CN113295381A - 一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置及方法，其中装置包括封闭模型箱、隧道结构、侵蚀空洞模拟装置、加载装置以及监测装置，所述隧道结构及所述侵蚀空洞模拟装置均设置在所述封闭模型箱内，所述侵蚀空洞模拟装置环绕所述隧道结构设置，所述加载装置的一部分伸入至所述封闭模型箱内，所述加载装置的另一部分位于所述封闭模型箱外，所述隧道结构及所述封闭模型箱上设置有所述监测装置，所述封闭模型箱的顶部设置有排气阀、进水管、水阀和静压式液位计安装预留孔。用来模拟真实水土压力作用下，海底盾构隧道管片发生上浮时管片受力特性、位移大小和裂缝发展情况等。

Description

一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，具体涉及一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，还涉及一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验方法，用来模拟真实水土压力作用下，海底盾构隧道管片发生上浮时管片受力特性、位移大小和裂缝发展情况等。

背景技术

盾构隧道管片位移控制是确保隧道线形符合设计要求，满足隧道建筑限界的关键。施工期间，对于刚脱离盾尾的管片，经常会出现局部或整体上浮，表现为管片错台、裂缝、破损，乃至轴线偏位等现象。尤其是大直径盾构在穿越海底浅覆土时，该问题尤其突出，已经引起了一定的关注。事实上，盾构隧道的纵向上浮已经被众多的工程实际所证实。管片上浮的原因，通常的看法是注浆浆液或泥浆、水等液体包裹住了刚脱离盾尾的管片从而产生向上的浮力，在具有一定向上空间时，当该浮力克服管片及上覆土重力时，就有可能产生上浮现象。对于软弱且富水地层，采用惰性浆液同步注浆时，管片的上浮将会同拱顶上覆土压力共同作用，达到新的平衡时，管片上浮现象停止，持续时间较长。因此，研究真实水土压力作用下海底盾构隧道管片受力特性、位移大小和裂缝发展情况等对工程实际具有重要指导意义。

为了模拟隧道受到的真实水土压力，现有的模型试验大多是通过沿单节管片环向布置液压千斤顶或橡胶气囊均匀加载，但实际上地下土体对隧道施加的侧向压力呈梯形分布，环向均匀加载无法模拟管片真实受力状态。其次，隧道上覆土体厚度随地表起伏而发生改变时，管片受力特性也更加复杂，单环管片难以真实反映隧道结构在复杂地质条件下的受力情况。最后，液压千斤顶或橡胶气囊等无水加载方式无法提供真实的渗流体积力。

对于管片上浮量和抗浮力确定的研究，目前主要采用理论计算和三维有限元分析。但理论计算的结果通常比实测结果偏大，这主要是由于理论分析中忽略了管片之间的相互作用所造成的，实际工程中一环管片的上浮都会受到它相邻管片的约束作用。而三维有限元分析方法由于现场施工条件复杂，也很难准确得到真实上浮量。另外，管片的断面形状也对应力分布具有显著影响，常见的隧道截面形状有圆形、矩形、马蹄形等，但目前对于不同断面形状隧道发生上浮时管片受力特性、位移大小以及裂缝发展情况等的研究较少。

发明内容

为此，本发明提供一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，包括封闭模型箱、隧道结构、侵蚀空洞模拟装置、加载装置以及监测装置，所述隧道结构及所述侵蚀空洞模拟装置均设置在所述封闭模型箱内，所述侵蚀空洞模拟装置环绕所述隧道结构设置，所述加载装置的一部分伸入至所述封闭模型箱内，所述加载装置的另一部分位于所述封闭模型箱外，所述隧道结构及所述封闭模型箱上设置有所述监测装置，所述封闭模型箱的顶部设置有排气阀、进水管、水阀和静压式液位计安装预留孔。

