CN109060395B - 一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台，包括模型箱和模型盾构机，模型箱上设置有模型盾构机出口和模型盾构机入口，模型箱内填有模型土，模型土内分布有土压力传感器，模型土内于所述模型盾构机出口与模型盾构机入口之间还设置有竖向布置的模型桩，模型桩的外周贴有应变片，模型盾构机包括盾构机壳体、刀盘和设设置与刀盘后侧的螺旋出土器，模型盾构机还包括设于螺旋出土器外围的模型管，模型管外周贴有至少一圈与所述模型桩相对应的薄膜压力传感器。本发明可以模拟盾构下穿多种类型复合地基过程中切削桩体的全过程，并能通过测量原件研究切桩工况下桩土复合地基和隧道衬砌结构相互作用问题。

Description

一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台

技术领域

本发明涉及一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台。

背景技术

为了解决国内大规模地铁建设中，盾构机刀盘切除既有建（或构）筑物复合地基桩体，导致复合地基承载力降低，进而诱发上部建（或构）筑物沉降或倾斜，甚至结构开裂问题。需要基于实际工程，通过本发明涉及一种盾构下穿切除复合地基桩体的实验系统平台，全面探究盾构切桩全过程，地层位移变形特征、切除部分桩体后复合地基荷载传递机制、复合地基残桩与隧道管片的协同作用等问题。

模型盾构机作为真实盾构机重要试验数据的来源，其功能是否完善也相当重要。公开号为CN1619280A、申请名称为“大型盾构掘进模拟实验平台”的中国专利中公开了一种大型盾构掘进模拟实验平台，模拟盾构掘进机采用φ1800mm，盾构掘进模拟实验平台还包括土箱，土箱中设置一定数量的土压力传感器，这些传感器与监测系统相连，试验时，模型盾构机对土壤箱中的模型土开挖掘进，进而获得相应的试验数据。但是现有的这种盾构掘进模拟实验平台存在以下问题：在真实盾构施工中，刀盘往往会遇到既有地下建筑或桩基，尤其是近年来随着地铁建设如火如荼，盾构施工穿越桩基的工程案例越来越多，现有的盾构掘进模拟实验平台只能模拟盾构机切削土体掘进的全过程，不能模拟盾构机切除桩体掘进的过程；此外，现有技术中的土壤箱功能也过于单一，不能模拟多种地层和不同类型的桩土复合地基，无法分析隧道切桩穿越引起的地面沉降和地层位移，切桩穿越后对复合地基传力机制的影响，以及残桩与隧道管片的相互作用和受力问题。

发明内容

本发明的目的在于模拟盾构机下穿既有建（或构）筑物时，切除既有不同复合地基桩体的全过程，即可分析盾构机掘进的施工扰动问题，还可以分析盾构切桩对既有建（或构）筑物复合地基承载性能的不利影响，同时还可以考虑被切除部分桩体后的复合地基作用于隧道管片上时，对盾构隧道管片结构变形和受力产生的不利影响等科学问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台，包括模型箱和模型盾构机及驱动模型盾构机前进的顶推装置，模型箱的前后两侧分别设置有模型盾构机出口和模型盾构机入口，模型箱内填有模型土，模型土内分布有土压力传感器，模型土内于所述模型盾构机出口与模型盾构机入口之间还设置有竖向布置的模型桩，模型桩的外周贴有应变片，模型盾构机包括盾构机壳体、刀盘和设设置与刀盘后侧的螺旋出土器，模型盾构机还包括设于螺旋出土器外围的模型管，模型管外周贴有至少一圈与所述模型桩相对应的薄膜压力传感器。

