CN111122337A - 考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及其试验方法。包括模型箱体、盾构管片模型、壁后注浆系统、加载系统和测量系统，在模型箱体内填充有土体，模型箱体内设有盾构管片模型，壁后注浆系统包裹于盾构管片模型外围，加载系统上覆于土体上方直接接触，模型箱体为顶部和前面板局部开口的长方体，测量系统埋设于填土表面、隧道管片周围、隧道顶部至填土面等重要路径上。优点：能够精细试验模拟不同性质的壁后注浆液、不同盾尾与管片环的姿态差异等施工因素影响下的管片土压力，该试验设备可恢复原始地层初始地应力。而且试验设备构造简单，试验操作方便，可进行大量的各种工况下盾构管片土压力机理试验研究工作。

Description

考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及方法

技术领域

本发明是一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及方法，属于地下工程施工技术领域。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，城市规模快速扩张导致城市交通压力的日益繁重，各大城市的地铁建设也进入高潮，新世纪以来在我国近20年的地铁建设中，盾构工法以其环保、高效、安全、对周边环境影响小等优点被广泛应用于城市地铁以及过江公路隧道修建中。

盾构法是一种靠盾构机切削挖掘土体前进，并在掘进后方留下管片衬砌阻止洞周土体坍塌以形成稳定隧道的施工方法。地下结构物的受力情况复杂，盾构管片土压力不仅受地层初始应力场、围岩的力学性质、衬砌与围岩的相互作用情况等因素的影响，而且受到施工控制影响较大。因此，地下隧道结构的设计一直处于经验为主的类比法向半经验为主的荷载结构法管片设计过渡阶段，难以达到地面结构的基于概率统计为基础的结构可靠性设计水平。

目前盾构管片土压力的确定方法主要有：1）采用基于工程实践经验假设围岩变形及极限破坏面经过推导得到的简化计算方法（全土柱法、太氏方法、普氏方法、谢氏方法等）；2）基于连续介质理论的解析解答方法；3）计算机数值计算方法；4）模型试验方法。这些方法中，简化计算方法对于围岩与衬砌的相互作用、施工过程等因素难以做出考虑；解析计算方法尽管考虑了较多因素但计算繁杂不便于工程应用；数值计算方法的正确性受围岩材料本构模型、围岩与土体相互作用参数取值干扰较大，模型简化等问题也有一定的局限性；现有的模型试验设计大多加载方法复杂、对施工因素考虑较少且模型试验成本过高难以大量开展机理性试验研究工作，其成果参考价值有限。

基于以上分析可以看出，目前的管片土压力的计算方法并没有考虑施工阶段的影响。但是施工阶段盾构管片结构出现的问题又是最多的，管片的开裂、破损、错台、渗漏问题层出不穷，严重影响地铁隧道“百年大计”工程实施和运营的安全及极大地提高了隧道维护成本，需要研究考虑施工阶段影响的管片土压力模型试验及试验方法。

发明内容

本发明提出的是一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及试验方法，旨在结合我国地铁工程实际开发考虑盾构掘进中盾尾管片壁后注浆影响的管片土压力模型试验，解决长期困扰我国盾构衬砌管片结构设计土压力的确定问题。本发明采取在隧道管片环模型外围不同位置设置橡皮膜并在橡皮膜与管片环模型之间空隙填充注浆的方式模拟盾尾注浆施工，同时使用弹性充气气囊进行加载，提供了一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及其试验方法。

本发明的技术解决方案：考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是包括模型箱体、盾构管片环模型11、壁后注浆系统、加载系统和测量系统，模型箱体内分层填筑砂土，内设有盾构管片环模型和包裹其周围的壁后注浆系统，加载系统上覆于土体顶部，测量参数包括管片环上的土压力、管片环周围地层和填土顶部的土体位移；其中，所述模型箱体为长方体，由6块透明面板组成，上面板4及一侧面板可拆卸，前面板6上设有圆形洞口并配备有密封盖板5，方便盾构管片模型和壁后注浆系统橡皮膜的安装进入，后面板内壁和前面板密封盖板刻有与管片环模型直径相匹配的凹槽定位方便安装固定，同时模型箱体外部设置有井字形钢制肋衬3保证箱体在试验过程中的安全稳定性；