进一步地，进一步地，包括封闭模型箱、隧道结构、侵蚀空洞模拟装置、加载装置以及监测装置，所述隧道结构及所述侵蚀空洞模拟装置均设置在所述封闭模型箱内，所述侵蚀空洞模拟装置环绕所述隧道结构设置，所述加载装置的一部分伸入至所述封闭模型箱内，所述加载装置的另一部分位于所述封闭模型箱外，所述隧道结构及所述封闭模型箱上设置有所述监测装置，所述封闭模型箱的后侧面板设置有多个出料口，所述封闭模型箱的前后侧面板设置有多个输压预留孔洞。

进一步地，所述隧道结构包括圆形管片、横梁、固定螺栓、密封垫片以及固定钢管，所述圆形管片为多个，多个所述圆形管片依次拼接形成所述隧道结构的主体，所述隧道结构的主体的两端分别通过所述固定螺栓及所述密封垫片与所述封闭模型箱的前后端面刚性连接，所述横梁横向设置在所述隧道结构主体的内部管腔，所述横梁的端部通过多个所述固定钢管与所述密封垫片连接。

进一步地，所述密封垫片由内外双层法兰板以及位于内外双层法兰板中间的密封橡胶组成。

进一步地，所述侵蚀空洞模拟装置由4组对称布置于隧道顶部、底部、左侧和右侧四个方位的第一橡胶气囊组成，所述第一橡胶气囊形状以及半径大小可根据研究需要进行调节，在同一轴线上的每两个所述第一橡胶气囊构成一组，所述第一橡胶气囊与所述加载装置连接。

进一步地，还包括第一输压管、第一压力表和第一调压阀，所述第一橡胶气囊的端部连接有所述第一输压管，每个所述第一输压管上均设置有所述第一压力表和第一调压阀。

进一步地，所述加载装置包括空压机、多通阀、第二调压阀、第二输压管、第二压力表、第二橡胶气囊、三通阀门以及网状隔板，所述封闭模型箱的左右侧壁内侧设置有自上而下分布的多个所述第二橡胶气囊，同一高度上的相邻所述第二橡胶气囊的中部通过所述三通阀门与所述第二输压管连接，多个所述第二输压管汇总安装在所述多通阀上，所述多通阀与所述空压机连接，每个所述第二输压管上均设置有所述第二调压阀和所述第二压力表，上下两组所述第二橡胶气囊之间通过焊接固定在所述封闭模型箱左右侧壁上的所述网状隔板分隔开。

进一步地，所述监测装置包括LVDT位移计、孔压计、土压力计、应变片以及静压式液位计；所述横梁侧面焊接有薄钢板，所述薄钢板沿其长度方向上布置多个所述LVDT位移计，所述LVDT位移计用于监测所述圆形管片发生上浮时的位移大小；所述孔压计对称埋设在所述圆形管片的上下左右四个位置处，所述孔压计用于确定所述圆形管片受到的浮力大小；所述圆形管片的外侧土体埋设有所述土压力计，所述土压力计用以监测管片所受土压力变化情况；所述圆形管片的外侧壁环贴有所述应变片，所述应变片用于监测所述圆形管片的应变；所述静压式液位计安装在所述封闭模型箱的顶板上，所述静压式液位计用于监测所述封闭模型箱内的水位变化，通过计算即可得到所述圆形管片的突水涌砂量。

进一步地，所述监测装置还包括多个摄像头，所述多个摄像头布置在隧道结构首尾两环圆形管片的顶部、底部以及左右两侧四个方位，在试验过程中往渗流液体中加入红色染色剂，采用所述摄像头记录管片发生涌水涌砂的部位以及通过涌水涌砂量实时反映裂缝发展情况。

根据本发明的第二方面，一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验方法，使用如本发明第一方面所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，包括以下步骤：

步骤S100、安装加载装置，包括：在封闭模型箱左右两侧各焊接六组网状隔板，网状隔板竖向间距0.4m，将提供侧向梯形压力的第二橡胶气囊安装在网状隔板上，同一高度上的两个第二橡胶气囊通过三通阀门连接成一个整体，将三通阀门的另一端接通第二输压管，第二输压管与外侧的空压机相连，在每条第二输压管上安装第二调压阀和第二压力表，最后将第二输压管汇总安装在一个多通阀上，多通阀的另一侧连接上空压机；

