CN110376354A - 确定盾构隧道上浮力的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种确定盾构隧道上浮力的模型试验装置及方法，模型箱内填入不同覆重的湿陷性黄土模拟不同工况，模拟箱圆形玻璃孔口处水平搁置类矩形隧道管片衬砌模型，包含双PVC管，在双管环间填充新鲜浆液,类矩形隧道管片衬砌模型内设有类矩形隧道总重量控制装置，该控制装置包含PVC管、粘贴在管内侧的电阻丝，放置在管内部的5kg柱状干冰，排气软管、阀门、无水酒精箱等,模型箱后板上粘贴三个激光位移计，通过观测投射点位置是否发生变化，控制二氧化碳的排放量，及时寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态；变化模拟箱中湿陷性黄土表面通过位移计支架将七个位移计固定，记录七个位移计数值来模拟盾构隧道开挖过程中自由土体表面的变形情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定盾构隧道开挖过程中上浮力的试验装置，具体涉及一种盾构隧道开挖过程中浆液浮力给隧道本身及自由土体变形的影响的模型试验装置。
背景技术
随着地下隧道工程施工的广泛发展，越来越多的复杂工况及施工难题相继出现。目前盾构隧道开挖过程中浮力的影响一般是通过1、仅靠自身重量以及覆土，经计算可以满足抗浮要求。2、隧道光过渡段和敞开段因为无顶板和覆土，因此一般来说靠自身重量都无法满足抗浮要求，可在底板下设置倒滤层结构。3、在底板下设置抗拔桩。4、通过其他方式增加结构自重。但是随着越来越多的大型隧道工程的发展，一般的隧道抗浮施工方法已然不能满足大型隧道工程的施工要求计算，隧道在浆液中的传统浮力公式不再适用,且现有文献对隧道上浮机理皆基于理论推导,现有规范对该类上浮问题并不明确。因此有必要针对隧道开挖过程中浆液的浮力影响效应做更加深入的研究。
饱和软土盾构隧道施工中,对于刚脱出盾尾的管片,处于流塑状浆液中隧道经常会出现局部或整体上浮,直径越大其上浮现象越为突出,尤其是穿越浅覆土时,盾构顶力较小,管片环间摩擦力小不足以抵抗上浮力,表现为管片错台、裂缝、破损、螺栓被剪断乃至轴线偏位,直接影响到隧道的稳定和施工质量等。传统抗浮设计未能考虑处于时变特性浆液中隧道的浮力动态因素,因此,未能正确反映施工期隧道的抗浮特性,现行相关设计规范也没有对隧道抗浮设计和施工措施做出明确的规定,随着盾构隧道直径的不断增大,抗浮问题将成为软土盾构隧道向超大直径发展的瓶颈传统抗浮设计未能考虑处于时变特性浆液中隧道的浮力动态因素现行相关设计规范也没有对隧道抗浮设计和施工措施做出明确的规定,随着盾构隧道直径的不断增大,抗浮问题将成为软土盾构隧道向超大直径发展的瓶颈。
发明内容
本发明目的在于弥补上述现有技术的不足，提出一种隧道上浮力确定模型试验装置及方法，实现对大型隧道盾构施工中浆液浮力影响的模拟，准确测定隧道上浮力并进行分析，更进一步地完善现有浮力影响的理论计算。
本发明为解决其技术问题而采用技术方案是：一种确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，包含一个模型箱、一个类矩形隧道管片衬砌模型、一套类矩形隧道总重量控制装置，特征在于：所述模型箱前面采用含圆形玻璃孔口的钢化玻璃，所述圆形玻璃孔口用于搁置PVC管；所述类矩形隧道管片衬砌模型搁置在模型箱的圆形玻璃孔口上，并沿模型箱宽度方向水平埋放在模型箱中的湿陷性黄土内部，所述类矩形隧道管片衬砌模型由PVC内、外管和新鲜浆液构成，PVC内、外管的环间填充新鲜浆液，其中，PVC内管中绕有相等长度的电阻丝，电阻丝通过导线连接控制器，PVC内管内放入5kg柱状干冰，用木塞堵住PVC内管的管口和PVC外管的暴露部分，将排气软管左端插入木塞的排气软管圆孔内，右端插入含充足的无水酒精溶液的无水酒精箱中，无水酒精箱中导入带刻度玻璃瓶，排气软管中间设有阀门，形成一套类矩形隧道总重量控制装置；所述模型箱的后板上粘贴三个激光位移计，所述模拟箱中的湿陷性黄土表面连接由位移计支架固定的七个位移计。
进一步，所述模型箱前面的钢化玻璃设有半径为150mm圆形玻璃孔口，作为止沉装置搁置PVC内管，防止装有5kg柱状干冰下PVC内管的下沉。
进一步，所述类矩形隧道总重量控制装置通过电阻丝加热控制柱状干冰挥发速率，通过排气软管排出二氧化碳，控制类矩形隧道总重量。
