一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地下工程试验技术领域，可以模拟地铁盾构隧道施工所引发的不同形 状及规模的地层空洞，为研宄空洞坍落及扩展机制的模型试验提供了依据。
【背景技术】
[0002] 在城市地铁建设中，盾构法由于其施工速度快、对周围环境影响小等特点得到了 越来越广泛的应用。盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，虽然有了很大的进步，但仍 然不可避免地引起周围地层扰动，引起周边土体的应力释放及地层变形，极易带来地表塌 陷、既有建筑物变形等一系列问题，盾构开挖所造成的事故中，盾构施工诱发的地层空洞导 致的地表塌陷事故占事故总数的60%，地层空洞诱发的地面塌陷事故由于其发生的不确定 性、滞后性、突然性而导致发生事故后造成的危害较大。因此，针对盾构施工所诱发地层空 洞的演变及扩展机理及其所引发的的地表沉降塌陷问题开展深入研宄是非常必要的。
[0003] 目前关于盾构施工所诱发地层空洞的演变及扩展机理及其所引发的的地表沉降 塌陷的研宄所采用的主要方法有现场测试法、数值计算法和室内模型试验法。室内模型试 验基于相似理论，利用与原型在几何、材料等方面的相似的模型开展试验，具有可人为控制 和改变试验条件，可进行重复性试验，效果直观清楚，周期短等特点，在隧道及地下工程研 宄领域得到了广泛的应用。
[0004] 现有的模拟装置与方法中，存在一个共同的缺点，就是在对于地层空洞的模拟中， 无法体现地层空洞在形状及规模上的不确定性，通常只是将地层空洞简化为某一特定的形 状（如圆形或椭圆形）。然而，在实际工程中，盾构施工所引发的地层空洞形状是极不规则 的，空洞规模亦存在很大的不确定性，将其近似为特定形状进行的研宄，试验结果往往与实 际情况偏差较大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供盾构施工引发地层空洞模型试验中不规则形状地层空洞 的试验装置。该试验装置能较好的解决现有模型试验中地层空洞难以模拟及空洞形状无法 控制的问题。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0007] 一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层空洞的试验装置，包括空洞模型、试验模型 箱（8)、加热控制装置（7)、试验土体（9)、LVDT位移计（10)、带孔的钢制隧道模型（11)、开 关阀门（13)、量筒（14);所述空洞模型用于模拟不规则形状的地层空洞，空洞模型包括聚 氨酯液囊（3)、电阻丝（4)、第一导管（5)和第二导管（6)，第一导管（5)和第二导管（6)设 置在聚氨酯液囊（3)上并连通到聚氨酯液囊（3)内部，电阻丝（4)设置在聚氨酯液囊（3)内 部，所述电阻丝（4)穿过聚氨酯液囊（3)上的第二导管（6)连接到加热控制装置（7)，由加 热控制装置（7)对电阻丝进行加热控制，聚氨酯液囊（3)上的第一导管（5)用于向聚氨酯 液囊（3)内输送包括水在内的液体介质，或者将该液体介质输送到聚氨酯液囊（3)外部的 量筒（14);试验模型箱（8)中填充试验土体（9)，填充至所需高度后在土层表面设置LVDT 位移计以测量地表位移（10)。
[0008] 所述的试验装置，所述空洞模型的制作方法为：根据需要采用聚氯乙烯塑料（1) 制成所需要的内轮廓，钢丝网（2)铺衬在聚氯乙烯塑料（1)内部，聚氨酯液囊（3)外表面与 钢丝网（2)紧密贴合在一起，在聚氨酯液囊（3)内设置电阻丝（4)并通过第二导管（6)将 电阻丝（4)通到外部；将聚氯乙烯塑料（1)和钢丝网（2)设定为某一形状后，通过第一导管 (5) 向聚氨酯液囊（3)内注满水，然后将其放于冷冻箱（12)内，聚氨酯液囊（3)中的水固结 成冰后，拆除聚氯乙烯塑料（1)和钢丝网（2)即可得用于模拟不同形态的地层空洞的空洞 模型。
[0009] 利用所述实验装置进行地层空洞诱发地表沉降模型试验的方法，具体实施步骤 是：
[0010] A1、制作空洞模型：首先将电阻丝（4)放入聚氨酯液囊（3)中并通过导管（6)与外 部连接，同时将导管（5)与聚氨酯液囊（3)连接；将干瘪状态下的聚氨酯液囊（3)外部包围 钢丝网（2)与聚氯乙烯塑料（1)，将钢丝网（2)与聚氯乙烯塑料组成的外部模型设定为所需 特定形状，通过第一导管（5)向聚氨酯液囊（3)中注水，直到聚氨酯液囊（3)的囊壁与钢丝 网（2)紧贴为止；将装置放入冷冻箱（12)中冷冻，聚氨酯液囊（3)中水全部固结成冰后取 出，拆除钢丝网（2)与聚氯乙烯塑料（1)，即得不规则形状地层空洞模型；
[0011] A2、安装空洞模型：将空洞模型置于试验模型箱（8)中进行安装固定，第二导管 (6) 通过钢制隧道模型（11)上的小孔与外界连接，其内的电阻丝（4)连接加热控制装置 (7) ;第一导管（5)通过钢制隧道模型（11)另一个小孔通到量筒（14)，并在第一导管（5)端 部设置开关阀门（13)，实验开始前保持开关阀门（13)关闭及量筒（14)中水量为零；在模 型箱中填充试验土体（9)并压实，在土层表面设置LVDT位移计（10);
[0012] A3、实验过程：打开开关阀门（13)，通过加热控制装置（7)控制聚氨酯液囊（3)中 冰块的融化速度，冰块完全融化后，空洞形成，此时记录量筒（14)中水的体积，通过计算换 算为空洞体积，LVDT位移计持续监测地表位移。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0014] 1、本发明利用液态水形状易改变的特点，将盛有液态水的容器预先设定形状，充 满水后将其冷冻为固态的冰，可在一定时间内保持形状不变，此方法可有效解决形状不规 则地层空洞难以模拟的问题。
[0015] 2、以往的模型试验中，地层空洞一般只能一次性生成，本发明通过液囊内设置的 电阻丝控制冰块融化时间，从而达到控制地层空洞形成时间的目的，可用于研宄地层空洞 形成的时间快慢对于地表沉降的影响。
[0016] 3、本发明通过在隧道模型上设置孔道将出水导管和电阻丝加热装置与外界连接， 有效的避免了导管埋设在土体中对土体所造成的扰动问题，使模型试验更接近于工程实际 情况。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明所述用于模拟不规则形状地层空洞装置图；
[0018] 图2为发明所述模型箱及地层空洞模拟系统装置正视