模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置及方法
技术领域
本发明属于土木工程试验领域，涉及一种模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置及方法。
背景技术
随着隧道施工技术的日益成熟，为了满足地下隧道开挖高效率、大规模、低成本、省资源的需要，盾构法隧道断面由圆形断面逐渐发展为矩形、类矩形、椭圆形、双圆形等隧道断面形式。1986年，日本开创了双圆盾构(Double-O-Tube，简称DOT)隧道施工的先例。双圆隧道相较于两条相互平行的单圆隧道，具有开挖空间小、建设成本低、对环境影响小等优势，逐渐在城市地下交通建设中得到了广泛应用。双圆盾构隧道施工过程中开挖引起的地层位移仍不可避免，特别是在软土地层中尤为显著，其独特的断面形状使其在施工过程中引起土层位移的机理更为复杂。因此，研究双圆盾构隧道施工引起的地层位移规律是非常重要的。
透明土的基本原理是利用透明颗粒材料与具有相同(近)折射率的孔隙流体混合而成，具备与天然土体相似的岩土工程性质的土体。利用激光器可以在其土体内部形成一个散斑场，利用工业照相机拍摄出图片。利用PIV技术对比不同时间点图片的灰度值，利用关联函数可以得到不同时间点的相对位移，从而得到双圆隧道土体内部的宏观变形过程。
现有技术中存在一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置和试验方法，通过控制预先埋设在透明土中若干个水囊的体积，实现了在透明土模型试验中隧道的分步开挖过程。但是，该试验方法采用的水囊排水法无法保证隧道在开挖过程中的断面形状保持稳定。并且，为实现隧道的分步开挖，需要在透明土中埋设许多排水管，影响了实验的准确性。此外，无法准确模拟双圆隧道开挖过程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置及方法，解决现有技术中存在的不足，较为直观、准确地显现双圆盾构隧道施工引起周围土层的内部位移，得到土层位移的三维变形场。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置，包括透明模型箱、双圆隧道模型、牵引器、激光发射器和照相机；透明模型箱中填装透明土；双圆隧道模型水平穿过透明模型箱，包括内外套装且能相对滑动的透明双圆支撑柱和透明双圆管，位于透明模型箱内的透明双圆支撑柱和透明双圆管埋入透明土；牵引器在透明模型箱外与透明双圆管相连，以间断牵引透明双圆管水平抽动；激光发射器和照相机各有两个，对应透明双圆管设置在透明模型箱的外周，其中一激光发射器和照相机分别布置在透明双圆管抽动方向的两侧，另一激光发射器和照相机分别布置在透明双圆管抽动方向的垂向的两侧。
进一步，透明模型箱呈矩形，其对立的两壁面上设有供双圆隧道模型穿过的双圆孔洞。
进一步，双圆孔洞处安装有双圆密封圈。
进一步，透明双圆管的外周套装有透明双圆弹性管。
进一步，透明双圆管的一端设有牵引头，用于连接牵引器。
进一步，透明双圆管包括下沉式、均匀式和上浮式透明双圆管三种类型。
进一步，透明双圆支撑柱包括两段，一段设有双圆凸头，另一段设有适配的双圆凹槽，双圆凸头插入双圆凹槽内构成整体。
进一步，透明双圆支撑柱上设有刻度标记。
模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验方法，包括以下步骤：
S1.组装好模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置，在初始位置，通过两个激光发射器的照射在透明土内部形成两个二维散斑剖面并分别由两个照相机拍摄，获取两个二维散斑剖面图像；
S2.利用牵引器牵引透明双圆管水平移动一定位移并停下，记录透明双圆管的体积变化量；调整激光发射器的高度和水平位置，通过激光发射器照射及照相机拍摄，获取该一定位移下的二维散斑剖面图像；
