一种模拟泥浆平衡的盾构开挖面失稳试验方法与流程

本发明涉及隧道盾构开挖面失稳试验，尤其涉及一种模拟泥浆平衡的盾构开挖面失稳试验方法。

背景技术：

1、泥水平衡盾构因其对复杂地层的良好适应性，被广泛应用于水下隧道及高水压地层隧道的施工。其核心原理是通过在开挖面施加泥浆压力来平衡前方的水土压力，保持掌子面的稳定。一旦泥浆压力控制不当或遭遇突发情况导致支护力不足，极易引发开挖面失稳，造成地表塌陷等严重工程事故。

2、目前，针对泥水平衡盾构开挖面稳定性的研究多采用数值模拟或室内缩尺试验。现有的缩尺试验装置存在一定局限性：部分装置采用刚性板代替开挖面，无法真实模拟泥浆压力通过柔性介质传递至土体的力学行为；部分装置对地应力的模拟较为简单，难以精确反映不同埋深的影响；此外，对于开挖面从稳定到失稳的全过程、特别是土体内部变形的可视化捕捉能力不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种模拟泥浆平衡的盾构开挖面失稳试验方法，能够真实模拟泥浆支护下的开挖面受力状态，并实现对开挖面失稳全过程的可视化监测。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种模拟泥浆平衡的盾构开挖面失稳试验方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、制作试验装置；

4、试验装置包括模型箱、盾构隧道模拟系统、地表加载模拟系统、泥浆压力模拟系统、地下水模拟单元和监测系统；

5、所述的模型箱为用于放置试验土层的矩形箱体，模型箱的顶部敞开，模型箱的侧面为透明侧壁；

6、所述的盾构隧道模拟系统包括一个位于模型箱内腔的盾壳模型，盾壳模型为采用有机玻璃热弯成型的半圆筒状构件，盾壳模型的轴线沿水平方向设置，盾壳模型两侧与轴线平行的边沿端面均与模型箱的透明侧壁贴合连接，盾壳模型沿轴向的两端分别设有柔性乳胶膜，从而通过模型箱的透明侧壁、盾壳模型和两端的柔性乳胶膜配合围成泥浆压力室，盾壳模型的顶侧开设有能够切换开闭状态的排气孔；

7、所述的地表加载模拟系统包括升降框架、气囊和承压板，承压板放置于试验土层的顶部，气囊放置于承压板的上方，升降框架位于模型箱的外侧，升降框架设有能够升降的下压板，下压板能够停留至气囊的上方并限制气囊的向上膨胀变形，从而使气囊膨胀的压力能够通过承压板作用于试验土层；

8、所述的泥浆压力模拟系统包括蓄水箱，蓄水箱的底部连接有进水管，进水管贯穿模型箱和盾壳模型一端的柔性乳胶膜，蓄水箱的顶部与外界空气连通，从而使蓄水箱内的水面高于盾壳模型的顶侧时能够向泥浆压力室内注水，所述柔性乳胶膜还与出水管连接，出水管贯穿模型箱并延伸至外侧，进水管和出水管上分别安装有流量控制阀；

9、所述的地下水模拟单元包括铺设在模型箱内腔底侧的透水层，所述试验土层均匀压设在透水层上方，模型箱的底面还连接有注水管，注水管能够向透水层注水，并使注入的水在透水层内均匀分布后由下至上向试验土层内渗透，并将空气从试验土层的顶侧排出；

10、所述的监测系统包括工业相机、光源、图像处理终端和地表位移计，光源能够向模型箱设置泥浆压力室的一侧进行照射，工业相机能够对泥浆压力室进行拍摄并将图像数据传输至图像处理终端，多个地表位移计分别设置在试验土层的顶侧表面，能够测量试验土层的顶侧高度；

11、步骤s2、制备试验地层；

12、在模型箱内填充试验土体，形成砂土地层或黏性土地层；

13、对于砂土地层采用分层击实法，将烘干、过筛的砂土按每层5-8cm厚度分层填入模型箱内，每层填充后均采用平板振捣器进行振实处理后再进行刮毛处理，达到预设高度后，设置地表加载系统，控制气囊膨胀，通过承压板对砂土层进行预压固结，最后修整土体表面至所需高度；