进一步，所述三个激光位移计中的第一个激光位移计粘贴于后板中心点下方50mm处的定位点，第二个激光位移计粘贴于第一个激光位移计的定位点左侧水平距离50mm的定位点,第三个激光位移计粘贴于第一个激光位移计的定位点右侧水平距离50mm的定位点。
进一步，所述三个激光位移计与后板的夹角分别呈10°、20°、向斜上45°方投射，通过观测投射点位置是否发生变化，控制二氧化碳的排放量，及时寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态,并得到动态浮力。
进一步，所述模型箱外形呈长方体，内部空间长×宽×高尺寸为2200mm×1500mm×1800mm。
进一步，所述七个位移计用双面胶粘结在位移计支架上，且位移计位于位移计支架中部。
进一步，所述PVC内、外管用AB胶水粘结在模型箱后板上。
一种确定盾构隧道上浮力的模型试验方法，采用确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，包括以下模拟方法：
模拟一：首先，调节类矩形隧道总重量控制装置的阀门和十二个加热电阻丝，控制5kg柱状干冰的挥发速率；记录带刻度玻璃瓶中无水酒精溶液的上升刻度值，在三个激光位移计中的一个显示测量数值变化时，关闭阀门，通过计算求出PVC内管中的柱状干冰29的挥发量，从而得出类矩形隧道总重量，来寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态,并得到动态浮力；
模拟二：在模型箱后板中央切割开一个小矩形木板，取出小矩形木板，匀速从模型箱湿陷性黄土中抽出PVC外管26，模拟隧道衬砌安装过程，通过记录位移计支架上七个位移计的的刻度值，从而得出隧道盾构开挖过程中周围自由土体的变形情况，通过个位移计位移值描绘出土体变形曲线。
本发明的有益效果是：
本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：
1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到盾构隧道开挖过程中地层损失对于覆土的应力应变的影响研究中；
2、本试验装置可以寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态，了解盾构隧道开挖同步注浆后自由土体表面的变形情况；
3、本试验测试装置中将圆形玻璃孔口用作止沉装置，该止沉装置简易，防止含有5kg柱状干冰情况下模型隧道下沉；4、本试验测试装置中所用激光位移计检测位移更加精准，且布置在木板上，避免了除浆液以外的其他因素产生的位移。
附图说明
图1为本发明在实施例中的一种确定隧道上浮力的模型试验装置示意图；
图2为本发明在实施例中的激光位移计布置图；
图3为本发明在实施例中的类矩形隧道管片衬砌模型；
图4位本发明在实施例中的木塞构造图；
图5为本发明在实施例中的类矩形隧道总重量控制装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过一个优选实施例对本发明作进一步地详细说明。
首先，制作一个模型箱、一个类矩形隧道管片衬砌模型、一套类矩形隧道总重量控制装置。
如图1所示，模型箱外形呈长方体，内部空间尺寸为2200mm×1500mm×1800mm(长×宽×高)，由2200mm×1500mm×30mm(长×宽×厚)的木板1做底，前面采用2200mm×1830mm×20mm(长×高×厚)的含半径为150mm圆形玻璃孔口2的钢化玻璃3，圆形玻璃孔口圆心位于钢化玻璃3正中央，后面采用2200mm×1830mm×20mm(长×高×厚)的木板4，左侧面为1530mm×1830mm×20mm(宽×高×厚)的木板5，右侧面为1500mm×1830mm×20mm(长×高×厚)的木板6，底部与木板1相连。类矩形隧道管片衬砌模型7搁置在模型箱圆形玻璃孔口上，紧贴木板4，埋放在湿陷性黄土8内部，与模型箱宽度方向平行。湿陷性黄土表面沿模型箱长度方向放置2000mm×50mm×50mm(长×高×厚)由木板制成的位移计支架9，七个位移计用双面胶粘结在位移计支架9上，位移计10位于位移计支架9中部，位移计11、位移计12分别位于位移计10左侧、右侧250mm处，位移计13位于位移计10左侧250mm处，位移计14位于位移计12右侧250mm处，位移计15位于位移计13左侧250mm处，位移计16位于位移计14右侧250mm处。
