一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验装置及方法与流程

1.本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验装置及方法。


背景技术：

2.随着城市交通拥堵和土地空间资源矛盾的日益加剧，大力发展城市轨道交通已成为解决大城市病的重要途径。盾构法具有施工速度快、机械化程度高、对周边环境影响小等优点，已经被广泛应用于城市轨道交通建设中。盾构机掘进过程中，利用土舱或者加压泥水提供的支护力以平衡开挖面前方的土水压力，减小盾构掘进对周边地层的扰动。然而，当盾构机提供的支护压力小于或大于开挖面前方的水土压力时，开挖面前方土体将发生主动或被动失稳，引起地表发生沉降或者隆起，甚至可能造成开挖面失稳事故，威胁既有建(构)筑物的使用安全。因此，确定合理的极限支护压力对维持盾构开挖面稳定至关重要，能够有效指导盾构施工参数控制，降低盾构开挖面失稳风险。
3.由于盾构开挖面失稳是地下岩土体的破坏工况，无法通过实际工程观测分析，目前大多采用室内模型试验对其进行研究。常重力缩尺模型试验不能还原场地应力，无法准确复现盾构开挖失稳过程中前方土体的力学行为。超重力模型试验通过将模型置于高速旋转的土工离心机上，使模型获得原型相似的应力状态，进而模拟了原型土体的力学行为，已成为盾构开挖面稳定性研究的主流试验手段。
4.目前，现有的盾构开挖面失稳离心试验装置主要包括应力控制式和位移控制式两种。应力控制式装置通过在盾壳内布置注有压缩空气或者液体的乳胶袋支护盾构开挖面，逐步减小乳胶袋内的压力使盾构开挖面发生失稳；位移控制式装置则通过加载装置连接刚性板为开挖面提供支护压力，控制刚性板前后移动模拟开挖面的失稳过程。然而，由压缩空气提供的支护力呈均匀分布，不符合地层应力沿深度变化的特性，造成试验结果误差受隧道埋深影响大，特别是深埋隧道。尽管还可以采用与地基土等重度的液体为开挖面提供沿深度变化的支护压力，但由于液体处于静水压力状态，往往无法同时平衡地层竖向和侧向土压力。因此，基于应力控制式的盾构开挖面失稳装置，无法准确获得盾构开挖面失稳过程中支护压力变化规律。相对于应力控制式，位移控制式装置可以较为准确地反映支护压力变化，因此更适用于模拟盾构开挖面失稳过程。在位移控制式装置中，一般利用泡沫条填充盾壳与刚性开挖面板间的空隙，而实践表明，这种密封形式效果不佳，会使盾构开挖面发生渗漏现象，影响试验结果的准确性。此外，模型箱的密封失效也会影响盾构开挖面失稳模式的准确性。
5.另一方面，现阶段的试验研究主要关注盾构开挖面的失稳形态与支护压力的变化规律，缺乏开挖面失稳对地表沉降以及土体应力传递机制影响的深入研究。这是因为，现有试验中模型地表沉降依靠lvdt位移传感器或者激光位移传感器监测，仅能采集有限监测点的沉降数据，较难获取地表沉降的关键特征，且接触式变形测量对沉降发展具有一定的干扰。


技术实现要素：

6.为解决现有盾构开挖面稳定性试验研究存在的问题，本发明提出一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验装置及试验方法，通过采用伺服电机驱动精准控制开挖面板运动，优化密封方式解决盾构开挖面板密封难题，利用多目立体视觉技术监测模型地表沉降，更为准确地获得开挖面渐进失稳特征和影响范围。具体通过以下技术方案实现：