步骤S200、铺设第一层砂土，包括：将模型箱前面板和背面板未使用的输压预留孔洞先用双层法兰板封堵住，从封闭模型箱底部开始铺设第一层砂土，土体高度刚好与隧道结构底部齐平，在第一层砂土中埋设一组模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊，该第一橡胶气囊位于隧道结构底部-0.6m处，第一橡胶气囊端部通过第一输压管连接加载装置，第一输压管上安装第一压力表和第一调压阀；

步骤S300、拼接隧道结构和安装部分监测装置，包括：将一环预制好的圆形管片通过固定螺栓和密封垫片安装在封闭模型箱的背侧面板上，在圆形管片顶部、底部和左右两侧凿开相应大小孔洞埋设孔压计，在圆形管片外环贴应变片，同时在管片周围埋设土压力计，完成后拼接下一环圆形管片，监测装置的安装同上操作；重复上述操作直至所有圆形管片拼接完成，最后一环圆形管片通过固定螺栓和密封垫片固定在封闭模型箱前面；在封闭模型箱前面板和背面板中部孔洞边缘上各焊接一组固定钢管，用以保证架设在管片中央的横梁不产生位移，同时在横梁上焊接一薄钢板，将LVDT位移计通过螺栓固定在钢板上。摄像头布置在隧道结构首尾两环管片上的顶部、底部以及左右两侧四个方位。

步骤S400、铺设第二层砂土，包括：在封闭模型箱内部铺设第二层砂土，砂土高度超出隧道结构顶部1.0倍的圆形管片的半径，在隧道结构距离左右两侧以及顶部0.6m处埋设三组第一橡胶气囊以模拟侵蚀空洞，通过改变隧道结构上方覆土厚度可以模拟不同地表起伏的复杂地形环境；

步骤S500、真实水压加载，包括：通过进水管往封闭模型箱中注水加压，以模拟富水砂层中渗流体积力，将模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊逐渐放压还原砂土颗粒流失过程，在封闭模型箱的顶板上布置静压式液位计监测突水漏砂量。

本发明具有如下优点：

1、本发明的加载装置采用在模型箱左右两侧壁自上而下各布置七组橡胶气囊，可以提供海底盾构隧道所受到的真实梯形侧向压力。

2、本发明的加载装置通过堆填不同厚度隧道上覆土体以及采用真实水压加载，可以提供实际工程中隧道所受到的上覆土体自重应力以及渗流体积力，模拟不同地表起伏条件下隧道结构受力特性。

3、本发明的隧道结构能通过更改密封垫板和管片研究不同断面形状隧道发生上浮时管片受力特性、位移大小以及裂缝发展情况等。

4、本发明的监测装置采用在管片顶部、底部以及左右两侧对称埋设孔压计，可以确定海底盾构隧道管片所受到的浮力大小。

5、本发明通过对称布置的四组橡胶气囊模拟隧道结构附近产生侵蚀空洞时，管片所受土压力变化情况、相应变形以及突水涌砂等。

6、本发明采用往渗流液体中加入染色剂，通过摄像头实时记录和反映管片发生突水涌砂部位以及裂缝发展情况等。

7、本发明采用静压式液位计，通过监测模型箱内侧水位的变化可实时反映隧道结构总突水涌砂量的大小。

8、本发明通过管片中央设置的一固定在模型箱前后两端的横梁和焊接在横梁上的薄钢板布置多个LVDT位移计监测各环管片发生上浮时的位移大小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的轴测图。

图2为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的正视图。

图3为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的后视图。

图4为本发明一些实施例提供的一种研究富水砂层中隧道突水涌砂的试验装置的俯视图。

图5为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的左视图。

图6为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的右视图。

图7为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的封闭模型箱内部结构图。

图8为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的隧道结构示意图。

图9为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的加载装置示意图。

图10为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的LVDT位移计布置示意图。

图11为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的孔压计布置示意图。

图12为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的模拟地表起伏示意图。

图13为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的矩形隧道结构示意图。

图14为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的网状隔板示意图。

图15为本发明一些实施例提供的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置的侵蚀空洞模拟装置示意图。

