CN109826633A - 一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对盾构隧道施工现场模拟过程复杂，成本过高的问题，提供一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置及模拟方法，属于隧道工程领域。该模拟装置包括模型箱、加载梁、千斤顶、钢套筒及盾构管片模型；模型箱的顶部开口，开口处设置顶板，顶板与模型箱的内壁滑动连接；顶板上设置千斤顶，千斤顶上设置加载梁；模型箱内设置盾构隧道模型，盾构隧道模型的外壁上设置土压力盒和应变片，盾构隧道模型的外侧环向分布位移计；盾构隧道模型的下方模型箱上对称设置始发口和接收口，圆孔的中心连线与盾构隧道模型的轴线十字交叉；钢套筒的外径与盾构管片模型的外径相同且小于始发口和接收口。本发明可简洁有序的模拟盾构机下穿已有盾构隧道施工全过程的关键步骤，符合工程实际。

Description

一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明属于城市地铁、公路隧道等采用盾构法施工的管片衬砌结构隧道工程领域，具体涉及一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置及模拟方法。

背景技术

随着城市建设的不断发展，地上空间已经不能满足一些大城市的交通需求，许多地下隧道正在积极建设，盾构法相较于其他开挖方法更加安全和高效，而盾构机垂直下穿已有盾构隧道的情况也越来越多，盾构垂直下穿已有隧道时存在很大的安全隐患，会造成原有盾构隧道位移变化和支护结构受力变形等问题。对此过程进行模拟有助于分析施工过程中的问题从而降低实际施工过程的风险。但盾构隧道施工现场模拟过程复杂，成本过高。因此有必要展开室内模型模拟。

目前，有些研究模拟了盾构机下穿时对上部建(构)筑物位移和变形造成的影响。但是在进行模型试验时由于千斤顶的力直接加载到模型表面并且上述研究建(构)筑物在地层表面建设，因此进行模拟实验时地表应力难以符合实际情况，盾构机所在的地层应力难以有效的被模拟。而本发明的盾构隧道模型和盾构机开挖处都在地层较深处，可根据盾构隧道埋深直接调节千斤顶的压力，而不必考虑地表压力的误差。目前仍然没有一套针对盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置被开发出来。

发明内容

针对盾构机垂直下穿已有盾构隧道时存在很大的安全隐患，盾构隧道施工现场模拟过程复杂，成本过高的上述问题，本发明提供一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置及模拟方法，省去了盾构模型的复杂装置，可以简洁有序的模拟盾构机下穿已有盾构隧道施工全过程的关键步骤，符合工程实际，并且操作简单。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置，包括内部填充模型土的模型箱、加载梁、千斤顶、钢套筒及盾构管片模型；所述模型箱的顶部开口，开口处设置顶板，顶板与模型箱的内壁滑动连接；顶板上设置千斤顶，千斤顶上设置加载梁；

模型箱内设置盾构隧道模型，盾构隧道模型的外壁上设置土压力盒和应变片，盾构隧道模型的外侧环向分布有位移计；

盾构隧道模型的下方模型箱上对称开有两个大小相同的圆孔，分别作为模拟盾构机开挖的始发口和接收口，圆孔的中心连线与盾构隧道模型的轴线呈十字交叉状；

所述盾构管片模型之间用石膏连接成环；

钢套筒的外径与盾构管片模型的外径相同且小于始发口和接收口的直径。

进一步的，所述千斤顶为三个，千斤顶与顶板接触面的形心的位置在盾构隧道模型轴线的正上方，两个千斤顶对称设置在顶板的边缘处，一个设置在顶板的中心处。

进一步的，所述模型箱的材质为透明的亚克力材料。

进一步的，所述模型土为砂土。

进一步的，所述盾构隧道模型为石膏材料制成。

本发明还提供一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟方法，采用上述模拟装置，包括如下步骤：

步骤一：将应变片和土压力盒贴到盾构隧道模型的外表面，将盾构隧道模型和位移计一起埋置于模型箱内，位移计沿盾构隧道模型的环向设置，应变片、土压力盒及位移计通过导线连接到数据采集系统，为保证埋置位置的准确，将模型土分多层放入模型箱并且每层模型土都压实稳定之后再放入下一层模型土，每层模型土的厚度都不超过10cm；