7.一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验装置，其特征在于：包括模型箱、盾构隧道模型、伺服加载控制系统和数据采集系统；盾构隧道模型设置于模型箱内部，伺服加载控制系统布置于模型箱外侧，数据采集系统分布于模型箱内部和外侧；各系统具体的连接方式为：盾构隧道模型通过螺栓固定于模型箱内侧壁，加载控制系统通过加载杆连接开挖面板，数据采集系统的传感器通过埋入、连接和固定等方式与其他系统连接。
8.所述模型箱包括刚性箱体、密封板、相机安装框架；刚性箱体由前、后侧板和中间承载框架通过高强度螺栓连接，箱体内衬不锈钢层，通过焊接保证箱体密封性，前侧板采用高强度透明有机玻璃材质(便于可视化监测)，其他侧板均采用铝合金材质；刚性箱体左侧开有圆孔左外壁设有螺孔，密封板通过螺栓固定在刚性箱体左侧板上，作为加载杆的密封构件达到模型箱防水的目的；相机安装框架采用螺栓连接固定于模型箱顶部，框架中设置4根纵梁，用于安装监测模型地表沉降的工业相机阵列。
9.所述盾构隧道模型包括盾壳、刚性开挖面板、支撑块；盾壳为半圆柱壳形，尾部留有开孔的连接板，便于其通过螺栓连接至模型箱侧板，连接板设置有密封圈；刚性开挖面板为半圆柱形，其迎土面中间开有连接螺孔、传感器凹槽，螺孔用于连接加载杆，传感器凹槽用于安装土压力传感器和孔压传感器；所述刚性开挖面板尾部开有2道横槽，套有2个o型密封圈；支撑块顶部形状与盾壳一致，设置在盾壳底部，发挥支撑盾构隧道模型的作用。
10.所述伺服加载控制系统包括依次连接的伺服电机、丝杆、行星滚柱、螺母、从动轴和加载杆；丝杆的圆周运动经过行星滚柱转换成螺母的往复直线运动，螺母与从动轴连接实现从动轴的直线运动，从动轴通过轴力计与加载杆相连，并将直线运动传递给加载杆，驱动刚性开挖面板前后移动；进一步地，所述伺服加载控制系统通过lvdt位移传感器反馈的开挖面板位移信号精确控制开挖面板低速运动，根据加载杆的前移或后撤，实现盾构开挖面的主动失稳和被动失稳工况的模拟。
11.所述数据采集系统包括lvdt位移传感器、轴力计、孔压传感器、土压传感器、工业相机。lvdt位移传感器固定在伺服电机下部，监测刚性开挖面板的位移；轴力计两端有螺纹，通过螺纹连接安装在从动轴与加载杆之间，用于监测开挖面失稳过程中的支护压力；刚性开挖面板上的传感器凹槽中安装有孔压传感器、土压传感器，开挖面前方土体埋设孔压传感器和土压传感器，监测前方土体的孔压、土压；工业相机阵列由特制支架固定于相机安装框架上，获取模型地表的三维变形图像；前置工业相机还布置于模型箱前方，透过高强度有机玻璃拍摄开挖面失稳图像，利用粒子图像测速技术分析开挖面前方土体的二维变形。
12.所述工业相机基于多目立体视觉原理监测模型地表三维位移，其特征在于，需在模型土体表面布置标志点，并在模型箱侧壁上安装标定板(标定板表面有等距标志点)和led灯带，分别用于图像标定和照明补偿。
13.所述工业相机监测开挖面前方土体的二维变形，其特征在于，需在高强度有机玻璃内侧设置等距的参考点和控制点，且针对黏土等无纹理土体，需要在土体侧表面布置细
砂标志点。
14.所述的各类传感器和工业相机通过数据传输线缆连接至土工离心机数采模块，由离心机控制室的主机进行控制和分析处理。
15.一种模拟开挖面渐进失稳的超重力模型试验方法，具体包括以下步骤：
16.步骤1：确定隧道埋深比和超重力g值，在模型箱底部敷设30mm厚的砂垫层和土工织布，引出排水管路，作为加快模型土体固结的排水通道；
17.步骤2：安装模型隧道、密封板和伺服加载控制系统，连接轴力计、从动轴与加载杆，将2个孔压传感器、2个土压传感器安装在开挖面板凹槽内并用结构胶密封，之后将加载杆与开挖面板用螺栓拧紧连接；