图中：1、封闭模型箱，2、排气阀，3、进水管，4、水阀，5、静压式液位计安装预留孔，6、第一调压阀，7、第一压力表，8、第一输压管，9、固定螺栓，10、横梁，11、输压预留孔洞，12、空压机，13、多通阀，14、第二调压阀，15、第二输压管，16、第二压力表，17、圆形孔洞，18、固定钢管，19、圆形管片，20、第一橡胶气囊，21、第二橡胶气囊，22、密封垫片，23、摄像头，24、三通阀门，25、LVDT位移计，26、孔压计，27、砂土，28、矩形管片，29、网状隔板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图15所示，本发明第一方面实施例中的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，包括封闭模型箱1、隧道结构、侵蚀空洞模拟装置、加载装置以及监测装置，隧道结构及侵蚀空洞模拟装置均设置在封闭模型箱1内，侵蚀空洞模拟装置环绕隧道结构设置，加载装置的一部分伸入至封闭模型箱1内，加载装置的另一部分位于封闭模型箱1外，隧道结构及封闭模型箱1上设置有监测装置，封闭模型箱1的顶部设置有排气阀2、进水管3、水阀4以及液位计安装预留孔5。

上述实施例达到的技术效果为：用来模拟真实水土压力作用下，海底盾构隧道管片发生上浮时管片受力特性、位移大小和裂缝发展情况等。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，封闭模型箱1为长方体中空结构，封闭模型箱1的前后端面均开设有圆形孔洞17，隧道结构的两端分别穿设在两个所述圆形孔洞17内，封闭模型箱1的前后侧面板设置有多个输压预留孔洞11。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，例如，封闭模型箱1由铁质钢板焊接而成，箱体呈长方体，尺寸大小为5.4m×9.5m×6.4m，此外，封闭模型箱1还可为其他尺寸规格。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，隧道结构包括固定螺栓9、横梁10、固定钢管18、圆形管片19和密封垫片22，圆形管片19为多个，多个圆形管片19依次拼接形成所述隧道结构的主体，隧道结构的主体的两端分别通过固定螺栓9及密封垫片22与封闭模型箱1的前后端面刚性连接，横梁10横向设置在隧道结构主体的内部管腔，横梁10的端部通过多个固定钢管18与密封垫片22连接。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，例如，封闭模型箱1前面预留有一半径与圆形管片19外径相同的圆形孔洞17，圆形孔洞17半径大小为0.62m，用于布置监测装置以及观测圆形管片19漏水漏砂发展情况等，同时距离该圆形孔洞17顶部、底部和左右两侧0.6m和1.2m处各预留有四个小孔洞，用于布置连接外侧空压机12与内侧模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊20的第一输压管8；封闭模型箱1左右两侧各预留有七个孔洞，用于布置连接外侧空压机12与内侧提供侧向压力的第二橡胶气囊21的第二输压管15；顶板分别设置有排气阀2、进水管3、水阀4以及静压式液位计安装孔5。