盾构管片环模型11为圆柱状塑料筒，表面均匀钻孔贯通至内部，外壁孔洞上方覆有滤纸，该通道主要功能为注浆后浆液固结的排水通道；为方便定位安装，盾构管片环模型纵向端部加工成与模型箱面板凹槽对应的外凸形状；

壁后注浆系统包括注浆装置和圆柱筒状橡皮膜9，圆柱筒状橡皮膜由前后一对圆环状端板10定位，圆柱筒状橡皮膜9包覆于盾构管片环模型外，与盾构管片模型外边界形成一封闭空间作为注浆充填区域；一对圆环状端板10内圆直径与盾构管片环模型端部凹槽外径一致，通过该凹槽卡住固定圆柱筒状橡皮膜9，采用不同形状的端板可调整橡皮膜与管片环模型的相对位置；注浆装置连接于圆柱筒状橡皮膜9上，试验中一边对空隙进行注浆填充一边限压排气；

加载系统包括加压空压机、长方体加压气囊12及连接管线，长方体加压气囊12上下端面分别与模型箱体上面板4、填土顶面相接触，前后和左右端面与模型箱侧板相接触，通过与空压机相连通保持填土面的恒压；

测量系统包括微型土压计和高速摄像机15，土压计布置于盾构管片环模型11外周断面上，试验中高速摄像机架设于模型箱后方，监测土体位移及变形速率；土压计通过自动采集与计算机相连接，实时监测并记录试验数据。

所述加载系统使用气囊装置，采用气压加载的方法，由气囊压强控制。

所述圆环状端板10与圆形盾构管片环模型同心或偏心，可改变橡皮膜与管片环模型的相对位置，模拟盾尾与管片环的姿态差异导致注浆体不均匀包裹管片环的各种工况，从而达到了对盾构壁后注浆施工进行精细化模拟。。

所述前面板6上的圆形洞口直径为25cm。

还包括钢制稳定三角撑1，设于模型箱体底部固定支撑。

其试验方法，其特征是包括如下步骤：

a.安装好模型箱体及其周边钢制肋；

b.调试并检查加压空压设备、注浆设备和计算机的工作状态；

c.根据试验工况，选择一对合适定位圆环状端板，组装好盾构管片环模型和壁后注浆系统；

d.在模型箱后方假设好高速摄像机，将其连接至计算机。

e.将土样填筑至模型箱前面板开口底部；

f.将组装好的盾构管片环模型及其包裹的橡皮膜从模型箱前面板开口处整体送入模型箱内对应的卡槽位置，并安装前面板洞口对应的密封盖；

g.将土样分层填筑至标定的填土面高度，在填筑土样过程中壁后注浆系统橡皮膜内逐步增大气压，其值大小与地层填土自重一致；

h.安装模型箱顶部加压气囊，加盖模型箱顶部面板，连通加压设备；

i.启动注浆设备向管片环外包裹的橡皮膜内注浆，同时打开橡皮膜外接的气压阀排气，待注浆充填满后快速关闭注浆阀和排气的阀门；

j.打开气囊与空压机相连的气压阀，加大气压直到设定的压力值。同时，与计算机相连的土压计及高速摄像机进行自动采集并记录试验数据；

k.对高速摄像机采集图像进行处理，获得土体的位移和位移速率图像。

本发明的有益效果：

1.本发明提供了一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力试验装置及试验方法，相比较与现有的模型试验装置及试验方法，本发明试验装置能够模拟盾构掘进中壁后注浆液类型及性质对盾构管片土压力的影响，契合我国地铁盾构施工工艺实际，获得成果有利于指导我国地铁盾构隧道管片的设计。

