CN112414733A - 一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法，其技术方案为：包括衬砌围岩模型、压实装置、模型转向装置、反力加载装置，衬砌围岩模型用于盛装围岩材料；压实装置用于将衬砌围岩模型内部的围岩材料压实；模型转向装置连接于衬砌围岩模型侧面，用于改变衬砌围岩模型的状态；其包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型相连；反力加载装置在衬砌围岩模型竖直设置时反力加载装置用于提供竖向支撑，衬砌围岩模型水平时反力加载装置用于提供反力加载。本发明能够研究衬砌管片脱盾前后应力状态、衬砌与浆层的结构关系及荷载作用机制及结构失效机制。

Description

一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法

技术领域

本发明涉及模型试验技术领域，尤其涉及一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法。

背景技术

深层地下空间利用，深山、海底隧道的建设都亟需开展深隧的结构安全研究。深地地质条件良好，已形成持力拱，相比水压一般可以忽略；但地下水的静水压力随深度增加而变大，对结构安全起着关键作用。此外，盾构隧道一般采用混凝土管片，通过螺栓连接形成拼装式衬砌，施工过程注浆及长期服役期间地下变化对结构影响需要研究。

目前针对大埋深下对盾构隧道管片的影响的室内相似模型试验不能很好地研究衬砌管片脱盾前后应力状态、衬砌与浆层的结构关系，并且由于盾构隧道在建设与运营过程中衬砌结构承受的水土压力很高，传统的衬砌结构不能满足其复杂的结构形式。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法，能够研究衬砌管片脱盾前后应力状态、衬砌与浆层的结构关系及荷载作用机制及结构失效机制。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，包括：

衬砌围岩模型，用于盛装围岩材料；

压实装置，用于将衬砌围岩模型内部的围岩材料压实；

模型转向装置，连接于衬砌围岩模型侧面，用于改变衬砌围岩模型的状态；其包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型相连；

反力加载装置，衬砌围岩模型竖直设置时反力加载装置用于提供竖向支撑，衬砌围岩模型水平时反力加载装置用于提供反力加载。

作为进一步的实现方式，还包括设置于衬砌围岩模型侧面的高水压加载装置、注浆装置和监测装置。

作为进一步的实现方式，所述衬砌围岩模型一侧安装模型支座。

作为进一步的实现方式，所述衬砌围岩模型包括套设在一起且同心设置的第一压力管、第二压力管，且第一压力管的直径大于第二压力管的直径。

作为进一步的实现方式，所述第一压力管表面设置若干排气孔、高压注水孔，第一压力管环向布置若干注浆孔；第二压力管端部连接橡胶垫层。

作为进一步的实现方式，所述压实装置包括横梁、液压千斤顶、环形压实板，横梁通过若干液压千斤顶与环形压实板相连。

作为进一步的实现方式，所述反力加载装置包括加载组件和反力墙，在衬砌围岩模型水平放置时，加载组件与反力墙相连。

作为进一步的实现方式，所述加载组件包括圆板、千斤顶、垫片，千斤顶设置多个，并连接于圆板一侧；所述千斤顶设置内、外两侧，其中，外层千斤顶端部连接垫片。

作为进一步的实现方式，所述升降机构关于衬砌围岩模型两侧对称安装，升降机构包括液压千斤顶、连接于液压千斤顶底部的支撑板；转动机构包括电机，所述电机与衬砌围岩模型侧壁相连。

第二方面，本发明实施例还提供了一种盾构隧道结构力学性能模型试验方法，采用所述的模型试验系统，包括：

将围岩材料倒入衬砌围岩模型中,通过压实装置将围岩材料压实,利用环形钢板进行密封封顶；

将衬砌围岩模型调整至平行地面方向，降低高度至模型支座接触地面；

调整反力加载装置使第二压力管与橡胶垫层产生相对轴向位移；

调整高水压加载装置及注浆装置，模拟无水与高压水条件下的注浆对围岩渗透及衬砌管片包裹情况；

待第二压力管结构稳定后，调整高水压加载装置，提高水压直至第二压力管发生破坏，并观察第二压力管的渗漏及破坏状态；

在整个试验过程中利用应变光纤测量装置监测围岩及浆液应变及变形，利用三维激光扫描仪监测衬砌管片变形。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式设置压实装置，能够最大程度模拟围岩材料，提高试验数据的准确性；