上述可选的实施例的有益效果为：隧道结构能通过更改密封垫板和管片研究不同断面形状隧道发生上浮时管片受力特性、位移大小以及裂缝发展情况等；隧道结构通过沿隧道结构轴线方向拼接多环管片模拟实际工程中管片之间柔性连接的方式。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，密封垫片22由内外双层法兰板以及位于内外双层法兰板中间的密封橡胶组成。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，例如，隧道结构由多个圆形管片19拼接而成，两端通过固定螺栓9和密封垫片22与封闭模型箱1前面和背面板进行刚性连接；通过沿隧道结构轴线方向拼接多环圆形管片19模拟实际工程中管片之间柔性连接的方式，以减少两端刚性连接的影响；现以圆形盾构管片环为例进行阐述：管片外径6.2m，壁厚0.3m，单节管片长1.5m，模型缩尺比例为1:5，隧道结构由30环圆形管片19拼接而成，总长9.0m；通过更改密封垫片22和圆形管片19研究不同断面形状隧道发生上浮时管片受力特性、位移大小以及裂缝发展情况等；隧道结构外侧距离封闭模型箱1的底板、顶板以及左右两侧板1.5倍管片外径长度。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，侵蚀空洞模拟装置由4组对称布置于隧道顶部、底部、左侧和右侧四个方位的第一橡胶气囊20组成，第一橡胶气囊20形状以及半径大小可根据研究需要进行调节，在同一水平轴线上的每两个第一橡胶气囊20构成一组，第一橡胶气囊20与加载装置连接。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，侵蚀空洞模拟装置由4组对称布置于隧道顶部、底部、左侧和右侧四个方位的第一橡胶气囊20组成，第一橡胶气囊20为半径大小为0.4m的球体，在同一水平轴线上的每两个第一橡胶气囊20构成一组，第一橡胶气囊20布置在距离中部孔洞外边缘0.6m的同心圆相应位置上；封闭模型箱1外部空压机12与模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊20通过第一输压管8连接，第一调压阀6和第一压力表7可以实时控制第一橡胶气囊20的内部气压大小。

上述可选的实施例的有益效果为：通过对称布置的四组橡胶气囊模拟隧道结构附近产生侵蚀空洞时，管片所受土压力变化情况、相应变形以及突水涌砂等。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，还包括第一调压阀6、第一压力表7、第一输压管8，第一橡胶气囊20的端部连接有第一输压管8，每个第一输压管8上均设置有第一调压阀6和第一压力表7。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，加载装置包括空压机12、多通阀13、第二调压阀14、第二输压管15、第二压力表16、第二橡胶气囊21、三通阀门24以及网状隔板29，封闭模型箱1的左右侧壁内侧设置有自上而下分布的多个第二橡胶气囊21，同一高度上的相邻所述第二橡胶气囊21的中部通过三通阀门24与第二输压管15连接，多个第二输压管15汇总安装在多通阀13上，多通阀13与空压机12连接，每个第二输压管15上均设置有第二调压阀14和第二压力表16，上下两组第二橡胶气囊21之间通过焊接固定在封闭模型箱1左右侧壁上的网状隔板29分隔开。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，第二橡胶气囊21形状近似长方体，最小横截面尺寸为0.3m×0.4m，最大横截面尺寸为0.6m×0.4m，其余橡胶气囊横截面尺寸长度在0.3m至0.6m间线性插值分布，宽度统一为0.4m，高度均是4.0m。在同一轴线上每两个第二橡胶气囊21构成一组，中间通过三通阀门24进行连接。在封闭模型箱1左右两侧紧贴铁质钢板处自下而上布置七组第二橡胶气囊21，通过外侧空压机12输入不同气压以模拟梯形侧向压力；上下两组第二橡胶气囊21之间通过焊接固定在模型箱侧壁上的网状隔板29分隔开，能在不改变渗流路径的情况下限制第二橡胶气囊21上下方向位移。

上述可选的实施例的有益效果为：加载装置采用在模型箱左右两侧壁自上而下各布置七组橡胶气囊，可以提供海底盾构隧道所受到的真实梯形侧向压力。同时，加载装置通过堆填不同厚度隧道上覆土体以及采用真实水压加载，可以提供实际工程中隧道所收到的上覆土体自重应力以及渗流体积力，模拟不同地表起伏条件下隧道结构受力特性。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，监测装置包括LVDT位移计25、孔压计26、土压力计、应变片以及静压式液位计；横梁10侧面焊接有薄钢板，薄钢板沿其长度方向上布置多个LVDT位移计25，LVDT位移计25用于监测圆形管片19发生上浮时的位移大小；孔压计26对称埋设在圆形管片19的上下左右四个位置处，孔压计26用于确定圆形管片19受到的浮力大小；圆形管片19的外侧土体埋设有土压力计，土压力计用以监测管片所受土压力变化情况；圆形管片19的外侧壁环贴有应变片，应变片用于监测管片的应变；静压式液位计安装在封闭模型箱1的顶板上，静压式液位计用于监测封闭模型箱1内的水位变化，通过计算即可得到圆形管片19的突水涌砂量。

