控制，缺少从不同埋深条件下控制支护力增大或者减少两个角度引起的土体应力状态变化、地表和土中高度变化对开挖面失稳过程以及土拱效应的影响研究；且现有的装置大多通过土压力盒观测范围内的土体应力变化，不能反映土颗粒之间的接触力变化，不能从接触力链的角度实时观测土拱的动态演化过程。
技术实现要素：
4.本实用新型的目的是克服上述已有技术存在的不足，而提供一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置。
5.本实用新型提供的技术方案是：一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特殊之处在于，由有机玻璃模型箱、模拟盾构隧道、监测系统组成；
6.所述的有机玻璃模型箱上端敞口，有机玻璃模型箱内放置待测土和模拟盾构隧道；所述的有机玻璃模型箱的前箱板上或前后箱板上设有通孔；
7.所述的模拟盾构隧道为整体模型，内部中空，模拟盾构隧道置于有机玻璃模型箱中；所述的模拟盾构隧道内部设置透水孔，外部包裹高韧性橡皮膜，模拟盾构隧道前端中部连接进水管；所述的进水管通过通孔伸出，与液压发生设备连接；
8.所述的监测系统位于有机玻璃模型箱内放置的待测土内。
9.优选地，所述的监测系统包括土压力盒和沉降计，用来记录土体失稳过程中竖向和水平向土压力的变化情况的土压力盒埋设在开挖面的周围；用于监测土体表面沉降和土中沉降的沉降计埋置在土层表面以及土层中。
10.优选地，所述的监测系统包括薄膜压力传感器和数据采集系统；所述的薄膜压力传感器粘贴在开挖面上毗邻颗粒之间以及颗粒和模拟盾构隧道的前后端面之间的接触中心点上；所述的薄膜压力传感器的导线通过有机玻璃模型箱箱板上的通孔伸出，与数据采
集系统连接。
11.优选地，所述的有机玻璃模型箱箱体四面标有刻度尺；所述的模拟盾构隧道根据刻度尺置于有机玻璃模型箱中。
12.优选地，所述的有机玻璃模型箱前箱板上的通孔为圆形，直径大于进水管的直径。
13.优选地，所述的有机玻璃模型箱前后箱板上的通孔为镂空槽，宽度小于模拟盾构隧道的直径和颗粒直径，宽度大于进水管的直径。
14.优选地，所述的薄膜压力传感器为圆形单点薄膜压力传感器。
15.本实用新型的有益效果：
16.1、通过液压发生设备向颗粒土地层中的盾构隧道内充水排水来膨胀收缩高韧性橡皮膜，改变支护压力大小以及通过布置不同埋深的盾构隧道，来模拟颗粒土地层中的多种工况；
17.2、试验装置结构简单、易于操作，可以直观地观察到土体沉降变化以及失稳过程，从土体应力和土层沉降变化的角度来研究分析开挖面失稳机理以及土拱发展规律；
18.3、薄膜压力传感器具有高灵敏度、柔软耐弯曲、高分辨率等特点，可应用于狭小空间内的触力、压力测试，能够使测量结果更加精确可靠；
19.4、可以基于规模较小的室内模型试验，将其应用于探究粗粒土地层中隧道在支护压力变化过程中的变形破坏机理以及土拱微观特性的研究。
附图说明
20.图1是本实用新型的一种结构示意图；
21.图2是图1的剖面图；
22.图3是图1的有机玻璃模型箱前箱板示意图；
23.图4是本实用新型的另一种结构示意图；
24.图5是图4的薄膜压力传感器作用位置横断面图；
25.图6是图4的薄膜压力传感器示意图；
26.图7是本实用新型的模拟盾构隧道结构示意图。
27.图中：1有机玻璃模型箱，2模拟盾构隧道，3刻度尺，4通孔，5透水孔，6进水管，7土压力盒，8高韧性橡皮膜，9沉降计，10薄膜压力传感器。
具体实施方式
28.为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本实用新型。
29.实施例1，如图1、2、3、7所示，一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，由有机玻璃模型箱、模拟盾构隧道、监测系统组成；