步骤二：盖上顶板，启动千斤顶，向顶板传递一定的压力，顶板再向模型土传递压力，模拟隧道埋深的地应力；

步骤三：千斤顶压力与土体位移稳定后，通过数据采集系统读取土压力盒、应变片、位移计的初始数据；

步骤四：将钢套筒放入始发口进行开挖和支护，用小铲在钢套筒中慢速开挖并将开挖后的渣土及时取出，用钢尺监测开挖的距离，每开挖到盾构管片模型宽度的距离把事先预制好的管片放入隧道中进行管片支护，管片之间用石膏连接，循环开挖支护至接收口；

步骤五：每开挖一定距离，通过数据采集系统读取土压力盒、应变片、位移计的数据，得到盾构下穿已有盾构隧道过程对已有盾构隧道的影响。

本发明具有以下优点：操作简单，所需操作人员少；省去了盾构模型的复杂装置，仅需用钢套筒模拟盾壳进行开挖，用预制好的管片进行支护，从而可以简洁有序的模拟盾构机下穿已有盾构隧道施工全过程的关键步骤；用千斤顶施加一定压力传递给模型箱顶板，再由模型箱顶板传递给模型土以模拟隧道实际埋深土的压应力，更加符合工程实际；能够有效模拟盾构机下穿已有盾构隧道时造成的影响，为盾构隧道下穿已开挖隧道施工研究提供了更加可靠有效的模型试验方法。

附图说明

图1为本发明实施例1中盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置的正面示意图；

图2为本发明实施例1中盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置的侧面示意图；

图3为本发明实施例1顶板上千斤顶的位置示意图；

图4为本发明实施例1土压力盒及应变片在盾构隧道模型上的位置示意图；

图5为本发明实施例中盾构管片模型的结构示意图。

以上各图中：1、加载梁；2、千斤顶；3、盾构隧道模型；31、土压力盒；32、应变片；4、模型土；5、钢套筒；6、始发口；7、接收口；8、盾构管片模型；9、位移计；10、模型箱；11、顶板。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实例提供一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置，如图1-2所示，包括一长方体形的透明的亚克力材料制作的模型箱10，箱内填充砂土作为模型土4，模型土中设置石膏材料制作的盾构隧道模型3，盾构隧道模型3的外壁上粘贴有土压力盒31和应变片32，盾构隧道模型3的外侧环向设置位移计9，位移计9与盾构隧道模型3之间没有固定连接关系。

盾构隧道模型3的下方模型箱4的箱壁上对称开有两个大小相同的圆孔，分别作为模拟盾构机开挖的始发口6和接收口7，始发口6和接收口7的中心连线与隧道模型的轴线呈十字交叉状，始发口6和接收口7到盾构隧道模型3有足够的距离。

该模拟装置还包括钢套筒5和石膏制作的盾构管片模型8，钢套筒5的外径与盾构管片模型8的外径相同，并且钢套筒5的外径小于始发口6和接收口7的直径。

模型箱的顶部开口，开口处设置顶板11，顶板11与模型箱10的内壁滑动连接，顶板11的上方设置三个千斤顶2和加载梁1，千斤顶2与顶板11接触面的形心的位置在盾构隧道模型轴线的正上方，如图3所示，两个千斤顶2对称设置在顶板11的边缘处，一个设置在顶板11的中心处。千斤顶1启动后，向顶板11传递一定的压力，顶板11向模型箱4的底部方向移动，顶板传递压力给模型土4以模拟隧道实际埋深土的压应力。

实施例2

本实施例提供一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟方法，利用实施例1的盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置，通过预埋盾构隧道模型，千斤顶加压模拟地层中的应力，用钢套筒模拟盾壳进行开挖的方式，模拟了盾构下穿已有盾构隧道的过程。