所述的模型管为有机玻璃圆通。

模型箱的左侧板和/或右侧板由透明材料制成，

模型桩由至少两段上下布置的模型桩体顺次粘接而成。

模型箱还包括可上下移动的加载板，试验系统平台还包括向加载板提供竖向加载力的加载装置，加载装置包括门形结构的加载反力架及设置与加载反力架上的竖向加载千斤顶。

试验系统平台还包括试验台座，试验台座包括底座和反力墙，底座和反力墙构成L形结构，顶推装置设置于反力墙上。

模型盾构机还包括用于置于模型管与盾构机外壳之间的模拟注浆装置，模拟注浆装置包括至少两个沿前后方向顺序布置的囊，每个囊均具有充气口或充液口，模拟注浆装置包括与对应囊相连以在盾构机外壳朝前移动时将对应囊由盾构机外壳后侧拉出的施拉机构。

施拉机构包括囊相连的介质输送管，介质输送管与囊的充气口或充液口相连。

所述介质输送管构成所述施拉机构。

各囊的内腔被周向分布的格挡分隔成至少三个独立腔室，每个独立腔室上均设置有所述的充气口或充液口。

本发明的有益效果为：本发明在使用时，模型盾构机经模型盾构机入口进入模型箱，然后经模型盾构机出口由模型箱中出，整个过程经历了掘进模型土和模型桩的过程，实现对复合地基桩体掘进的模拟过程，掘进过程中产生的施工对模型土的扰动问题由土压力传感器测得，模型管用于模拟隧道管片，在掘进结束后，模型桩作用于模型管上的薄膜压力传感器上，能够测出模型盾构机切除桩体后残桩作用在模型管上的桩端力，模型桩外周的应变片能够测出模型盾构机切除桩体全过程中，桩侧摩阻力的变化情况，土压力传感器测得模型盾构机切桩过程中模型土应力比，模型箱内不同深度土压力的变化情况，进而分析模型盾构机切桩对既有建（或构）筑物复合地基承载性能的不利影响，同时还可以考虑被切除部分桩体后的复合地基作用于模型管上时，对模型管结构变形和受力产生的不利影响等一系列科学问题。

附图说明

图1是本发明模型盾构机的一个实施例的使用状态图；

图2是图1中切桩结束后模型桩与模型管的配合示意图；

图3是图1中模型盾构机的结构示意图；

图4是图1中囊与盾构机外壳和模型管的配合示意图；

图5是图1中囊的结构示意图。

具体实施方式

一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台的实施例如图1~5所示：括试验台座及设置于试验台座上的模型盾构机3和模型试验箱5，本实施例中试验台座包括底座2和反力墙1，底座2和反力墙1构成L形结构，反力墙1上设置有用于带动模型盾构机水平掘进的顶推装置7，本实施例中顶推装置7为顶推液压缸。顶推液压缸通过液压缸座固定于反力墙上，液压缸座包括夹板17、锁紧螺母16和锁紧螺杆15，两块夹板夹设于反力墙的两侧，通过锁紧螺杆和锁紧螺母将夹板固定于反力墙1上，顶推液压缸通过螺栓固定于夹板17上。模型盾构机3包括沿轴线前后方向延伸的盾构机外壳20，盾构机外壳20的前端设置有刀盘18，刀盘18的后侧设置有螺旋出土器19，图中项24表示螺旋出土器19的传动轴，传动轴24与动力装置的动力输出端固定连接，螺旋出土器19与刀盘18同轴相连接，刀盘18可以拆卸替换，模型盾构机3还包括设置于螺旋出土器19后端的用于驱动的动力装置8，动力装置8通过转接盘与顶推装置7相连，动力装置8用于带动刀盘转动。模型盾构机还包括模型管23，模型管23为由多片管片环通过纵横向螺栓连接的拼装结构，模型管由有机玻璃制成，试验时，通过人工将模型管送入到盾构机外壳20内，模型管上设置有多圈薄膜压力传感器21，在切桩结束后，薄膜压力传感器21与模型桩12的残桩接触，薄膜压力传感器用于测量隧道周围土体对模型管的压力以及盾构切桩后，残桩对模型管（即隧道管片）的作用力，模型盾构机机体内还包括模拟注浆装置，此装置用于填充相应模型管与盾构机外壳之间的建筑孔隙，模拟注浆装置包括多个沿盾构轴线方向布置的囊，本实施例中的囊为气囊，每个气囊21的内腔均被周向分布的格挡26分隔成四个独立腔室，每个独立腔室上对应注浆孔的位置处均设置有充气口，在各充气口上均连接有介质输送管25，一方面可以通过介质输送管25向对应充气口中充气，另外一方面可以利用介质输送管将对应气囊施拉出盾尾，在实际试验时，各气囊先按顺序叠在盾构机机体内，在模型盾构机掘进过程中，每掘进一环即一段轴向距离，通过施拉相应气囊上的介质输送管，将对应气囊由盾构机外壳后侧拉出，拖拉气囊的同时对四个充气孔同步充气来近似模拟同步注浆的过程，在掘进完成后，可以通过对气囊继续加压来模拟二次注浆过程，进而模拟现场注浆的真实工况。模型管的外表面均匀的布设有薄膜压力传感器，用于测量隧道周围土体对模型管的压力以及盾构切桩后残桩对隧道管片的作用力。

