CN104677664B - 盾构隧道上浮机理的模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，包括：用于盛放试验土体的主体土箱、隧道模型管片、用于密封和连接隧道模型管片的乳胶膜、用于测量隧道上浮量的位移计、用于固定位移计的位移计支架、用于模拟开挖土体的隧道内部重物、用于固定乳胶膜的乳胶膜固定板、用于箍住乳胶膜的橡皮圈。本发明可以模拟在隧道土体开挖情况下研究隧道上浮的室内模型试验装置，能够获得不同土体、不同覆土深度以及不同开挖长度时隧道的上浮规律，使模型试验结果达到有效准确的反应现场施工工况的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于建筑工程技术领域的试验装置，具体地，涉及一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置。
背景技术
随着城市交通的飞速发展，隧道已成为城市交通非常重要的一部分，而且在河流众多的地区，越江隧道由于不受航运制约和气象条件影响，近些年在越江工程中得到了普遍应用。盾构隧道施工中，对于刚脱离盾尾的管片,经常会出现局部或整体上浮，表现为管片错台、裂缝、破损，乃至轴线偏位等现象，尤其是在穿越河底浅覆土时，该问题尤为突出，给隧道施工带来了很大的安全隐患。
对于隧道上浮的研究方法主要分为理论计算、模型试验和原型结构试验，但是，由于现场施工条件复杂，隧道结构受力不均匀，对于理论分析很难准确的分析隧道的上浮情况；对于原型结构试验，由于其成本高，试验实施难度大，如果每条隧道都进行原型结构试验，则很不经济，因此，采用室内模型试验的方法来研究隧道上浮问题具有明显的优势。
目前，研究隧道上浮的模型试验装置主要是将隧道模型放入装有浆液的容器中，通过观察隧道模型在不同配比的浆液中以及不同埋深情况下的上浮情况来研究实际隧道在施工过程中的隧道上浮规律。然而，这种模型试验装置只是利用浆液对隧道模型的浮力以及隧道受到的向下的荷载之间的关系，研究隧道在不同液体中的上浮问题，也就是说，只能在平面问题上来研究隧道的上浮问题，无法模拟现场施工真实情况下的土体开挖的过程。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，该装置克服了现有室内模型试验装置只能在平面问题上来研究隧道的上浮问题、无法模拟现场施工真实情况下的土体开挖过程的缺陷，以获得不同土体、不同覆土深度以及不同开挖长度时隧道的上浮规律，使模型试验结果更能有效准确的反应现场施工工况。
为实现以上目的，本发明提供一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，包括：用于盛放试验土体的主体土箱，隧道模型管片，用于密封和连接隧道模型管片的乳胶膜，用于测量隧道上浮量的位移计，用于固定位移计的位移计支架，用于模拟开挖土体的隧道内部重物，用于固定乳胶膜的乳胶膜固定板，用于箍住乳胶膜的橡皮圈；其中：
所述的主体土箱为一上部开口的长方体容器，其内部盛放土体和水；
所述的隧道模型管片为由根据现场实体隧道按照比例缩小做成的一个个圆环组成，隧道模型管片装于乳胶膜内部；
所述的乳胶膜为一端密封、另一端开口的圆筒形，用于包裹隧道模型管片，以防止水进入模型隧道，同时起到连接隧道模型管片的作用；
所述的位移计与包裹有隧道模型管片的乳胶膜相连，用于测量试验过程中隧道的上浮量；
所述的位移计支架固定于主体土箱的上部，用于固定位移计；
所述的隧道内部重物为模拟隧道内部土体的物体，其质量与欲开挖的土体质量相等，其宽度与隧道模型管片相等；
所述的乳胶膜固定板通过紧固件固定于主体土箱的侧面；
所述的橡皮圈用于将乳胶膜箍住，固定在乳胶膜固定板上，起到密封作用。
优选地，在所述主体土箱的一侧开有圆孔，用于模拟隧道开挖时将隧道内部土体移出；在所述主体土箱的侧面底部设有出水口，该出水口由球阀控制，试验时所述出水口关闭。
更优选地，所述的主体土箱的圆孔圆心距离所述主体土箱的底部为1.5倍的隧道模型(该隧道模型就是由上述隧道模型管片连接起来后形成的用来模拟实际工程隧道的缩比例模型，即隧道的模型)的直径、距离所述主体土箱的左右两侧边缘各4.5倍隧道模型直径、距离所述主体土箱的上边缘4.5倍的隧道模型直径。
优选地，所述的乳胶膜固定板中间设置一与所述主体土箱的侧面圆孔大小相同的圆孔，乳胶膜固定板通过紧固件固定于主体土箱侧面圆孔处，用于固定乳胶膜开口的一端，以防止主体土箱内部的土体和水从主体土箱的圆孔处流出。
优选地，所述的主体土箱圆孔直径和所述乳胶膜固定板圆孔直径与隧道模型的直径相等。
优选地，所述的乳胶膜直径比隧道模型直径小0.5-1cm，乳胶膜厚0.2mm。
优选地，所述的橡皮圈至少2条，以确保密封效果。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可以模拟在隧道土体开挖情况下隧道上浮情况，能够获得不同土体、不同覆土深度以及不同开挖长度时隧道的上浮规律，使模型试验结果更能有效准确的反应现场施工工况。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的纵断面结构示意图；
图2为本发明一实施例的横断面结构示意图；
图3为本发明一实施例的乳胶膜固定板平面图；
图4为本发明一实施例的乳胶膜固定板立面图；
图中：