18.步骤3：在设定的超重力环境下，通过伺服加载控制系统驱动开挖面板按照试验设定的速度前后移动，记录运动过程中的轴力计读数并取平均值，标定开挖面板与盾壳间的摩擦力，盾构开挖面实际支护压力等于轴力计读数与摩擦力的差值；
19.步骤4：按照设计的隧道埋深比，在模型箱浇筑填土或填土固结至指定高度，埋设9个孔压传感器、6个土压传感器，土样制备完成后，卸下前侧板并在土样表面以及与有机玻璃接触一侧布置细砂标志点，再安装好前侧板；
20.步骤5：在模型箱侧壁粘贴led灯带，并在靠近模型土体位置处安装标定板，将4个工业相机通过螺栓拧紧在相机安装框架上，调整镜头焦距、角度等参数，完成相机标定；
21.步骤6：将模型箱吊入离心机吊篮，在模型箱前方安装好工业相机，并完成相机标定工作，最后将各类传感器信号线保护好并固定在吊篮和离心机转臂上，接入数采模块中；
22.步骤7：进行离心试验，增加离心机加速度至指定g值后稳定一段时间，随后控制加载杆带动开挖面板按设定的速度匀速运动，使开挖面逐步失稳，同步控制工业相机连续拍摄失稳图像，记录各传感器数据，当开挖面板运动至设计行程后停止加载并降低离心加速度至停机；
23.步骤8：采用粒子图像测速技术、多目立体视觉技术分别对模型地基侧面和表面变形图像进行分析，结合开挖面前方土体的土压、孔压变化，明确开挖面渐进失稳模式和地表沉降发展特征，根据开挖面板位移-支护压力关系确定极限支护压力。
24.进一步地，步骤8中采用多目立体视觉技术分析模型地表三维变形的具体步骤为：
25.(1)相机标定：在模型箱顶部安装阵列相机，沿模型箱侧壁安装标定板和led灯带，利用levenber-marquard方法标定相机的内外参数。
26.(2)图像处理：利用点运算、邻域运算等对拍摄的图像进行预处理，提高图像信噪比；采用尺度不变特征变换法对标定板中的标志点进行特征点提取，确定模型箱中同一物点在不同图像中的对应关系；之后对获取的图像点利用置信传播和动态规划算法进行立体匹配，建立多幅图像间同一土颗粒的对应关系。
27.(3)三维重建：根据空间一点在多幅图像中的对应坐标，结合相机参数矩阵，得出图像中各点的视差深度坐标，之后利用深度学习算法对各点进行视差深度图优化，从而对图像中每一个像素点的空间坐标进行重建，获得模型地表的三维位移场。
28.本发明的优点如下：
29.(1)本发明装置在盾构开挖面板及模型箱防水方面进行了优化设计，避免了渗漏问题对开挖面前方土体孔压变化的影响，尤其提高了模拟软粘土地层盾构开挖面失稳的准
确性；
30.(2)相比于液压伺服驱动装置，本发明通过采用行星滚柱丝杆式伺服电动缸，实现了开挖面板的低速匀速运动的精准控制，可以有效提高盾构开挖面渐进失稳超重力模型试验的稳定性；
31.(3)本发明采用多目立体视觉技术监测模型地表的三维位移，具有精度高、干扰小、测量范围广的优点，克服了传统lvdt位移传感器等接触式测量的不足，实现了盾构开挖面失稳过程中地表三维变形的非接触式监测，进而揭示开挖面失稳对地表沉降的影响机制；
32.(4)本发明装置各部分便于拆卸安装，能够实现不同地层、不同埋深等多种工况下盾构开挖面失稳的模拟，进而探明盾构开挖面渐进失稳规律，可为工程实践中盾构开挖面支护压力设计提供试验依据。
附图说明
33.图1为本发明中试验装置的主视图；
34.图2为本发明中试验装置的侧视图；
35.图3为本发明中试验装置的俯视图；
36.图4为本发明中盾构隧道模型示意图。