(2)本发明的一个或多个实施方式设置模型转向装置，能够实现先压实围岩材料，后变改衬砌围岩模型状态以进行试验研究，提高了试验的科学性，同时节约了时间成本及劳动力成本；

(3)本发明的一个或多个实施方式设置反力加载装置，根据盾构隧道实际施工过程，环向布置千斤顶，通过控制各个千斤顶状态模拟衬砌管片脱盾过程，提高了试验的真实性；

(4)本发明的一个或多个实施方式通过设置橡胶垫层，使衬砌管片与围岩材料之间柔性接触，使衬砌管片在模拟脱盾过程中可以产生少量的轴向位移，提高了试验的合理性；

(5)本发明的一个或多个实施方式通过透明PC压力管模拟管片模型，基于等效抗弯刚度完全相似，通过降低壁厚模拟纵向接头，提高了试验的科学性；

(6)本发明的一个或多个实施方式设计了无水与高水压条件下的注浆试验，高水压加载系统及注浆系统共同作用，还原真实的注浆环境，提高试验数据的准确性；

(7)本发明的一个或多个实施方式采用三维激光扫描仪及应变光纤测量装置实时监测试验数据，保证了试验数据的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施方式的竖向压实围岩材料示意图；

图2为本发明一个或多个实施方式的整体示意图；

图3为本发明一个或多个实施方式的压实装置示意图；

图4为本发明一个或多个实施方式的衬砌围岩模型示意图；

图5为本发明一个或多个实施方式的衬砌围岩模型剖面示意图；

图6为本发明一个或多个实施方式的模型转向装置示意图；

图7为本发明一个或多个实施方式的模型支座示意图；

图8为本发明一个或多个实施方式的监测装置示意图；

图9为本发明一个或多个实施方式的反力加载装置；

其中，1-1压实装置，1-2衬砌围岩模型，1-3模型转向装置，1-4加载组件，1-5模型支座，2-1反力加载装置，2-2高水压加载装置，2-3注浆装置，2-4监测装置，3-1横梁，3-2液压千斤顶，3-3环形压实板，4-1第一压力管，4-2监测仪器线路孔，4-3排气孔，4-4高压注水孔，4-5注浆孔，4-6橡胶垫层，4-7第二压力管，4-8钢板，6-1电机轴，6-2电机，6-3液压千斤顶，6-4支撑板，7-1钢板底座，7-2第一支撑件，7-3第二支撑件，8-1反力墙，8-2圆板，8-3千斤顶，8-4垫片，8-5螺栓，9-1计算机，9-2三维激光扫描仪，9-3应变光纤测量装置，9-4工作台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，如图1和图2所示，包括压实装置1-1、衬砌围岩模型1-2、模型转向装置1-3、模型支座1-5、反力加载装置2-1、高水压加载装置2-2、注浆装置2-3和监测装置2-4，衬砌围岩模型1-2用于盛装围岩材料，压实装置1-1用于将衬砌围岩模型1-2内部的围岩材料压实。模型转向装置1-3与衬砌围岩模型1-2可拆卸连接，用于调整衬砌围岩模型1-2的状态。模型支座1-5安装于衬砌围岩模型1-2一侧。

反力加载装置2-1设置于衬砌围岩模型1-2一端，高水压加载装置2-2、注浆装置2-3和监测装置2-4分别设置于衬砌围岩模型1-2侧面。高水压加载装置2-2用于提供高水压，注浆装置2-3用于进行围岩注浆。无水与高水压条件下的注浆试验，高水压加载装置2-2及注浆装置2-3共同作用，还原真实的注浆环境，提高试验数据的准确性。在本实施例中，高水压加载装置2-2、注浆装置2-3为现有结构，此处不再赘述。

如图4和图5所示，衬砌围岩模型1-2包括套设在一起且同心设置的第一压力管4-1、第二压力管4-7，第一压力管4-1的直径大于第二压力管4-7的直径；第一压力管4-1与第二压力管4-7之间填装围岩材料。第一压力管4-1用作围岩边界，第二压力管4-7用作衬砌管片。第一压力管4-1、第二压力管4-7为透明PC管，便于观察注浆情况。基于等效抗弯刚度完全相似，通过降低第二压力管4-7的壁厚模拟纵向接头。