30.有机玻璃模型箱1为矩形箱体，由具有一定厚度的有机玻璃制成，上端敞口，前、后、左、右四面都标有刻度尺3，前箱板有一个通孔4，通孔4为圆形，直径略大于进水管6的直径；使用时，有机玻璃模型箱1里面装入细颗粒土和模拟盾构隧道2；
31.模拟盾构隧道2为整体模型，内部中空，将模拟盾构隧道2置于有机玻璃模型箱1中，被土体包围，模拟盾构隧道2内部设置透水孔5，外部包裹高韧性橡皮膜8，模拟盾构隧道2前端中部连接进水管6；进水管6通过通孔4伸出，与液压发生设备连接；
32.监测系统包括土压力盒7和沉降计9；土压力盒7埋设在开挖面的周围，用来记录土体失稳过程中竖向和水平向土压力的变化情况；沉降计9埋置在土层表面以及土层中，用于监测土体表面沉降和土中沉降。
33.本实用新型的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其试验方法是在不同隧道埋深条件下，通过控制支护压力，来模拟开挖面失稳过程以及土拱发展的时变特征，包括以下步骤：
34.1）按照实验要求的模拟盾构隧道2所置埋深，向有机玻璃模型箱1内装入颗粒土，通过对标刻度尺3，到达要求高度，期间在相应位置埋设土压力盒7；
35.2）将模拟盾构隧道2放入，并埋设相应位置的土压力盒7；
36.3）将进水管6从孔洞4中导出，进水管6与液压发生设备连接；
37.4）利用液压发生设备向模拟盾构隧道2内充水，高韧性橡皮膜8膨胀，根据液压显示数据，到达所需初始支护压力；
38.5）继续填土以及埋设相应位置的土压力盒7和沉降计9，到达一定高度后，埋设土表沉降计9；
39.6）待装置稳定好，根据试验要求，利用液压发生设备开始充水或者排水，高韧性橡皮膜8膨胀或者收缩，来控制支护压力大小变化；
40.7）记录土体竖向和水平向土压力的变化情况以及土体表面和土中沉降数据，进行整理分析。
41.实施例2，如图4、5、6、7所示，一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，由有机玻璃模型箱、模拟盾构隧道、监测系统组成；
42.有机玻璃模型箱1为矩形箱体，由具有一定厚度的有机玻璃制成，上端敞口，前、后、左、右四面都标有刻度尺3，前、后两面箱板上都有通孔4，通孔4为三个镂空槽，宽度小于模拟盾构隧道2的直径和颗粒直径，宽度大于进水管6的直径；使用时里面放入颗粒土和模拟盾构隧道2；
43.模拟盾构隧道2为整体模型，内部中空，将模拟盾构隧道2置于有机玻璃模型箱1中，被颗粒包围，模拟盾构隧道2内部设置透水孔5，外部包裹高韧性橡皮膜8，前端中部连接进水管6；进水管6通过镂空槽伸出，与液压发生设备连接；
44.监测系统包括薄膜压力传感器10和数据采集系统；薄膜压力传感器10为圆形单点薄膜压力传感器，粘贴在开挖面上毗邻颗粒之间以及颗粒和模拟盾构隧道2的前后端面之间的接触中心点上，将薄膜压力传感器10的导线通过镂空槽伸出，与数据采集系统连接。
45.本实用新型的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其试验方法是在不同隧道埋深条件下，通过控制支护压力，来模拟开挖面失稳过程以及土拱发展的时变特征，包括以下步骤：
46.1）按照实验要求的模拟盾构隧道2所置埋深，向有机玻璃模型箱1内放置颗粒土，通过对标刻度尺3，到达要求高度；
47.2）将薄膜压力传感器10贴于试验所需研究的开挖面上毗邻颗粒之间以及颗粒和模拟盾构隧道2的前后端面之间的接触中心点处，并放置模拟盾构隧道2；
48.3）将进水管6以及薄膜压力传感器10的导线从镂空槽中导出，进水管6与液压发生设备连接，薄膜压力传感器10的导线与数据采集系统连接，并对连接好的数据采集系统进
行调试校正；
49.4）利用液压发生设备向模拟盾构隧道2内充水，高韧性橡皮膜8膨胀，根据液压显示数据以及接触力数据，到达所需初始支护压力；
50.5）继续放置颗粒土，至接近有机玻璃模型箱1上端敞口处，颗粒土之间紧密接触且均匀分布；
51.6）待装置稳定好，记录此时接触力数据以及最上层颗粒土高度；