37.其中，1、刚性箱体；2、密封板；3、相机安装框架；4、盾壳；5、刚性开挖面板；5-1、o型密封圈；5-2、传感器凹槽；5-3、连接螺孔；6、支撑块；7、伺服电机；8、丝杆；9、行星滚柱；10、螺母；11、从动轴；12、缸体；13、加载杆；14、底座；15、lvdt位移传感器；16、轴力计；17、孔压传感器；18、土压传感器；19、工业相机阵列；20、特制支架；21、led灯带；22、标定板；23、前置工业相机。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
39.实施例1
40.如图1、图2和图3所示，一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验装置，其特征在于：包括模型箱、盾构隧道模型、伺服加载控制系统和数据采集系统；盾构隧道模型设置于模型箱体内部，伺服加载控制系统布置于模型箱外侧，数据监测系统主要监测开挖面板位移、支护压力、开挖面前方土体孔压及土压，土体的侧面和表面变形等关键物理量。
41.所述模型箱由刚性箱体1、密封板2和相机安装框架3组成。刚性箱体主要材质为铝合金，为了更好观测盾构开挖面失稳过程，将模型箱前侧板设计为高强度透明玻璃材质，使得模型箱前方的前置工业相机23能够获取失稳图像。刚性箱体1左侧开有圆孔，加载杆13穿过圆孔与刚性开挖面板5通过螺纹连接。考虑到模型箱防水问题，密封板2中设置有o型密封环，通过螺栓固定在矩形板中间，并紧固在刚性箱体1左侧。所述相机安装框架3设置有4根纵梁，纵梁上开有螺孔用于固定4个工业相机，相机安装框架3的底座通过螺栓固定在模型箱顶部。
42.所述盾构隧道模型包括盾壳、刚性开挖面板、支撑块；盾壳4采用半圆柱壳形设计，其尾部是有螺孔的连接板，作为与模型箱左侧板的连接方式；如图4所示，刚性开挖面板5位
于盾壳4的内右侧，其中部设置2道o型密封圈5-1，起到开挖面板防水的作用；面板迎土面开有连接螺孔5-3和传感器凹槽5-2，螺栓通过螺孔连接开挖面板和加载杆，所述传感器凹槽5-2可以安装孔压传感器17和土压力传感器18，用于监测开挖面前方土体的孔压、土压；支撑块6布置在盾壳4的底部，用于支撑盾构隧道模型。
43.所述加载控制系统包括伺服电机、行星滚柱丝杆电动缸、加载杆；所述行星滚柱丝杆电动缸包括缸体12和依次连接的丝杆8、行星滚柱9、螺母10和从动轴11，行星滚柱9将丝杆的圆周运动转化为螺母10的往复直线运动，并将直线运动传递给从动轴11和加载杆13，实现刚性开挖面板5沿隧道轴向方向前后平移；盾构开挖面失稳的模拟为位移控制式，即利用lvdt位移传感器15获取刚性开挖面板5位移信号精确控制面板的运动，并设置行程阈值，通过刚性开挖面板5前移模拟盾构开挖面被动失稳、后撤模拟盾构开挖面主动失稳。
44.为了准确评估开挖面渐进失稳特征和地表沉降范围，所述数据采集系统包括了lvdt位移传感器15、轴力计16、孔压传感器17、土压传感器18、工业相机阵列19、前置工业相机23。
45.lvdt位移传感器15位于伺服电机7下部，其测头采用螺帽拧紧在加载杆13上部的铁片上，用于监测刚性开挖面板5的位移；轴力计16通过螺纹连接设置在从动轴11与加载杆13之间，用于监测开挖面的支护压力；刚性开挖面板5上安装2个孔压传感器17和2个土压传感器18，开挖面前方土体内沿横向和纵向两个方向等距埋设9个孔压传感器17和6个土压传感器18，监测前方土体的孔压、土压变化。