如图2所示，在木板4上粘贴三个激光位移计，激光位移计17粘贴于木板4中心点下方50mm处的定位点18，激光位移计19粘贴于定位点18左侧水平距离50mm的定位点20,激光位移计21粘贴于定位点18右侧水平距离50mm的定位点22。三个激光位移计与木板4夹角分别呈10°、20°、45°向斜上方投射，投射点依次记作23号投射点、24号投射点、25号投射点。
如图3所示，一个类矩形隧道管片衬砌模型，由一根PVC外管26(长轴长360mm、短轴长300mm，长度1500mm)，一根PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)、新鲜浆液28、5kg柱状干冰29、留有排气软管圆孔30的木塞31构成，先将PVC外管26(长轴长360mm、短轴长300mm，长度1500mm)放置在土体高度650mm的湿陷性黄土8上，再将PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)搁置在圆形玻璃孔口2上，最后将新鲜浆液28填充至两根PVC管环间并振捣密实，两根PVC管在模型箱木板4上用AB胶水粘结牢固，在PVC管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)中加入5kg柱状干冰29。
如图4所示，PVC外管26和PVC内管27在钢化玻璃3外侧用留有排气软管圆孔30的木塞31同时封堵密实，用胶带粘牢，防止PVC外管26中的新鲜浆液28流出和PVC内管27中柱状干冰29挥发的二氧化碳气体流出。
如图5所示，一套类矩形隧道总重量控制装置由PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)、加入5kg柱状干冰29、留有排气软管圆孔30的木塞31、排气软管32、阀门33、无水酒精箱34、带刻度玻璃瓶35、无水酒精溶液36、十二个电阻丝构成。在PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)中加入5kg柱状干冰29后，用留有排气软管圆孔30的木塞31及时堵住PVC管27管口，防止干冰挥发，同时堵住PVC外管26暴露部分，防止在双管环间填充新鲜浆液28后新鲜浆液28的流出。再将排气软管32插入木塞31的排气软管圆孔30内，关闭阀门33。排气软管32插入无水酒精箱34，导入带刻度玻璃瓶35，在无水酒精箱34中装满充足的无水酒精溶液36。在PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)内侧等距贴上十二个相等长度的电阻丝电阻丝。
在本实施例中，位移计支架9上的七个位移计用于盾构施工过程中自由土体沉降位移测量，木板4上粘贴三个激光位移计用于检测隧道管片受新鲜浆液28浮力影响产生的上浮迹象。
以下列出利用本发明的模型箱进行模拟的几种情况。
模拟一：调节类矩形隧道总重量控制装置的阀门33和十二个加热电阻丝，控制5kg柱状干冰29的挥发速率。先十二个加热电阻丝，再打开阀门33使得PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)中的柱状干冰29进行挥发，记录带刻度玻璃瓶35中无水酒精溶液36的上升刻度值，在三个激光位移计(激光位移计17、激光位移计18、激光位移计19)其中一个显示测量数值变化时，关闭阀门33。通过计算求出PVC内管27(长轴长260mm、短轴长200mm，长度1500mm)中的柱状干冰29的挥发量，从而得出类矩形隧道总重量，来寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态,并得到动态浮力。
模拟二：在木板4中央切割开一个小矩形木板，尺寸为400mm×360mm×20mm(长×宽×厚)，取出小矩形木板，匀速从模型箱湿陷性黄土中抽出PVC管26(长轴长360mm、短轴长300mm，长度1500mm)，模拟隧道衬砌安装过程，通过记录位移计支架9上七个位移计的的刻度值，从而得出隧道盾构开挖过程中周围自由土体的变形情况，通过7个位移计位移值描绘出土体变形曲线。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。
本发明的实施方式作用与效果：
本发明上述实施例通过一种确定隧道上浮力的模型试验装置，可以填入不同覆重的湿陷性黄土模拟不同工况，获得不同工况下浆液在不同龄期模型隧道上浮临界状态,并得到动态浮力，也可以模拟隧道盾构开挖过程中周围自由土体的变形情况，通过7个位移计位移值绘制土体变形曲线。