上述可选的实施例的有益效果为：监测装置采用在管片顶部、底部以及左右两侧对称埋设孔压计26，可以确定海底盾构隧道管片所受到的浮力大小；采用静压式液位计，通过监测封闭模型箱1内侧水位的变化可实时反映隧道结构总突水涌砂量的大小；通过管片中央设置的一固定在模型箱前后两端的横梁10和焊接在横梁上的薄钢板布置多个LVDT位移计25监测各环管片发生上浮时的位移大小。

可选的，如图1至图15所示，在一些实施例中，监测装置还包括多个摄像头23，多个摄像头23布置在隧道结构首尾两环圆形管片19的顶部、底部以及左右两侧四个方位，在试验过程中往渗流液体中加入红色染色剂，采用摄像头23记录管片发生涌水涌砂的部位以及通过涌水涌砂量实时反映裂缝发展情况。

上述可选的实施例的有益效果为：采用往渗流液体中加入染色剂，通过摄像头实时记录和反映管片发生突水涌砂部位以及裂缝发展情况等。

可选的，如图13所示，在一些实施例中，圆形管片19还可替换为矩形管片28，多个矩形管片28之间的连接方式和圆形管片19之间的连接方式相同。

如图1至图15所示，本发明第二方面实施例中的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验方法，使用如本发明第一方面实施例的一种研究海底盾构隧道管片上浮的的试验装置，包括以下步骤：

步骤S100、安装加载装置，包括：在封闭模型箱1左右两侧各焊接六组网状隔板29，网状隔板29竖向间距0.4m，将提供侧向梯形压力的第二橡胶气囊21安装在网状隔板29上，同一高度上的两个第二橡胶气囊21通过三通阀门24连接成一个整体，将三通阀门24的另一端接通第二输压管15，第二输压管15与外侧的空压机12相连，在每条第二输压管15上安装第二调压阀14和第二压力表16，最后将第二输压管15汇总安装在一个多通阀13上，多通阀13的另一侧连接上空压机12；

步骤S200、铺设第一层砂土27，包括：将模型箱前面板和背面板未使用的输压预留孔洞11先用双层法兰板封堵住，从封闭模型箱1底部开始铺设第一层砂土27，土体高度刚好与隧道结构底部齐平，在第一层砂土27中埋设一组模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊20，该第一橡胶气囊20位于隧道结构底部-0.6m处，第一橡胶气囊20端部通过第一输压管8连接加载装置，第一输压管8上安装第一压力表7和第一调压阀6；

步骤S300、拼接隧道结构和安装部分监测装置，包括：将一环预制好的圆形管片19通过固定螺栓9和密封垫片22安装在封闭模型箱1的背侧面板上，在圆形管片19顶部、底部和两侧凿开相应大小孔洞埋设孔压计26，在圆形管片19外环贴应变片，同时在管片周围埋设土压力计，完成后拼接下一环圆形管片19，监测装置的安装同上操作；重复上述操作直至所有圆形管片19拼接完成，最后一环圆形管片19通过固定螺栓9和密封垫片22固定在封闭模型箱1前面；在封闭模型箱1前面板和背面板中部孔洞边缘上各焊接一组固定钢管18，用以保证架设在管片中央的横梁10不产生位移，同时在横梁10上焊接一薄钢板，将LVDT位移计25通过螺栓固定在钢板上。摄像头23布置在隧道结构首尾两环管片上的顶部、底部以及两侧四个方位。

步骤S400、铺设第二层砂土27，包括：在封闭模型箱1内部铺设第二层砂土27，砂土27高度超出隧道结构顶部1.0倍的圆形管片19的半径，在隧道结构距离左右两侧以及顶部0.6m处埋设三组第一橡胶气囊20以模拟侵蚀空洞，通过改变隧道结构上方覆土厚度可以模拟不同地表起伏的复杂地形环境；

步骤S500、真实水压加载，包括：通过进水管3往封闭模型箱1中注水加压，以模拟富水砂层中渗流体积力，将模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊20逐渐放压还原砂土27颗粒流失过程，在封闭模型箱1的顶板上布置静压式液位计监测突水漏砂量。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (10)

