(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111617926.1 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 申请人 中国电建集团华 东勘测设计 研究院 有限公司 (72)发明人 叶肖伟　刘志雄　马思远　李俊超　 陈云敏　侯靖　褚卫江　王灿　 (74)专利代理 机构 杭州天正专利事务所有限公 司 33201 代理人 王兵　王益新 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01)G06T 7/80(2017.01) G01B 11/16(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模 型试验装置， 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； 伺服控制装置包括 伺服电机、 行星滚柱丝杆电动缸、 加载杆， 数据采 集系统包括、 位移传感器、 轴力计、 孔压传感器、 土压传感器、 工业相机； 伺服加载控制系统通过 加载杆与开挖面板连接， 低速控制开挖面板沿隧 道模型轴向前后平移， 实现开挖面渐进失稳过程 的模拟， 数据采集系统可以获取开挖面失稳范 围、 地表三维变形和极限支护压力。 本发明还包 括模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验 方法。 本发明可以实现不同地层、 不同埋深等多 种工况下盾构开挖面失稳的模拟， 探明盾构开挖 面渐进失稳规律， 为盾构开挖面 极限支护力设计 提供理论支持。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114282375 A 2022.04.05 CN 114282375 A 1.一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； 所述模型箱包括 刚性箱体、 密封板、 相机安装框架， 所述盾构隧道模型包括盾壳、 刚性开挖面板、 支撑块， 所 述加载控制系统包括伺服电机、 行星滚柱丝杆电动缸、 加载杆和底 座， 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 。 2.根据权利要求1所述的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： 模型箱前侧板为高强度透明有机玻璃材质， 便于观测盾构开挖面 失稳过程； 模型箱 左侧开有圆孔， 用于安装密封 板和通过加载 杆， 作为模型箱侧板防水措施。 3.根据权利要求2所述的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： 模型箱 顶部通过螺孔固定相机安装框架， 框架中设置4 根纵梁， 用于固定 工业相机 。 4.根据权利要求1所述的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： 盾壳采用半圆柱壳形设计， 尾部 设置有开孔的连接板， 作为与模型箱左侧板的连接 方式； 刚性开挖面板位于盾壳的内右侧， 其尾部设置2个O型密封圈， 用于开挖面防水； 面板 迎土面中间有连接螺孔和传感器凹槽， 分别用于连接开挖面板和加载杆、 安装土压力传感 器和孔压传感器。 5.根据权利要求1所述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： 行星滚柱丝杆电动缸包括缸体和依次连接的丝杆、 行星滚柱、 螺母和从动轴， 行星滚 柱将丝杆的圆周运动转化为螺母、 从动轴的直线运动， 并将直线运动传递给加载杆， 实现开 挖面板沿隧道轴向方向前后平 移。 6.根据权利要求5所述的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： 利用LVDT位移传感器获取刚性开挖面板位移精确控制面板的运动， 设置行程阈值， 通过开挖面板前移或后移分别模拟盾构开挖面被动及主动失稳。 7.根据权利要求1所述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： 4台工业相机由特制支架 安装在相机安装框架上， 布置于模型箱顶部， 1 台前置工业相 机布置于模型箱前方， 分别获取失稳过程中土体表面和侧 面的变形图像； 模型箱壁上安装 标定板、 粘贴LED灯带， 用于相机标定和照明补偿。 8.一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验方法， 其特征在于： 所述试验装置 为权利要求1 ‑7任一项所述的试验 装置， 具体包括以下步骤： 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； 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； 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； 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权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114282375 A 2触一侧布置细 砂标志点， 再安装好前侧板； 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； 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； 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； 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。 9.根据权利要求8所述一种模拟盾构开挖面渐进失稳的超重力模型试验方法， 其特征 在于： 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过程 为： (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； (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； (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。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114282375 A 3