模型试验箱的加载板10能上下移动，切桩穿越复合地基盾构试验台还包括向加载板提供竖向加载力的加载装置，加载装置包括门形结构的加载反力架4，加载反力架置于试验台座的底座上，加载反力架的横梁上通过转接盘设置竖向加载千斤顶9。模型试验箱的前箱板和后箱板上分别设置有模型盾构机出口13和模型盾构机入口14，模型盾构机3从模型盾构机入口13开始掘进，到模型盾构机出口14掘进完成。模型试验箱的左右箱板由透明材料制成，便于监测隧道切桩穿越引起的地面沉降和地层位移。模型试验箱的模型土中分布有土压力传感器，模型试验箱中设置有模型土和竖向布置的模型桩12，模型桩为混凝土桩（素混凝土桩、石膏材料等按等效刚度原则做的模型桩），以典型的盾构机切桩穿越刚性桩复合地基试验为例，先在模型试验箱中装满细沙设置典型地层，内置模型桩，应考虑模型桩的尺寸效应及模型土的含水量、颗粒成分、密度、土的力学性能等，利用竖向加载千斤顶给刚性桩复合地基施加竖向外荷载，可以模拟不同应力状态下的复合地基，还可以模拟隧道不同上覆土层的厚度，模型桩12的外周贴有应变片20，模型管上的薄膜压力传感器20用于测量隧道周围土体对管片的压力以及盾构切桩后残桩对隧道管片的作用力。本实施例中盾构机掘进过程中与刀盘相遇的模型桩为分段拼接结构，具体的操作是将模型桩在盾构机刀盘切削位置处将模型桩提前折断，再用胶水将模型桩粘接好，然后进行切桩试验，这么做的目的是便于模型盾构机完成切桩过程。图中项11表示位于加载板与模型土之间的褥垫层；项6表示控制系统。

模型盾构机的刀盘可以更换，其总推力：0～2000kN，扭矩：110kNm，刀盘转速：0～3r/min，推进速度30mm/min，刀盘开口率：10％～50％。顶推装置为模型盾构机提供前顶进推力，顶推装置的主要性能参数如下：额定顶力：2000kN，最大顶力：2750kN，额定油压：18MPa，最大油压24MPa，顶进速度30mm/min。动力装置为刀盘和螺旋输送机提供转速，动力装置的转速为0~3r/min。模型盾构机掘进时同步模拟注浆过程，在模型盾构机掘进过程中，模型盾构机每掘进一环，则从盾构机外壳尾部同步拉出气囊并同步充气体（或液体）来近似模拟同步注浆的过程，掘进完成后，通过气囊继续加压来模拟二次注浆过程，全面模拟现场注浆的真实工况。本发明可以模拟盾构机掘进切削桩土复合地基全过程，包括刀盘切削桩土复合地基的过程。盾构推进过程、模拟同步注浆及二次注浆等。与现有技术相比，本发明可以实现盾构隧道穿越多种地层和不同类型桩土复合地基，背景专利只能单一模拟典型地层；例如，通过加载装置对复合地基上部加载板加压可以改变模型箱中桩土复合地基的承载力，从而实现隧道在不同位置处切桩穿越桩土复合地基的模拟以及不同地层的应力状态模拟；这是背景专利和国内外其他类似装置或者试验系统所没有的功能，本发明的模型试验箱是多功能的，除了能够分析隧道切桩穿越引起的地面沉降和地层位移、对复合地基传力机制的影响、以及残桩与隧道管片的相互作用和受力问题。还可以模拟分析管片的受力和变形问题、结构与围岩的相互作用问题、开挖面稳定问题、隧道与邻近结构物的相互作用问题、隧道施工扰动问题、模拟同步注浆和二次注浆等多种试验。这也是背景专利和国内外其他类似装置或者试验系统所没有的功能；本发明的控制系统为电脑智能化控制可以动态监测并自动记录试验全过程，提高试验精度；模型隧道外表面均匀的布设薄膜压力传感器，能够精准的测出隧道周围土体对管片的压力以及盾构切桩后残桩对隧道管片的作用力，而背景专利布设的土压力传感器只能单一的研究土压力的变化，不能研究盾构机切桩后土体和残桩对管片的作用。