1.一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，包括封闭模型箱(1)、隧道结构、侵蚀空洞模拟装置、加载装置以及监测装置，所述隧道结构及所述侵蚀空洞模拟装置均设置在所述封闭模型箱(1)内，所述侵蚀空洞模拟装置环绕所述隧道结构设置，所述加载装置的一部分伸入至所述封闭模型箱(1)内，所述加载装置的另一部分位于所述封闭模型箱(1)外，所述隧道结构及所述封闭模型箱(1)上设置有所述监测装置，所述封闭模型箱(1)的顶部设置有排气阀(2)、进水管(3)、水阀(4)以及静压式液位计安装预留孔(5)。

2.根据权利要求1所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述封闭模型箱(1)为长方体中空结构，所述封闭模型箱(1)的前后端面均开设有圆形孔洞(17)，所述隧道结构的两端分别穿设在两个所述圆形孔洞(17)内，所述封闭模型箱(1)的前后侧面板设置有多个输压预留孔洞(11)。

3.根据权利要求2所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述隧道结构包括固定螺栓(9)、横梁(10)、固定钢管(18)、圆形管片(19)以及密封垫片(22)，所述圆形管片(19)为多个，多个所述圆形管片(19)依次拼接形成所述隧道结构的主体，所述隧道结构的主体的两端分别通过所述固定螺栓(9)及所述密封垫片(22)与所述封闭模型箱(1)的前后端面刚性连接，所述横梁(10)横向设置在所述隧道结构主体的内部管腔，所述横梁(10)的端部通过多个所述固定钢管(18)与所述密封垫片(22)连接。

4.根据权利要求3所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述密封垫片(22)由内外双层法兰板以及位于内外双层法兰板中间的密封橡胶组成。

5.根据权利要求3所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述侵蚀空洞模拟装置由4组对称布置于隧道顶部、底部、左侧和右侧四个方位的第一橡胶气囊组成(20)，所述第一橡胶气囊(20)形状以及半径大小可根据研究需要进行调节，在同一轴线上的每两个所述第一橡胶气囊(20)构成一组；所述第一橡胶气囊(20)可布置在距离中部孔洞外边缘0.6m和1.2m的同心圆相应位置上，所述第一橡胶气囊(20)与所述加载装置连接。

6.根据权利要求5所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，还包括第一调压阀(6)、第一压力表(7)和第一输压管(8)，所述第一橡胶气囊(20)的端部连接有所述第一输压管(8)，每个所述第一输压管(8)上均设置有所述第一调压阀(6)和第一压力表(7)。

7.根据权利要求5所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述加载装置包括空压机(12)、多通阀(13)、第二调压阀(14)、第二输压管(15)、第二压力表(16)、第二橡胶气囊(21)、三通阀门(24)以及网状隔板(29)，所述封闭模型箱(1)的左右侧壁内侧设置有自上而下分布的多个所述第二橡胶气囊(21)，同一高度上的相邻所述第二橡胶气囊(21)的中部通过所述三通阀门(24)与所述第二输压管(15)连接，多个所述第二输压管(15)汇总安装在所述多通阀(13)上，所述多通阀(13)与所述空压机(12)连接，每个所述第二输压管(15)上均设置有所述第二调压阀(14)和所述第二压力表(16)，上下两组所述第二橡胶气囊(21)之间通过焊接固定在所述封闭模型箱(1)左右侧壁上的所述网状隔板(29)分隔开。

8.根据权利要求7所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述监测装置包括LVDT位移计(25)、孔压计(26)、土压力计、应变片以及静压式液位计；所述横梁(10)侧面焊接有薄钢板，所述薄钢板沿其长度方向上布置多个所述LVDT位移计(25)，所述LVDT位移计(25)用于监测所述圆形管片(19)发生上浮时的位移大小；所述圆形管片(19)的外侧土体埋设有所述土压力计，所述土压力计用以监测管片所受土压力变化情况；所述圆形管片(19)的外侧壁环贴有所述应变片，所述应变片用于监测所述圆形管片(19)的应变；所述静压式液位计安装在所述封闭模型箱(1)的顶板上，所述静压式液位计用于监测所述封闭模型箱(1)内的水位变化，通过计算即可得到所述圆形管片(19)的总突水涌砂量；所述孔压计(26)对称埋设在所述圆形管片(19)的上下左右四个位置处，所述孔压计(26)用于确定所述圆形管片(19)受到的浮力大小。