S3.重复步骤S2，获取透明双圆管每次一定位移下不同位置的二维散斑剖面图像，直至双圆盾构隧道施工的模拟过程结束；
S4.通过相关软件处理二维散斑剖面图像，得到位移矢量图，并据此得出双圆盾构隧道施工引起的地层位移规律。
进一步，透明双圆管包括下沉式、均匀式和上浮式透明双圆管三种类型，改变透明双圆管的类型以模拟不同支护位置下的双圆盾构隧道施工引起的地层位移情况。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置及方法，装置可视化，成本低，快捷方便，能够直观、准确地模拟验证实际工程双圆隧道开挖引起的地层位移。通过牵引器自动牵引促使透明双圆管相对透明双圆支撑柱滑动，避免人工抽动产生的干扰，提高试验效率和准确性。
(2)本发明双圆隧道模型包括透明双圆支撑柱和透明双圆管，无需如现有技术在土体中埋设排水管，避免排水管对土体的扰动，较为真实地模拟双圆盾构隧道施工过程。
(3)本发明通过在透明双圆管外周套装透明双圆弹性管，利用透明双圆弹性管具有的可变形伸缩的特性，避免了透明双圆管在移动过程中与透明土的摩擦，减少对透明土的扰动，进一步提高试验的准确性。
(4)本发明透明双圆支撑柱上设置的刻度标记，便于设定和记录透明双圆管每次移动的位移量，提高试验的便捷性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置的结构示意图；
图2为透明模型箱的结构示意图；
图3为透明双圆弹性管的结构示意图；
图4为透明双圆支撑管的结构示意图；
图5为透明双圆管的结构示意图；
图6为下沉式透明双圆管、均匀式透明双圆管和上浮式透明双圆管三种类型的断面示意图。
附图标记：透明模型箱1、第一双圆孔洞11、第二双圆孔洞12、第一双圆密封圈13、第二双圆密封圈14、双圆隧道模型2、透明双圆支撑柱21、双圆凸头211、双圆凹槽212、刻度标记213、透明双圆管22、牵引头221、下沉式透明双圆管222、均匀式透明双圆管223、上浮式透明双圆管224、透明双圆弹性管23、牵引器3、激光发射器4、照相机5。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1，为一种模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置，包括透明模型箱1、双圆隧道模型2、牵引器3、激光发射器4和照相机5。
结合图2所示，透明模型箱1呈敞口的矩形，其对立的两壁面的中部设有供双圆隧道模型2穿过的第一双圆孔洞11和第二双圆孔洞12，第一双圆孔洞11和第二双圆孔洞12处分别安装有第一双圆密封圈13和第二双圆密封圈14。透明模型箱1中填装透明土。
双圆隧道模型2水平穿过透明模型箱1，包括内外套装且能相对滑动的透明双圆支撑柱21和透明双圆管22，位于透明模型箱1内的透明双圆支撑柱21和透明双圆管22埋入透明土。透明双圆支撑柱21为PVC材质，透明双圆管22为有机玻璃材质。无需如现有技术在透明土中埋设排水管，避免排水管对土体的扰动，较为真实地模拟双圆盾构隧道施工过程。
结合图4所示，透明双圆支撑柱21包括两段，其中一段的一端穿过第二双圆孔洞12而露出透明模型箱1，该端还设有刻度标记213，便于设定和记录透明双圆管22每次移动的位移量，提高试验的便捷性；另一端位于透明模型箱1内，并设有双圆凸头211。另一段的一端穿过第一双圆孔洞11而露出透明模型箱1，该段的另一端位于透明模型箱1内，并设有与双圆凸头211相适配的双圆凹槽212，双圆凸头211插入双圆凹槽212内构成整体。
结合图3所示，双圆隧道模型2还包括透明双圆弹性管23，套装在透明双圆管22的外周，靠近刻度标记213的一端通过第二双圆孔洞12伸出透明模型箱1外。透明双圆弹性管23由透明的橡胶材料制成，在自然状态下的周长小于透明双圆支撑柱21的双圆凸头211的周长，伸展最大时超过透明双圆管22的周长。双圆凸头211也被透明双圆弹性管23所包裹。利用透明双圆弹性管23具有的可变形伸缩的特性，避免了透明双圆管22在移动过程中与透明土的摩擦，减少对透明土的扰动，进一步提高试验的准确性。