52.7）根据试验要求，利用液压发生设备开始充水或者排水，高韧性橡皮膜8膨胀或者收缩，来控制支护压力大小变化；
53.8）记录接触力实时数据以及最上层颗粒土高度，进行整理分析；
54.9）监测到颗粒土位移变化，通过接触力实时数据来分析研究在不同隧道埋深条件下地层失稳过程中的土拱发展规律。
55.应当理解的是，本说明书未详细阐述的技术特征都属于现有技术。尽管上面结合附图对本实用新型专利的实施方式进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员均可以在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出更多的形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。
技术特征：
1.一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，由有机玻璃模型箱、模拟盾构隧道、监测系统组成；所述的有机玻璃模型箱（1）上端敞口，有机玻璃模型箱（1）内放置待测土和模拟盾构隧道（2）；所述的有机玻璃模型箱（1）的前箱板上或前后箱板上设有通孔（4）；所述的模拟盾构隧道（2）为整体模型，内部中空，模拟盾构隧道（2）置于有机玻璃模型箱（1）中；所述的模拟盾构隧道（2）内部设置透水孔（5），外部包裹高韧性橡皮膜（8），模拟盾构隧道（2）前端中部连接进水管（6）；所述的进水管（6）通过通孔（4）伸出，与液压发生设备连接；所述的监测系统位于有机玻璃模型箱（1）内放置的待测土内。2.根据权利要求1所述的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，所述的监测系统包括土压力盒（7）和沉降计（9），用来记录土体失稳过程中竖向和水平向土压力的变化情况的土压力盒（7）埋设在开挖面的周围；用于监测土体表面沉降和土中沉降的沉降计（9）埋置在土层表面以及土层中。3.根据权利要求1所述的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，所述的监测系统包括薄膜压力传感器（10）和数据采集系统；所述的薄膜压力传感器（10）粘贴在开挖面上毗邻颗粒之间以及颗粒和模拟盾构隧道（2）的前后端面之间的接触中心点上；所述的薄膜压力传感器（10）的导线通过有机玻璃模型箱（1）箱板上的通孔（4）伸出，与数据采集系统连接。4.根据权利要求1所述的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，所述的有机玻璃模型箱（1）箱体四面标有刻度尺（3）；所述的模拟盾构隧道（2）根据刻度尺（3）置于有机玻璃模型箱（1）中。5.根据权利要求1所述的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，所述的有机玻璃模型箱（1）前箱板上的通孔（4）为圆形，直径大于进水管（6）的直径。6.根据权利要求1所述的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，所述的有机玻璃模型箱（1）前后箱板上的通孔（4）为镂空槽，宽度小于模拟盾构隧道（2）的直径和颗粒直径，宽度大于进水管（6）的直径。7.根据权利要求3所述的一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特征在于，所述的薄膜压力传感器（10）为圆形单点薄膜压力传感器。
技术总结
本实用新型公开了一种模拟土质地层隧道开挖与支护试验装置，其特点是，该装置由有机玻璃模型箱、模拟盾构隧道、监测系统组成；通过模拟土质地层中隧道开挖与支护试验装置，在不同埋深条件下，控制支护压力，通过监测开挖面土体应力状态以及土体表面和土中的沉降变化，从支护力与土体应力和沉降变化关系的角度来研究分析开挖面失稳机理以及土拱的形成、发挥和发展过程。和发展过程。和发展过程。