9.根据权利要求8所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，所述监测装置还包括多个摄像头(23)，所述多个摄像头(23)布置在隧道结构首尾两环圆形管片(19)的顶部、底部以及左右两侧四个方位，在试验过程中往渗流液体中加入红色染色剂，采用所述摄像头(23)记录管片发生涌水涌砂的部位以及通过涌水涌砂量实时反映裂缝发展情况。

10.一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验方法，使用如权利要求1至9所述的一种研究海底盾构隧道管片上浮的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100、安装加载装置，包括：在封闭模型箱(1)左右两侧各焊接六组网状隔板(29)，网状隔板(29)竖向间距0.4m，将提供侧向梯形压力的第二橡胶气囊(21)安装在网状隔板(29)上，同一高度上的两个第二橡胶气囊(21)通过三通阀门(24)连接成一个整体，将三通阀门(24)的另一端接通第二输压管(15)，第二输压管(15)与外侧的空压机(12)相连，在每条第二输压管(15)上安装第二调压阀(14)和第二压力表(16)，最后将第二输压管(15)汇总安装在一个多通阀(13)上，多通阀(13)的另一侧连接上空压机(12)；

步骤S200、铺设第一层砂土(27)，包括：将模型箱前面板和背面板未使用的输压预留孔洞(11)先用双层法兰板封堵住，从封闭模型箱(1)底部开始铺设第一层砂土(27)，土体高度刚好与隧道结构底部齐平，在第一层砂土(27)中埋设一组模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊(20)，该第一橡胶气囊(20)位于隧道结构底部-0.6m处，第一橡胶气囊(20)端部通过第一输压管(8)连接加载装置，第一输压管(8)上安装第一压力表(7)和第一调压阀(6)；

步骤S300、拼接隧道结构和安装部分监测装置，包括：将一环预制好的圆形管片(19)通过固定螺栓(9)和密封垫片(22)安装在封闭模型箱(1)的背侧面板上，在圆形管片(19)顶部、底部和左右两侧凿开相应大小孔洞埋设孔压计(26)，在圆形管片(19)外环贴应变片，同时在管片周围埋设土压力计，完成后拼接下一环圆形管片(19)，监测装置的安装同上操作；重复上述操作直至所有圆形管片(19)拼接完成，最后一环圆形管片(19)通过固定螺栓(9)和密封垫片(22)固定在封闭模型箱(1)前面；在封闭模型箱(1)前面板和背面板中部孔洞边缘上各焊接一组固定钢管(18)，用以保证架设在管片中央的横梁(10)不产生位移，同时在横梁(10)上焊接一薄钢板，将LVDT位移计(25)通过螺栓固定在钢板上，摄像头(23)布置在隧道结构首尾两环管片上的顶部、底部以及两侧四个方位；

步骤S400、铺设第二层砂土(27)，包括：在封闭模型箱(1)内部铺设第二层砂土(27)，砂土(27)高度超出隧道结构顶部1.0倍的圆形管片(19)的半径，在隧道结构距离左右两侧以及顶部0.6m处埋设三组第一橡胶气囊(20)以模拟侵蚀空洞，通过改变隧道结构上方覆土厚度可以模拟不同地表起伏的复杂地形环境；

步骤S500、真实水压加载，包括：通过进水管(3)往封闭模型箱(1)中注水加压，以模拟富水砂层中渗流体积力，将模拟侵蚀空洞的第一橡胶气囊(20)逐渐放压还原砂土(27)颗粒流失过程，在封闭模型箱(1)的顶板上布置静压式液位计监测总突水漏砂量。

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