46.4台工业相机组成工业相机阵列19，由特制支架20固定在相机安装框架3上，布置在刚性箱体1顶部，另1台前置工业相机23布置在刚性箱体1前方。作为一种优选方式，模型箱壁上安装标定板22(设置有等距标志点)并粘贴led灯带21，用于相机标定和照明补偿；针对黏土等无纹理土样，还需在模型土体表面布置细砂标志点。
47.在盾构开挖面失稳过程中，通过同步控制工业相机对土体变形过程进行连续拍摄，利用多目立体视觉技术和颗粒图像测速技术分别提取地表土体三维位移场和开挖面前方土体二维位移场。
48.所述的各类传感器和工业相机通过数据传输线缆连接至土工离心机数采模块，由控制室的主机进行控制和分析处理。
49.一种模拟开挖面渐进失稳的超重力模型试验方法，具体包括以下步骤：
50.步骤1：确定隧道埋深比和超重力g值，在模型箱底部敷设30mm厚的砂垫层和土工织布，引出排水管路，作为加快模型土体固结的排水通道；
51.步骤2：安装模型隧道、密封板和伺服加载控制装置，连接轴力计、从动轴与加载杆，将2个孔压传感器、2个土压传感器安装在开挖面板传感器凹槽内并用结构胶密封，之后将加载杆与开挖面板用螺栓拧紧连接；
52.步骤3：在设定的超重力环境下，通过伺服加载控制系统驱动开挖面板按照试验设定的速度前后移动，记录运动过程中的轴力计读数并取平均值，标定开挖面板与盾壳间的摩擦力，盾构开挖面实际支护压力等于轴力计读数与摩擦力的差值；
53.步骤4：按照设计的隧道埋深比，在模型箱浇筑填土或填土固结至指定高度，埋设9个孔压传感器、6个土压传感器，土样制备完成后，卸下前侧板并在土样表面以及与有机玻璃接触一侧布置细砂标志点，再安装好前侧板；
54.步骤5：在模型箱侧壁粘贴led灯带，并在靠近模型土体位置处安装标定板，将4个工业相机通过螺栓拧紧在相机安装框架上，调整镜头焦距、角度等参数，完成相机标定；
55.步骤6：将模型箱吊入离心机吊篮，在模型箱前方安装好工业相机，并完成相机标定工作，最后将各类传感器信号线保护好并固定在吊篮和离心机转臂上，接入数采模块中；
56.步骤7：进行离心试验，增加离心机加速度至指定g值后稳定一段时间，随后控制加载杆带动开挖面板按设定的速度匀速运动，使开挖面逐步失稳，同步控制工业相机连续拍摄失稳图像，记录各传感器数据，当开挖面板运动至设计行程后停止加载并降低离心加速度至停机；
57.步骤8：采用粒子图像测速、多目立体视觉技术分别对模型地基侧面和表面变形图像进行分析，结合开挖面前方土体的土压、孔压变化，明确开挖面渐进失稳模式和地表沉降发展特征，根据开挖板位移-支护压力关系确定极限支护压力。
58.实际试验中，步骤8中采用多目立体视觉技术分析模型地表三维变形的具体步骤为：
59.(1)相机标定：在模型箱顶部安装阵列相机，沿模型箱侧壁安装标定板和led灯带，利用levenber-marquard方法标定相机的内外参数。
60.(2)图像处理：利用点运算、邻域运算等对拍摄的图像进行预处理，提高图像信噪比；采用尺度不变特征变换法对标定板中的标志点进行特征点提取，确定模型箱中同一物点在不同图像中的对应关系；之后对获取的图像点利用置信传播和动态规划算法进行立体匹配，建立多幅图像间同一土颗粒的对应关系。
61.(3)三维重建：根据空间一点在多幅图像中的对应坐标，结合相机参数矩阵，得出图像中各点的视差深度坐标，之后利用深度学习算法对各点进行视差深度图优化，从而对图像中每一个像素点的空间坐标进行重建，获得模型地表的三维位移场。
62.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。