在本发明的其它实施例中：也可以通过介质输送管向囊中充入液体来模拟注浆过程；介质输送管也可以仅作为输送介质使用，此时需要在气囊上连接额外的拉绳将气囊拉出；气囊的内腔被隔成四个独立腔室，每个独立腔室上对应实际注浆孔的位置均设置有所述的充气口或充液口；根据掘进的长度不同气囊的个数还可以根据需要进行设置，比如说两个、四个、五个或其它个数；薄膜压力传感器的圈数还可以是一圈、两圈或其它圈数。

本发明中模型桩预先在盾构机切桩的位置处将桩体截为两段，并用结构胶将折断的两段模型桩粘结起来，然后采用固桩器将模型桩固定于模型箱内设定好的位置处，然后用沙雨法将模型土填置于模型箱中，铺设砂石褥垫层，放置刚性加载板并加压，启动模型盾构机开始切桩穿越桩土复合地基模型试验，截桩的目的是为了便于模型盾构机顺利完成切桩工况。

Claims (4)

1.一种盾构下穿切除复合地基桩体的试验系统平台，包括模型箱和模型盾构机及驱动模型盾构机前进的顶推装置，其特征在于：模型箱的前后两侧分别设置有模型盾构机出口和模型盾构机入口，模型箱内填有模型土，模型土内分布有土压力传感器，模型土内于所述模型盾构机出口与模型盾构机入口之间还设置有竖向布置的模型桩，模型桩的外周贴有应变片，模型盾构机包括盾构机壳体、刀盘和设置于刀盘后侧的螺旋出土器，模型盾构机还包括设于螺旋出土器外围的模型管，模型管外周贴有至少一圈与所述模型桩相对应的薄膜压力传感器；模型盾构机还包括用于置于模型管与盾构机外壳之间的模拟注浆装置，模拟注浆装置包括至少两个沿前后方向顺序布置的囊以及与对应囊相连的施拉机构，每个囊均具有充气口或充液口，施拉机构在盾构机外壳朝前移动时将对应囊由盾构机外壳后侧拉出，施拉机构包括与囊相连的介质输送管，介质输送管与囊的充气口或充液口相连, 各囊的内腔被周向分布的格挡分隔成至少三个独立腔室，每个独立腔室上均设置有所述的充气口或充液口，所述的模型管为有机玻璃圆筒。

2.根据权利要求1所述的试验系统平台，其特征在于：模型箱的左侧板和/或右侧板由透明材料制成，模型桩由至少两段上下布置的模型桩体顺次粘接而成。

3.根据权利要求1所述的试验系统平台，其特征在于：模型箱还包括可上下移动的加载板，试验系统平台还包括向加载板提供竖向加载力的加载装置，加载装置包括门形结构的加载反力架及设置与加载反力架上的竖向加载千斤顶。

4.根据权利要求1所述的试验系统平台，其特征在于：试验系统平台还包括试验台座，试验台座包括底座和反力墙，底座和反力墙构成L形结构，顶推装置设置于反力墙上。