2.本发明试验装置的壁后注浆系统中，通过包裹于管片环模型外周橡皮膜不同偏心位置来实现模拟注浆液相对管片环不同位置实际工况，从而可以实现模拟不同盾尾与管片姿态差异对盾构管片土压力的影响。

3.本发明试验装置的加载系统使用弹性伸缩气囊，通过空压机实现对土体的加载，简单可控且可完全恢复地层的初始地应力，其成果更为符合实际情况。

4.本发明试验装置的测量系统设有高精度的土压计和高速摄像机，可实时测量记录盾构管片周围的土压力变化过程，经过图像处理可得到准确的土体位移和位移速率，也可以实时观测到地层破坏过程及成拱现象，便于指导各种埋深条件下管片土压力的确定。

5.本发明试验装置具有体积小、制作成本低、操作方便，便于大量地开展各种工况下的管片土压力作用机理试验研究。

附图说明

图1是本发明模型试验装置的总体立体图；

图2是本发明模型试验装置盾构管片模型、注浆系统及模型箱面板连接的详细构造立体图；

图3是本发明模型试验装置沿隧道横向中间剖面的示意图；

图4是本发明模型试验装置沿隧道纵向中间剖面的示意图；

图5是本发明模型试验装置定位圆环状端板可模拟盾尾姿态与管片环姿态变化的多样性工况；

图中1.模型箱钢制稳定三角撑、2.模型箱体左侧面板、3. 井字形钢制肋衬、4.上面板、5.前面板密封盖、6.前面板、7.上部加压气囊进气口（含气压阀）、8.模型箱后面板、9.圆柱筒状橡皮膜、10. 圆环状端板、11.盾构管片环模型、12.长方体加压气囊、13.壁后注浆系统橡皮膜进气口（含气压阀）、14.壁后注浆口（含注浆阀）、15.高速摄像机、16.壁后注浆体、17.盾构隧道管片环。

具体实施方式

一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，如附图1所示，包括模型箱体、管片环模型、壁后注浆系统、加载系统和测量系统。

在模型箱体内分层填筑砂土，内设有盾构管片环模型和包裹其周围的壁后注浆系统，加载系统上覆于土体顶部。模型箱体为长方体。测量参数包括管片环上的土压力、管片环周围地层和填土顶部的土体位移。

模型箱体由6块、且顶部、一侧面板可拆卸及前面板局部开口的透明面板组成。其前面板开直径25cm的圆形洞口并配备的密封盖板，方便盾构管片环模型和壁后注浆系统橡皮膜的安装进入，后面板内壁和前面板密封盖板刻有与管片环模型直径相匹配的凹槽定位方便安装固定，同时模型箱体外部设置有井字形钢制肋保证箱体在试验过程中的安全稳定性。

如附图2所示，盾构管片环模型为以PVC材质的塑料筒，表面均匀钻孔贯通至内部，外壁孔洞上方覆有滤纸，该通道主要功能为注浆后浆液固结的排水通道。同时为方便定位安装，在管片环模型纵向端部加工成与模型箱面板凹槽对应的外凸形状。

壁后注浆系统包括注浆装置和圆柱筒状橡皮膜，该膜由前后一对圆环状端板定位（如附图5所示，该圆环状端板与圆形管片环模型可同心、亦可偏心）。圆柱筒状橡皮膜包覆于圆形管片环模型外，与管片模型外边界形成一封闭空间作为注浆充填区域；一对定位同心或偏心的圆环状端板内圆直径与管片环模型端部凹槽外径一致，通过该凹槽卡住固定橡皮膜，采用不同形状的端板可调整橡皮膜与管片环模型的相对位置；注浆设备连接于筒状橡皮膜上，试验中一边对该空隙进行注浆填充一边限压排气。