14、对于黏性土地层采用泥浆固结法，对黏性土样进行烘干、破碎、过筛后加水搅拌，调制成流动泥浆并进行密封养护，然后将泥浆分层倒入模型箱，达到预设高度后，在泥浆表面铺设透水石和滤纸，设置地表加载系统，控制气囊膨胀，通过承压板对泥浆层进行静载固结，直至试验土体的每小时排水量小于1ml，然后采用微型十字板剪切仪在模型箱内不同深度分别测试不排水抗剪强度，当强度达标后进行分级卸压，卸压速率不超过10kpa/min，每级卸压后的保压时间不低于10分钟，最后修整土体表面至所需高度；

15、步骤s3、试验地层土体饱和与地下水环境模拟；

16、通过地下水模拟单元向模型箱内注水，直到达到设定的模拟地下水位；

17、步骤s4、施加泥浆支护压力；

18、开启盾壳模型的排气孔，通过泥浆压力模拟系统向泥浆压力室内注水，使柔性乳胶膜逐渐膨胀至与土体界面紧密贴合无可见空隙，当泥浆压力室内注满水后，停止注水并关闭排气孔；

19、注水过程中通过流量控制阀调节进水速率，并对泥浆压力室内的压力进行监测，使泥浆压力室内的压力稳定在初始支护压力值范围，初始支护压力范围根据初始支护压力值进行选取；

20、对于砂土地层，初始支护压力值采用水土分算法，公式为：

21、；

22、对于黏性土地层，初始支护压力值采用水土合算法，公式为：

23、；

24、上式中，k0为静止土压力系数，γ´为浮重度，h0为模拟隧道中心埋深，uw=γw·hw为开挖面中心处孔隙水压力，hw为模拟开挖面中心至地下水位的垂直高度，γsat为土体饱和重度；

25、步骤s5、模拟开挖面失稳过程；

26、通过泥浆压力模拟系统的排水管进行排水，降低泥浆压力室内的压力，排水过程中通过流量控制阀调节排水速率，使柔性乳胶膜对土体的支护力按照设定的速率逐步降低，直到支护力小于土体的极限抗力，使开挖面前方的土体向泥浆压力室方向产生位移，从而对地层向隧道内的位移和失稳进行模拟；

27、步骤s6、数据采集与分析；

28、在失稳模拟过程中监测系统实时采集数据，通过地表位移计获取试验土层的高度变化，通过工业相机连续采集土体变形图像，通过图像处理终端进行处理后输出位移矢量图、剪切应变云图和拍摄采样点位移曲线，从而得到开挖面渐进破坏过程的定量描述，并采用双重标准进行开挖面失稳的模拟判定；

29、定性标准：开挖面前方土体出现贯穿性剪切带，且剪切带向地表扩展；

30、定量标准：隧道轴线正上方地表竖向位移速率连续3个拍摄采样点超过0.5mm/min。

31、优选的，所述盾壳模型的底侧与模型箱内壁底面的距离不小于盾壳模型的直径。

32、优选的，所述柔性乳胶膜的厚度不低于0.5mm，弹性模量为2-5mpa，邵氏硬度为35-45 shore a。

33、优选的，所述的盾构隧道模拟系统还包括多个支撑杆，支撑杆的底端与模型箱的内壁底面连接，支撑杆的顶端与盾壳模型的底侧连接。

34、优选的，所述进水管上安装有水压计。

35、优选的，所述透水层采用碎石或粗砂铺设而成。

36、优选的，步骤s5中，降压速率设置为0.1kpa/min、0.5kpa/min或1.0kpa/min，分别模拟缓慢失稳工况、中速失稳工况和突发失稳工况。

37、优选的，步骤s6中，所述开挖面渐进破坏过程的定量描述包括剪切带出现位置与扩展方向、临界失稳时刻的应变阈值、失稳范围几何尺寸。

38、根据上述技术方案，本发明的有益效果是：

39、本发明可获得砂土地层深埋条件下开挖面主动破坏的极限支护压力，结合监测系统记录的位移场演化过程，可进一步分析土体内部剪切带的形成与扩展规律，为泥水平衡盾构的泥浆压力设定提供试验依据，克服了现有技术对于开挖面从稳定到失稳的全过程、特别是土体内部变形的可视化捕捉能力不足的缺陷，能够真实模拟泥浆支护下的开挖面受力状态，并能精确监测试验过程中土体渐进破坏特征，实现对开挖面失稳全过程的可视化监测。