一种考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置

本申请涉及盾构隧道施工，特别是涉及一种考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置。

背景技术：

1、砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，在无水的状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，在盾构掘进中刀盘与砂卵石地层接触压力不等，导致刀头震动，在顶进力作用下易产生坍塌，引起围岩扰动和地层变形。砂卵石地层颗粒粒度不均一，孔隙度大，粘结性差，透水性好，在盾构施工过程中，由于砂卵石土孔隙率大，盾构掘进扰动后地层逐渐变得密实，造成土体损失、地表沉降。

2、隧道工程施工的渗流主要发生在含水路段，当对此路段进行施工时，原有地下水的状况就会发生改变，破坏其渗流条件，地下水便会随着隧道的一些位置流出，最终导致涌水灾害，形成渗流。有的岩体遇水后会因胶结物溶解，导致岩体内的一些细小颗粒被融化，从而使岩体软化，最终致使岩体的强度降低；有的岩体会因岩体中的一些物质与水发生化学反应使其强度降低；有的岩体会因岩体中的物体遇水变得光滑导致岩体变形或破坏使其强度降低。

3、因而常采用盾构隧道模型装置对盾构掘进进行模拟，以减少工程事故的发生，然而现有的一些盾构隧道模型装置往往只考虑某种单一工况，但是在实际盾构隧道施工过程中是多种因素耦合对盾构掘进产生影响，如渗流、动载扰动等，仅考虑单一工况因素与实际不相符合，所以这类装置无法真实模拟砂卵石地层中动水动载耦合作用下的盾构掘进过程。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，以克服现有盾构隧道模型装置仅考虑单一因素，无法真实模拟砂卵石地层中动水动载耦合作用下的盾构掘进过程的缺陷。

2、一种考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，包括：

3、模型箱，其内部填充有试验土体，所述模型箱的相对两侧面及底面设有与其内部连通的储水箱，其未设有储水箱侧相对应位置处设有通孔，所述通孔处设有法兰；

4、循环式变高度恒水位控制系统，其通过输出端与输入端与储水箱连通，水经输出端渗流入试验土体内，后经输入端回流；

5、盾构隧道掘进装置，其一端与法兰可拆卸地连接，其另一端埋设于试验土体内；

6、动力加载系统，其输出端设于试验土体上方。

7、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述储水箱包括第一储水箱、第二储水箱和第三储水箱，所述第一储水箱和第二储水箱相对布设于储水箱两侧面，所述第一储水箱设有上部进水孔，所述第二储水箱设有溢流孔，所述第三储水箱设于模型箱底部，其远离第二储水箱侧设有下部进水孔，所述第一储水箱、第二储水箱和第三储水箱与模型箱内部连通侧设有可拆卸地带孔透水板或挡水板。

8、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述第一储水箱和第二储水箱的上部设有透气孔，所述第一储水箱、第二储水箱和第三储水箱设有压力表。

9、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述模型箱内部靠近第二储水箱侧设有分隔组件。

10、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述试验土体内设有数据采集系统，其包括外部控制端及与其电连接的孔隙水压力传感器、土压力盒、电磁流量器、地中位移计和地表位移计，所述孔隙水压力传感器、土压力盒埋设于试验土体内部，所述电磁流量器设于溢流孔内，所述地中位移计埋设于试验土体中部，所述地表位移计设于试验土体顶部。

11、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述循环式变高度恒水位控制系统包括固定式水箱和变高度恒压供水箱，所述固定式水箱设于变高度恒压供水箱下方，所述变高度恒压供水箱通过自动牵引装置与固定式水箱连接，所述固定式水箱通过第一水管与溢流孔连通，其还通过带有增压泵的第二水管与变高度恒压供水箱的水箱进水口连通，所述变高度恒压供水箱的水箱出水口通过第三水管与上部进水孔或下部进水孔连通。

12、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述水箱进水口和水箱出水口相对布设，二者之间设有遮挡板，所述遮挡板将变高度恒压供水箱分为蓄水区和稳压水头区。

13、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述法兰通过承重杆与盾构隧道掘进装置可拆卸地连接。

14、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述盾构隧道掘进装置包括伸缩装置和隧道模型，所述伸缩装置布设于隧道模型内部且通过撑杆与隧道模型连接，所述隧道模型外部嵌套有预应力硅胶薄膜。