如附图3、4所示，加载系统由一台加压空压机、一长方体气囊组成及连接管线组成，长方体气囊上下端面分别与模型箱顶部面板、填土顶面相接触，前后和左右端面与模型箱侧板相接触，通过与空压机相连通保持填土面的恒压。

加载系统使用气囊装置，采用气压加载的方法，由气囊压强控制。

测量系统包括高精度的微型土压计和高速摄像机，土压计布置于管片环模型外周的一个断面上，试验中高速摄像机架设于模型箱后方，采用图像处理系统可监测土体位移及变形速率。土压计通过自动采集与计算机相连接，实时监测并记录试验数据。

其试验方法，其步骤包括：

a.安装好模型箱体及其周边钢制肋；

b.调试并检查加压空压设备、注浆设备和计算机的工作状态；

c.根据试验工况，选择一对合适定位圆环状端板，组装好盾构管片环模型和壁后注浆系统；

d.在模型箱后方假设好高速摄像机，将其连接至计算机。

e.将土样填筑至模型箱前面板开口底部；

f.将组装好的盾构管片环模型及其包裹的橡皮膜从模型箱前面板开口处整体送入模型箱内对应的卡槽位置，并安装前面板洞口对应的密封盖；

g.将土样分层填筑至标定的填土面高度，在填筑土样过程中壁后注浆系统橡皮膜内逐步增大气压，其值大小与地层填土自重一致；

h.安装模型箱顶部加压气囊，加盖模型箱顶部面板，连通加压设备；

i.启动注浆设备向管片环外包裹的橡皮膜内注浆，同时打开橡皮膜外接的气压阀排气，待注浆充填满后快速关闭注浆阀和排气的阀门；

j.打开气囊与空压机相连的气压阀，加大气压直到设定的压力值。同时，与计算机相连的土压计及高速摄像机进行自动采集并记录试验数据；

k.对高速摄像机采集图像进行处理，获得土体的位移和位移速率图像。

实施例1

按照一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置说明书所述，制作准备好模型箱体、管片环模型、壁后注浆系统、加载系统和测量系统各组成部件、连接管线及相关集成设备。

2.根据一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置的试验方法开展试验，其步骤包括：

a.安装好模型箱体2及其周边钢制肋3和稳定三角撑1；

b.调试并检查加压空压设备、注浆设备和计算机的工作状态；

c.根据试验工况，选择图5中一对合适定位圆环状端板，组装好盾构管片环模型11和壁后注浆系统橡皮膜9；

d.在模型箱后方假设好高速摄像机，将其连接至计算机。

e.将土样填筑至模型箱前面板6开口底部；

f.将组装好的盾构管片环模型11及其包裹的橡皮膜9从模型箱前面板开口处整体送入模型箱内对应的卡槽位置，并安装前面板洞口对应的密封盖5；

g.将土样分层填筑至标定的填土面高度，在填筑土样过程中壁后注浆系统橡皮膜内逐步增大气压，其值大小与地层填土自重一致；

h.安装模型箱顶部加压气囊12，加盖模型箱顶部面板4，连通加压设备；

i.启动注浆设备向管片环外包裹的橡皮膜9内注浆，同时打开橡皮膜外接的气压阀13排气，待注浆充填满后快速关闭注浆阀14和排气的阀门13；

j.打开气囊与空压机相连的气压阀7，加大气压直到设定的压力值。同时，与计算机相连的土压计及高速摄像机进行自动采集并记录试验数据；

k.对高速摄像机15采集图像进行处理，获得土体的位移和位移速率图像。

Claims (6)