第一压力管4-1表面设置若干排气孔4-3、高压注水孔4-4，第一压力管4-1表面还设置有监测仪器线路孔4-2。在本实施例中，高压注水孔4-4和排气孔4-3环向布置在第一压力管4-1四周，共设置8个高压注水孔4-4、8个排气孔4-3。

第一压力管4-1拱顶、拱腰、拱底处环向布置若干注浆孔4-5，在本实施例中，共设置12个注浆孔4-5。可以理解的，在其他实施例中，排气孔4-3、高压注水孔4-4、注浆孔4-5的个数可以根据具体试验要求设定。进一步的，上述所有孔洞均由钢化玻璃及钢阀门构成。

所述第二压力管4-7端部固定有橡胶垫层4-6，第二压力管4-7与围岩材料之间柔性接触，使第二压力管4-7在模拟脱盾过程中可以产生少量的轴向位移，提高了试验的合理性。第二压力管4-7与第一压力管4-1的端部安装钢板4-8，钢板4-8在水平试验前要撤去。

如图3所示，压实装置1-1包括横梁3-1、液压千斤顶3-2、环形压实板3-3，横梁3-1通过若干液压千斤顶3-2与环形压实板3-3相连。环形压实板3-3为圆环形，液压千斤顶3-2沿环形压实板3-3周向均匀布置。在本实施例中，液压千斤顶3-2设置两个，且对称安装于横梁3-1和环形压实板3-3之间。当然，在其他实施例中，液压千斤顶3-2也可以为其他个数。

环形压实板3-3与衬砌围岩模型1-2同心设置，在液压千斤顶3-2的作用下，环形压实板3-3能够精准控制围岩材料的压实度。

如图6所示，模型转向装置1-3包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型1-2相连。升降机构包括支撑板6-4、液压千斤顶6-3，液压千斤顶6-3的底部连接支撑板6-4，且液压千斤顶6-3与支撑板6-4垂直。通过支撑板6-4维持转向过程中试验模型的稳定。在本实施例中，支撑板6-4为钢板。液压千斤顶6-3有两个，且关于衬砌围岩模型1-2对称设置。

转动机构包括电机6-2，电机6-2安装于液压千斤顶6-3顶部，电机6-2的电机轴6-1与衬砌围岩模型1-2的第一压力管4-1固定连接。液压千斤顶6-3用于升降试验模型，电机6-2用于提供转向力。在本实施例中，电机轴6-1连接至第一压力管4-1外侧中部位置。

反力加载装置2-1包括加载组件1-4和反力墙8-1，在试验模型竖直放置进行围岩材料压实时，加载组件1-4设置于衬砌围岩模型1-2底端，且衬砌围岩模型1-2与加载组件1-4之间设置钢板4-8。在压实装置1-1对围岩材料压实过程中，加载组件1-4起到支撑作用。在竖向压实过程中，衬砌围岩模型1-2底部会增加一层覆盖橡胶垫层的钢板4-8，以防止衬砌管片与围岩材料间发生相对位移，在水平试验进行前将钢板4-8撤去。

在衬砌围岩模型1-2水平放置后，加载组件1-4与反力墙8-1连接。如图8所示，加载组件1-4包括圆板8-2、千斤顶8-3、垫片8-4，圆板8-2一侧与反力墙8-1相连，另一侧表面分布有若干千斤顶8-3；所述千斤顶8-3通过螺栓8-5与圆板8-2连接。

进一步的，千斤顶8-3分为内外两层，呈环向布置。通过控制各个千斤顶8-3的状态模拟衬砌管片脱盾过程，提高了试验的真实性。在本实施例中，内层、外层分别设置四个千斤顶8-3，且外层千斤顶8-3端部连接垫片8-4，所述垫片8-4呈圆形，用以降低衬砌围岩模型1-2底部承受压强。

如图7所示，所述模型支座1-5的截面呈圆弧形，其内侧表面分布有若干第一支撑件7-2，外侧表面分布有若干第二支撑件7-3；第一支撑件7-2、第二支撑件7-3分别设置两列。模型支座1-5与衬砌围岩模型1-2通过第一支撑件7-2紧密连接，以维持衬砌围岩模型稳定。第二支撑件7-3用以支撑整个模型支座1-5及衬砌围岩模型1-2。在本实施例中，第一支撑件7-2设置10个，第二支撑件7-3设置6个。