Claims (9)
1.一种确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，包含一个模型箱、一个类矩形隧道管片衬砌模型(7)、一套类矩形隧道总重量控制装置，特征在于：所述模型箱前面采用含圆形玻璃孔口(2)的钢化玻璃(3)，所述圆形玻璃孔口(2)用于搁置PVC管(27)；所述类矩形隧道管片衬砌模型(7)搁置在模型箱的圆形玻璃孔口(2)上，并沿模型箱宽度方向水平埋放在模型箱中的湿陷性黄土(8)内部，所述类矩形隧道管片衬砌模型(7)由PVC内、外管和新鲜浆液(28)构成，PVC内、外管的环间填充新鲜浆液(28)，其中，PVC内管中绕有相等长度的电阻丝，电阻丝通过导线连接控制器，PVC内管内放入5kg柱状干冰(29)，用木塞(31)堵住PVC内管的管口和PVC外管的暴露部分，将排气软管(32)左端插入木塞(31)的排气软管圆孔(30)内，右端插入含充足的无水酒精溶液(36)的无水酒精箱(34)中，无水酒精箱(34)中导入带刻度玻璃瓶(35)，排气软管(32)中间设有阀门(33)，形成一套类矩形隧道总重量控制装置；所述模型箱的后板上粘贴三个激光位移计，所述模拟箱中的湿陷性黄土表面连接由位移计支架固定的七个位移计。
2.根据权利要求1所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱前面的钢化玻璃(3)设有半径为150mm圆形玻璃孔口(2)，作为止沉装置搁置PVC内管，防止装有5kg柱状干冰(29)下PVC内管的下沉。
3.根据权利要求1所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述类矩形隧道总重量控制装置通过电阻丝加热控制柱状干冰挥发速率，通过排气软管(32)排出二氧化碳，控制类矩形隧道总重量。
4.根据权利要求1所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述三个激光位移计中的第一个激光位移计粘贴于后板中心点下方50mm处的定位点，第二个激光位移计粘贴于第一个激光位移计的定位点左侧水平距离50mm的定位点,第三个激光位移计粘贴于第一个激光位移计的定位点右侧水平距离50mm的定位点。
5.根据权利要求4所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述三个激光位移计与后板的夹角分别呈10°、20°、向斜上45°方投射，通过观测投射点位置是否发生变化，控制二氧化碳的排放量，及时寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态,并得到动态浮力。
6.根据权利要求1所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱外形呈长方体，内部空间长×宽×高尺寸为2200mm×1500mm×1800mm。
7.根据权利要求1所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述七个位移计用双面胶粘结在位移计支架上，且位移计位于位移计支架中部。
8.根据权利要求1所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于：所述PVC内、外管用AB胶水粘结在模型箱后板上。
9.一种确定盾构隧道上浮力的模型试验方法，采用权利要求1-8任一个所述的确定盾构隧道上浮力的模型试验装置，其特征在于，包括以下模拟方法：
模拟一：首先，调节类矩形隧道总重量控制装置的阀门和十二个加热电阻丝，控制5kg柱状干冰的挥发速率；记录带刻度玻璃瓶中无水酒精溶液的上升刻度值，在三个激光位移计中的一个显示测量数值变化时，关闭阀门，通过计算求出PVC内管中的柱状干冰29的挥发量，从而得出类矩形隧道总重量，来寻找浆液在不同龄期下模型隧道上浮临界状态,并得到动态浮力；
模拟二：在模型箱后板中央切割开一个小矩形木板，取出小矩形木板，匀速从模型箱湿陷性黄土中抽出PVC外管26，模拟隧道衬砌安装过程，通过记录位移计支架上七个位移计的的刻度值，从而得出隧道盾构开挖过程中周围自由土体的变形情况，通过个位移计位移值描绘出土体变形曲线。
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