1.考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是包括模型箱体、盾构管片环模型（11）、壁后注浆系统、加载系统和测量系统，模型箱体内分层填筑砂土，内设有盾构管片环模型和包裹其周围的壁后注浆系统，加载系统上覆于土体顶部，测量参数包括管片环上的土压力、管片环周围地层和填土顶部的土体位移；其中，所述模型箱体为长方体，由6块透明面板组成，上面板（4）及一侧面板可拆卸，前面板（6）上设有圆形洞口并配备有密封盖板（5），方便盾构管片模型和壁后注浆系统橡皮膜的安装进入，后面板内壁和前面板密封盖板刻有与管片环模型直径相匹配的凹槽定位方便安装固定，同时模型箱体外部设置有井字形钢制肋衬（3）保证箱体在试验过程中的安全稳定性；

盾构管片环模型（11）为圆柱状塑料筒，表面均匀钻孔贯通至内部，外壁孔洞上方覆有滤纸，该通道主要功能为注浆后浆液固结的排水通道；为方便定位安装，盾构管片环模型纵向端部加工成与模型箱面板凹槽对应的外凸形状；

壁后注浆系统包括注浆装置和圆柱筒状橡皮膜（9），圆柱筒状橡皮膜由前后一对圆环状端板（10）定位，圆柱筒状橡皮膜（9）包覆于盾构管片环模型外，与盾构管片模型外边界形成一封闭空间作为注浆充填区域；一对圆环状端板（10）内圆直径与盾构管片环模型端部凹槽外径一致，通过该凹槽卡住固定圆柱筒状橡皮膜（9），采用不同形状的端板可调整橡皮膜与管片环模型的相对位置；注浆装置连接于圆柱筒状橡皮膜（9）上，试验中一边对空隙进行注浆填充一边限压排气；

加载系统包括加压空压机、长方体加压气囊（12）及连接管线，长方体加压气囊（12）上下端面分别与模型箱体上面板（4）、填土顶面相接触，前后和左右端面与模型箱侧板相接触，通过与空压机相连通保持填土面的恒压；

测量系统包括微型土压计和高速摄像机（15），土压计布置于盾构管片环模型（11）外周断面上，试验中高速摄像机架设于模型箱后方，监测土体位移及变形速率；土压计通过自动采集与计算机相连接，实时监测并记录试验数据。

2.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是所述加载系统使用气囊装置，采用气压加载的方法，由气囊压强控制。

3.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是所述圆环状端板（10）与圆形盾构管片环模型同心或偏心，可改变橡皮膜与管片环模型的相对位置，模拟盾尾与管片环的姿态差异导致注浆体不均匀包裹管片环的各种工况，从而达到了对盾构壁后注浆施工进行精细化模拟。

4.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是所述前面板（6）上的圆形洞口直径为25cm。

5.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是还包括钢制稳定三角撑（1），设于模型箱体底部固定支撑。

6.如权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置的试验方法，其特征是包括如下步骤：

a.安装好模型箱体及其周边钢制肋；

b.调试并检查加压空压设备、注浆设备和计算机的工作状态；

c.根据试验工况，选择一对合适定位圆环状端板，组装好盾构管片环模型和壁后注浆系统；

d.在模型箱后方假设好高速摄像机，将其连接至计算机。

e.将土样填筑至模型箱前面板开口底部；

f.将组装好的盾构管片环模型及其包裹的橡皮膜从模型箱前面板开口处整体送入模型箱内对应的卡槽位置，并安装前面板洞口对应的密封盖；

g.将土样分层填筑至标定的填土面高度，在填筑土样过程中壁后注浆系统橡皮膜内逐步增大气压，其值大小与地层填土自重一致；

h.安装模型箱顶部加压气囊，加盖模型箱顶部面板，连通加压设备；

i.启动注浆设备向管片环外包裹的橡皮膜内注浆，同时打开橡皮膜外接的气压阀排气，待注浆充填满后快速关闭注浆阀和排气的阀门；

j.打开气囊与空压机相连的气压阀，加大气压直到设定的压力值。同时，与计算机相连的土压计及高速摄像机进行自动采集并记录试验数据；

k.对高速摄像机采集图像进行处理，获得土体的位移和位移速率图像。

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