如图9所示，监测装置2-4包括计算机9-1、三维激光扫描仪9-2、应变光纤测量装置9-3和工作台9-4，计算机9-1安装在工作台9-4上。所述应变光纤测量装置9-3采用现有结构实现，例如光纤应变传感器。(因三维激光扫描仪9-2、应变光纤测量装置9-3在模型示意图中无法观察到，故放在工作台9-4中示意)。

试验过程中，三维激光扫描仪9-2安置在隧道衬砌管片模型内部以监测衬砌管片变形，应变光纤测量装置9-3按照围岩内外层及拱顶、拱腰、拱底四个方向均匀埋设在围岩材料中以监测围岩及浆液应变及变形。

实施例二：

本实施例提供了一种盾构隧道结构力学性能模型试验方法，采用实施例一所述的试验系统，其过程为：

首先将试验模型竖直放置，将围岩材料倒入衬砌围岩模型1-2中，通过压实装置1-1将围岩材料按照规定压实度压实。然后，利用环形钢板对试验模型进行密封封顶，通过模型转向装置1-3将试验模型平稳调整至平行地面方向，缓慢降低高度至模型支座1-5接触地面，支撑整个试验模型。

通过调整反力加载系统2-1中千斤顶8-3使第二压力管4-7与橡胶垫层4-6产生相对轴向位移，以此模拟衬砌管片脱盾过程。通过调整高水压加载装置2-2及注浆装置2-3模拟无水与高压水条件下的注浆对围岩渗透、第二压力管4-7包裹情况。

注浆过程结束，待第二压力管4-7结构稳定后，通过调整高水压加载装置2-2提高水压直至衬砌管片发生破坏，观察第二压力管4-7的渗漏及破坏状态。在整个实验过程中监测装置2-4通过在第二压力管4-7埋设应变光纤测量装置9-3监测围岩及浆液应变及变形，在隧道衬砌管片模型内部架设三维激光扫描仪9-2监测衬砌管片变形，利用监测装置2-4获取监测数据，试验完成。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，包括：

衬砌围岩模型，用于盛装围岩材料；

压实装置，用于将衬砌围岩模型内部的围岩材料压实；

模型转向装置，连接于衬砌围岩模型侧面，用于改变衬砌围岩模型的状态；其包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型相连；

反力加载装置，衬砌围岩模型竖直设置时反力加载装置用于提供竖向支撑，衬砌围岩模型水平时反力加载装置用于提供反力加载。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，还包括设置于衬砌围岩模型侧面的高水压加载装置、注浆装置和监测装置。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述衬砌围岩模型一侧安装模型支座。

4.根据权利要求1或3所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述衬砌围岩模型包括套设在一起且同心设置的第一压力管、第二压力管，且第一压力管的直径大于第二压力管的直径。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述第一压力管表面设置若干排气孔、高压注水孔，第一压力管环向布置若干注浆孔；第二压力管端部连接橡胶垫层。

6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述压实装置包括横梁、液压千斤顶、环形压实板，横梁通过若干液压千斤顶与环形压实板相连。

7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述反力加载装置包括加载组件和反力墙，在衬砌围岩模型水平放置时，加载组件与反力墙相连。

8.根据权利要求7所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述加载组件包括圆板、千斤顶、垫片，千斤顶设置多个，并连接于圆板一侧；所述千斤顶设置内、外两侧，其中，外层千斤顶端部连接垫片。

9.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述升降机构关于衬砌围岩模型两侧对称安装，升降机构包括液压千斤顶、连接于液压千斤顶底部的支撑板；转动机构包括电机，所述电机与衬砌围岩模型侧壁相连。

10.一种盾构隧道结构力学性能模型试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的模型试验系统，包括：

将围岩材料倒入衬砌围岩模型中,通过压实装置将围岩材料压实,利用环形钢板进行密封封顶；

将衬砌围岩模型调整至平行地面方向，降低高度至模型支座接触地面；

调整反力加载装置使第二压力管与橡胶垫层产生相对轴向位移；

调整高水压加载装置及注浆装置，模拟无水与高压水条件下的注浆对围岩渗透及衬砌管片包裹情况；

待第二压力管结构稳定后，调整高水压加载装置，提高水压直至第二压力管发生破坏，并观察第二压力管的渗漏及破坏状态；

在整个试验过程中利用应变光纤测量装置监测围岩及浆液应变及变形，利用三维激光扫描仪监测衬砌管片变形。

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