结合图5所示，透明双圆管22的靠近刻度标记213的一端通过第二双圆孔洞12伸出透明箱体外，该端设有牵引头221，用于连接牵引器3。
结合图6所示，从左至右，透明双圆管22依次包括下沉式透明双圆管222、均匀式透明双圆管223和上浮式透明双圆管224三种类型。下沉式透明双圆管222、均匀式透明双圆管223和上浮式透明双圆管224的外形轮廓相同，下沉式透明双圆管222和上浮式透明双圆管224的内部中心分别向下和向上偏心，均匀式透明双圆管223的壁厚均匀，其内部中心即为结构的正中心。
牵引器3在透明模型箱1外与透明双圆管22的牵引头221相连，以间断牵引透明双圆管22水平抽动，避免人工抽动产生的干扰，提高试验效率和准确性。
激光发射器4和照相机5各有两个，对应透明双圆管22设置在透明模型箱1的外周，其中一激光发射器4和照相机5分别布置在透明双圆管22抽动方向的两侧，另一激光发射器4和照相机5分别布置在透明双圆管22抽动方向的垂向的两侧。
利用本实施例提供的试验装置来模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验方法，包括以下步骤：
S1.组装好模拟双圆盾构隧道施工引起地层位移的试验装置，在初始位置，通过两个激光发射器4的照射在透明土内部形成两个二维散斑剖面并分别由两个照相机5拍摄，获取两个二维散斑剖面图像；
具体组装过程为：
S11.分别在透明模型箱1的第一双圆孔洞11和第二双圆孔洞12处安装上第一双圆密封圈13和第二双圆密封圈14；
S12.将带双圆凸头211的一段透明双圆支撑柱21嵌入下沉式透明双圆管222中，并在下沉式透明双圆管222外套装透明双圆弹性管23；其中，透明双圆支撑柱21的双圆凸头211被透明双圆弹性管23包裹；
S13.将被透明双圆弹性管23包裹的双圆凸头211插入另一段透明双圆支撑柱21所在的双圆凹槽212内，构成整体的透明双圆支撑柱21，并由此固定住透明双圆弹性管23的一端；从而组装好双圆隧道模型2；
S14.将组装好的双圆隧道模型2嵌入透明模型箱1的第一双圆孔洞11和第二双圆孔洞12中，通过第一密封圈密封存在的空隙，通过透明双圆弹性管23伸出透明模型箱1外的一端包裹住第二双圆密封圈14的外边缘；
S15.将人工合成配置好的透明土填装进透明模型箱1，填装到没过双圆隧道模型2的高度，密封透明模型箱1；若在填装过程中混入过多气泡，需要搅拌、静置等操作以消除气泡；
S16.安装并调试两个激光发射器4和照相机5，其照射面和拍摄面分别垂直于对应的透明模型箱1的壁面；关闭实验室光源，打开两个激光发射器4并增加其激光强度，以便其在透明土内部形成两个相互垂直的二维散斑剖面；
S2.利用牵引器3按照刻度标记213牵引下沉式透明双圆管222水平移动一定位移并停下，记录下沉式透明双圆管222的体积变化量；调整激光发射器4的高度和水平位置，通过激光发射器4照射及照相机5拍摄，获取该一定位移下的二维散斑剖面图像；
S3.重复步骤S2，获取下沉式透明双圆管222每次一定位移下不同位置的二维散斑剖面图像并保存，直至双圆盾构隧道施工的模拟过程结束；
S4.将上述下沉式透明双圆管222更换为均匀式透明双圆管223，按相同步骤获取均匀式透明双圆管223每次一定位移下不同位置的二维散斑剖面图像并保存；
S5.将上述均匀式透明双圆管223再次更换为上浮式透明双圆管224，按相同步骤获取上浮式透明双圆管224每次一定位移下不同位置的二维散斑剖面图像并保存；
S6.通过PIV处理所获得的三组二维散斑剖面图像，分别得到位移矢量图，并据此得出在不同支护位置下双圆盾构隧道施工引起的地层位移规律。
针对下沉式透明双圆管222、均匀式透明双圆管223和上浮式透明双圆管224所分别进行的组装试验装置，获取、处理相关信息，以及分析相关地层位移规律，没有实施顺序上的限制，可以任意组合和改变。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