具体模拟方法包括如下步骤：

步骤一：将应变片32和土压力盒31贴到盾构隧道模型3的外表面，将盾构隧道模型3和位移计9一起埋置于模型箱10内，位移计9沿盾构隧道模型3的环向设置，应变片32、土压力盒31及位移计9通过导线连接到数据采集系统，为保证埋置位置的准确，将模型土4分多层放入模型箱10并且每层模型土都压实稳定之后再放入下一层模型土，每层模型土的厚度都不超过10cm；

步骤二：盖上顶板11，启动千斤顶2，向顶板11传递一定的压力，顶板11再向模型土4传递压力，模拟隧道埋深的地应力；

步骤三：千斤顶压力与土体位移稳定后，通过数据采集系统读取土压力盒31、应变片32、位移计9的初始数据；

步骤四：将钢套筒5放入始发口6进行开挖和支护，用小铲在钢套筒5中慢速开挖并将开挖后的渣土及时取出，用钢尺监测开挖的距离，每开挖到盾构管片模型8宽度的距离把事先预制好的盾构管片模型8放入隧道中进行管片支护，管片之间用石膏连接，循环开挖支护至接收口7；

步骤五：每开挖一定距离，通过数据采集系统读取土压力盒31、应变片32、位移计9的数据，得到盾构下穿已有盾构隧道过程对已有盾构隧道的影响。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟装置，其特征在于，包括内部填充模型土的模型箱、加载梁、千斤顶、钢套筒及盾构管片模型；所述模型箱的顶部开口，开口处设置顶板，顶板与模型箱的内壁滑动连接；顶板上设置千斤顶，千斤顶上设置加载梁；

所述模型箱内设置盾构隧道模型，盾构隧道模型的外壁上设置土压力盒和应变片，盾构隧道模型的外侧环向分布有位移计；

所述盾构隧道模型的下方模型箱上对称开有两个大小相等的圆孔，分别作为模拟盾构机开挖的始发口和接收口，圆孔的中心连线与盾构隧道模型的轴线呈十字交叉状；

所述盾构管片模型之间用石膏连接成环；

所述钢套筒的外径与盾构管片模型的外径相同且小于始发口和接收口的直径。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述千斤顶为三个，千斤顶与顶板接触面的形心的位置在盾构隧道模型轴线的正上方，两个千斤顶对称设置在顶板的边缘处，一个设置在顶板的中心处。

3.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述模型箱的材质为透明的亚克力材料。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述模型土为砂土。

5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述盾构隧道模型为石膏材料制成。

6.一种盾构机下穿已有盾构隧道模拟方法，其特征在于，采用权利要求1所述的模拟装置，包括如下步骤：

步骤一：将应变片和土压力盒贴到盾构隧道模型的外表面，将盾构隧道模型和位移计一起埋置于模型箱内，位移计沿盾构隧道模型的环向设置，应变片、土压力盒及位移计通过导线连接到数据采集系统，为保证埋置位置的准确，将模型土分多层放入模型箱并且每层模型土都压实稳定之后再放入下一层模型土，每层模型土的厚度都不超过10cm；

步骤二：盖上顶板，启动千斤顶，向顶板传递一定的压力，顶板再向模型土传递压力，模拟隧道埋深的地应力；

步骤三：千斤顶压力与土体位移稳定后，通过数据采集系统读取土压力盒、应变片、位移计的初始数据；

步骤四：将钢套筒放入始发口进行开挖和支护，用小铲在钢套筒中慢速开挖并将开挖后的渣土及时取出，用钢尺监测开挖的距离，每开挖到盾构管片模型宽度的距离把事先预制好的管片放入隧道中进行管片支护，管片之间用石膏连接，循环开挖支护至接收口；

步骤五：每开挖一定距离，通过数据采集系统读取土压力盒、应变片、位移计的数据，得到盾构下穿已有盾构隧道过程对已有盾构隧道的影响。