1—主体土箱，2—隧道模型管片，3—乳胶膜，4—位移计，5—位移计支架，6—乳胶膜固定板，7—橡皮圈，8—出水口，9—固定螺栓，10—球阀，11—隧道内部重物，12—螺栓孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本实施例盾构隧道上浮机理的模型试验装置的纵断面结构示意图，所述装置包括：用于盛放试验土体的主体土箱1，隧道模型管片2，用于密封和连接隧道模型管片环的乳胶膜3，用于测量隧道上浮量的位移计4，用于固定位移计4的位移计支架5，用于固定乳胶3的乳胶膜固定板6，用于箍住乳胶膜3的橡皮圈7，用于模拟开挖土体的隧道内部重物11，其中：
所述的主体土箱1为一上部开口的长方体容器，内部可以盛放土体和水；在所述主体土箱1的一侧开有圆孔，用于模拟隧道开挖时将隧道内部土体移出；在所述主体土箱1的侧面底部设有出水口8，所述出水口8由球阀10控制，试验时该出水口8关闭；
所述的隧道模型管片2为由根据现场实际施工所用隧道管片按照一定的比例缩小做成的一个个圆环组成；
所述的乳胶膜3的一端密封、另一端开口，用于包裹隧道模型管片环，以防止水进入模型隧道，同时起到连接隧道模型管片的作用；
所述的位移计4与乳胶膜3相连，用于测量试验过程中隧道的上浮量；
所述的位移计支架5固定于主体土箱1，用于固定位移计4。
如图2所示，所述的隧道内部重物11为模拟隧道内部土体的物体，其质量与欲开挖的土体质量相等，宽度与隧道模型管片2圆环相等，即每次开挖一环管片长度的土体。
如图3、图4所示，所述的乳胶膜固定板6中间有一与主体土箱1侧面圆孔大小相同的圆开孔，乳胶膜固定板6通过固定螺栓9固定于主体土箱1侧面圆孔处，用于固定乳胶膜3的开口端，以防止主体土箱1内部的土体和水从主体土箱1的圆孔处流出。
本实施例中，所述的橡皮圈7用于将乳胶膜3箍住，并固定在乳胶膜固定板6上，起到密封作用。
应用本实施例所述装置进行室内模拟隧道上浮试验具体操作步骤如下：
1、首先在隧道模型管片2下边缘以下范围的主体土箱1内部装入土体，并加水至同样位置饱和；
2、把隧道模型管片2放入主体土箱1内部，置于下部土体之上，把包裹隧道模型管片2的乳胶膜3穿过主体土箱1的开孔，固定在乳胶膜固定板6上，并用橡皮圈7箍住；
3、将模拟隧道内部重物11的圆柱形物体放入隧道模型管片2内部；
4、将一端固定在位移计支架5上的位移计4固定在包裹隧道模型管片2的乳胶膜3上，然后继续加入土体和水，达到需要的覆土深度；
5、进行试验时，通过将隧道内部重物11按照隧道模型管片环的宽度一块块取出，每取出一环宽度的重物，通过位移计4测量隧道模型管片2的上浮量；待隧道内部重物11完全取出，则可以得到开挖不同长度土体的情况下，隧道模型管片2的上浮情况，获得其上浮规律。
本发明所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，可以模拟在不同土体、不同覆土深度以及不同开挖长度时隧道的上浮规律，使模型试验结果更能有效准确的反应现场施工工况，为隧道上浮问题的研究提供有效的参考数据。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，包括：用于盛放试验土体的主体土箱，隧道模型管片，用于密封和连接隧道模型管片的乳胶膜，用于测量隧道上浮量的位移计，用于固定位移计的位移计支架，用于模拟开挖土体的隧道内部重物，用于固定乳胶膜的乳胶膜固定板，用于箍住乳胶膜的橡皮圈；其中：
所述的主体土箱为一上部开口的长方体容器，其内部盛放土体和水；
所述的隧道模型管片为由根据现场实体隧道按照比例缩小做成的一个个圆环组成，隧道模型管片装于乳胶膜内部；
所述的乳胶膜为一端密封、另一端开口的圆筒形，用于包裹隧道模型管片，以防止水进入模型隧道，同时起到连接隧道模型管片的作用；
所述的位移计与包裹有隧道模型管片的乳胶膜相连，用于测量试验过程中隧道的上浮量；
所述的位移计支架固定于主体土箱的上部，用于固定位移计；
所述的隧道内部重物为模拟隧道内部土体的物体，其质量与欲开挖的土体质量相等，其宽度与隧道模型管片相等；
所述的乳胶膜固定板通过紧固件固定于主体土箱的侧面；
所述的橡皮圈用于将乳胶膜箍住，固定在乳胶膜固定板上，起到密封作用。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，在所述主体土箱的一侧开有圆孔，用于模拟隧道开挖时将隧道内部土体移出；在所述主体土箱的侧面底部设有出水口，该出水口由球阀控制，试验时所述出水口关闭。
3.根据权利要求2所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，所述的主体土箱的圆孔圆心距离所述主体土箱的底部1.5倍的隧道模型直径、距离所述主体土箱的左右两侧边缘各4.5倍的隧道模型直径、距离所述主体土箱的上边缘4.5倍的隧道模型直径。
4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，所述主体土箱的一侧开有圆孔，所述的乳胶膜固定板中间设置一与所述主体土箱的侧面圆孔大小相同的圆孔，乳胶膜固定板固定于主体土箱侧面圆孔处，用于固定乳胶膜开口的一端，以防止主体土箱内部的土体和水从主体土箱的圆孔处流出。
5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，所述的主体土箱圆孔直径和所述乳胶膜固定板圆孔直径与隧道模型的直径相等。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，所述的乳胶膜直径比隧道模型直径小0.5-1cm，乳胶膜厚0.2mm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种盾构隧道上浮机理的模型试验装置，其特征在于，所述的橡皮圈至少2条，以确保密封效果。
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