15、作为本发明中考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置的一种优选，所述动力加载系统包括模块化移动桁架系统，其输出端位于盾构隧道掘进装置上方且设有激振器，所述激振器下方设有与其可拆卸地连接的激振杆，所述激振器通过功率放大器与信号发生器连接。

16、本发明的有益效果：

17、1、本发明通过循环式变高度恒水位控制系统和储水箱相互配合，可实现多路径的地下动水渗流侵蚀试验，其中水平渗流时通过拆除部分带孔透水板可实现地层堵塞情况的有效观测。

18、2、本发明中的循环式变高度恒水位控制系统可以实现水位的稳定控制，并且可以模拟高达40kpa的地下承压水头，还可实现试验水资源的循环利用。

19、3、本发明有效模拟了地下动水环境中盾构隧道下穿城市交通道路的施工环境，建立了考虑地下动水、地面动载、盾构施工三者耦合作用的模型试验系统，为研究盾构隧道开挖下细颗粒迁移规律及致塌机理提供了更完善、更准确的模型系。

技术特征：

1.一种考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述储水箱包括第一储水箱、第二储水箱和第三储水箱，所述第一储水箱和第二储水箱相对布设于储水箱两侧面，所述第一储水箱设有上部进水孔，所述第二储水箱设有溢流孔，所述第三储水箱设于模型箱底部，其远离第二储水箱侧设有下部进水孔，所述第一储水箱、第二储水箱和第三储水箱与模型箱内部连通侧设有可拆卸地带孔透水板或挡水板。

3.根据权利要求2所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述第一储水箱和第二储水箱的上部设有透气孔，所述第一储水箱、第二储水箱和第三储水箱设有压力表。

4.根据权利要求1所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述模型箱内部靠近第二储水箱侧设有分隔组件。

5.根据权利要求1所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述试验土体内设有数据采集系统，其包括外部控制端及与其电连接的孔隙水压力传感器、土压力盒、电磁流量器、地中位移计和地表位移计，所述孔隙水压力传感器、土压力盒埋设于试验土体内部，所述电磁流量器设于溢流孔内，所述地中位移计埋设于试验土体中部，所述地表位移计设于试验土体顶部。

6.根据权利要求1所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述循环式变高度恒水位控制系统包括固定式水箱和变高度恒压供水箱，所述固定式水箱设于变高度恒压供水箱下方，所述变高度恒压供水箱通过自动牵引装置与固定式水箱连接，所述固定式水箱通过第一水管与溢流孔连通，其还通过带有增压泵的第二水管与变高度恒压供水箱的水箱进水口连通，所述变高度恒压供水箱的水箱出水口通过第三水管与上部进水孔或下部进水孔连通。

7.根据权利要求5所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述水箱进水口和水箱出水口相对布设，二者之间设有遮挡板，所述遮挡板将变高度恒压供水箱分为蓄水区和稳压水头区。

8.根据权利要求1所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述法兰通过承重杆与盾构隧道掘进装置可拆卸地连接。

9.根据权利要求7所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述盾构隧道掘进装置包括伸缩装置和隧道模型，所述伸缩装置布设于隧道模型内部且通过撑杆与隧道模型连接，所述隧道模型外部嵌套有预应力硅胶薄膜。

10.根据权利要求1所述考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，其特征在于，所述动力加载系统包括模块化移动桁架系统，其输出端位于盾构隧道掘进装置上方且设有激振器，所述激振器下方设有与其可拆卸地连接的激振杆，所述激振器通过功率放大器与信号发生器连接。

技术总结本申请涉及一种考虑动水动载作用的多路径渗流盾构掘进试验装置，包括模型箱，其内部填充有试验土体，所述模型箱的相对两侧面及底面设有与其内部连通的储水箱，其未设有储水箱侧相对应位置处设有通孔，所述通孔处设有法兰；循环式变高度恒水位控制系统，其通过输出端与输入端与储水箱连通；盾构隧道掘进装置，其一端与法兰可拆卸地连接，其另一端埋设于试验土体内；动力加载系统，其输出端设于试验土体上方。本发明有效模拟了地下动水环境中盾构隧道下穿城市交通道路的施工环境，建立了考虑地下动水、地面动载、盾构施工三者耦合作用的模型试验系统，为研究盾构隧道开挖下细颗粒迁移规律及致塌机理提供了更完善、更准确的模型系。技术研发人员：傅金阳,林世儒,杨州,夏祎倩,孙前辉受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6