CN113514232B - 一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置及方法，包括模型试验箱，模型试验箱四周均与围压加载系统连接，用于模拟不同地应力组合的情况；模型试验箱内设置注浆模拟系统，注浆模拟系统包括管片模型，管片模型和隧道模型连接，且管片模型和隧道模型之间设置滑轮以模拟管片受力后上浮的运动状态；所述管片模型外周包覆橡皮囊，用以模拟管片周围土体因卸荷引起的回缩现象和管片刚脱出盾尾时四周无支撑的状态。

Description

一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于盾构隧道技术领域，具体涉及一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前，随着城市地下空间的开发与利用，隧道开挖工程技术也相应得到快速发展，盾构法施工凭借其机械化程度高、质量好、对城市日常生活影响小、环境效应小等优点，逐渐成为隧道施工的主流技术。由于盾构机开挖直径大于管片直径，两者的间隙需要依靠浆液来填充，在盾构机推进过程中，当管片脱离盾尾后，特别是在饱和土中，由于受到的浮力大于管片抗浮力且浆液凝结时间较长，管片或多或少都会出现上浮现象。上浮量过大将造成管片错台、螺栓孔位置处混凝土碎裂等现象，影响工程质量，造成经济损失。

发明人发现，虽然现有模型试验装置能够模拟独立的管片在不同时效的浆液中的受力状态，并且能够归纳出浮力与时间的规律，但是仍然存在很多不足，如没有考虑原始地应力对管片模型的影响、没有考虑前方约束对管片的约束、不能得到注浆开始-结束-初凝-凝固全过程中管片的受力情况等。

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模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置及方法，该装置能够根据要求模拟不同注浆速度、注浆压力、深径比、地应力组合的情况，同时可以模拟管片脱出盾尾时的注浆状态，从而使试验装置能够更好地模拟施工实际情况。

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模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置，包括模型试验箱，模型试验箱四周均与围压加载系统连接，用于模拟不同地应力组合的情况；

模型试验箱内设置注浆模拟系统，注浆模拟系统包括管片模型，管片模型和隧道模型连接，且管片模型和隧道模型之间设置滑轮以模拟管片受力后上浮的运动状态；

所述管片模型外周包覆橡皮囊，用以模拟管片周围土体因卸荷引起的回缩现象和管片刚脱出盾尾时四周无支撑的状态。

作为进一步的技术方案，所述管片模型内放置重物，以模拟未开挖时受到的应力状态。

作为进一步的技术方案，所述橡皮囊一侧与排气管连接，另一侧与注浆管连接。

作为进一步的技术方案，所述橡皮囊的外围设置网状结构，以对橡皮囊进行约束。

作为进一步的技术方案，所述管片模型外侧沿周向安置多个柔性应力计，多个柔性应力计间隔且均匀布设，每一柔性应力计均与传输光纤连接。

作为进一步的技术方案，所述管片模型设置于模型试验箱的中部，管片模型和隧道模型周边埋设土体，隧道模型由与管片模型连接处向模型试验箱侧部延伸。

作为进一步的技术方案，所述隧道模型和管片模型均为圆筒形部件，隧道模型和管片模型均水平设置。

作为进一步的技术方案，所述模型试验箱四周设不透水面板，模型试验箱内底部设置不透水垫层。

作为进一步的技术方案，所述模型试验箱和围压加载系统之间设置承压面板，通过围压加载系统向面板施加压应力进而传递给模型试验箱以模拟地应力。

第二方面，本发明实施例还提供了一种采用如上所述的管片上浮模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

向模型试验箱内填筑设定高度的土体；

在管片模型内放置重物，向橡皮囊内充入气体后将管片模型和隧道模型放置于模型试验箱内，填土至设定埋深，填土后等待设定时间，以模拟土体的自重平衡过程；

取出管片模型内重物，以模拟因土体开挖而引起的土体卸荷应力重分布过程；

向橡皮囊内注浆，通过柔性应力计采集管片模型周围的应力状态，得到管片模型受到的上浮力，持续采集管片模型受到的浮力，得到管片模型在不同龄期时的浮力变化。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的试验装置，在管片模型外安装了橡皮囊，通过控制橡皮囊内的气压状态模拟了盾构隧道开挖过程中管片脱出盾尾阶段；通过注浆管向橡皮囊内注入浆液，模拟了施工中的注浆过程，使试验条件与实际工程情况更接近。

本发明的试验装置，在模型试验箱周围均安装围压加载系统，从而可以通过不同方位围压加载系统的配合，来模拟不同地应力组合情况下管片的受力情况。

本发明的试验装置，通过在管片中放置重物，从而可以模拟未开挖时受到的应力状态，在试验过程中通过将重物取出这一步骤模拟开挖后土体应力重分布过程，考虑了浆液-土体共同作用情况下管片的综合受力情况。

本发明的试验方法，通过向橡皮囊内注浆，通过柔性应力计采集管片模型周围的应力状态，得到管片模型受到的上浮力，持续采集管片模型受到的浮力，得到管片模型在不同龄期时的浮力变化，进而可以模拟注浆开始-结束-初凝-凝固全过程中管片的受力情况。

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是本发明根据一个或多个实施方式的试验装置的示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的管片模型与测量系统配合示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1：隧道模型，2：管片模型，3：滑轮，4：橡皮囊，5：模型试验箱，6：注浆管，7：排气管，8：围压加载系统，9：传输光纤，10：柔性应力计。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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，本发明中如果出现“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发明的限制。

术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，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；可以是机械连接，也可以是电连接，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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置及方法，本发明的试验装置能够根据要求模拟不同注浆速度、注浆压力、深径比、地应力组合的情况，同时可以模拟管片脱出盾尾时的注浆状态，从而使试验装置能够更好地模拟施工实际情况。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置，包括模型试验箱5、围压加载系统8、注浆模拟系统和测量系统。

模型试验箱包括钢构支撑框架，钢构支撑框架四周设不透水面板，模型试验箱为中空密封容器，其内底部由不透水材料作垫层。模型试验箱四周与围压加载系统8接触，用于模拟不同地应力组合的情况。

模型试验箱内部可以填筑土体材料，用于模拟不同深度的覆土条件。

模型试验箱和围压加载系统之间可设置承压面板，通过围压加载系统向面板施加压应力进而传递给模型试验箱以模拟地应力。

围压加载系统主要由控制液压千斤顶组成，模拟土体受到的原始侧向应力和竖向应力，通过千斤顶油缸压力控制，实现不同的地应力组合。

注浆模拟系统包括隧道模型1、管片模型2、注浆管6、排气管7和橡皮囊4。隧道模型连接管片模型，隧道模型、管片模型外部相同，橡皮囊包裹在管片模型外侧，可承担一定的压力并且有较好的柔性，可以更好地模拟管片周围土体因卸荷引起的回缩现象和管片刚脱出盾尾时四周无支撑的状态。

在本实施方案中，隧道模型1和管片模型2均为圆筒形部件，隧道模型和管片模型均水平设置，也即隧道模型和管片模型的轴线均水平。

管片模型内可放置重物，重物的重量等于由管片模型外径和长度计算所得柱体体积与填土密度乘积和管片自重的差值，用以模拟未开挖时受到的应力状态。

管片模型设置于模型试验箱的中部，以使管片模型周围有土体包围。管片模型一侧由土体密封，另一侧无密封，无密封侧与隧道模型连通，隧道模型由与管片模型连接处向模型试验箱侧部延伸，隧道模型1主要用于取出放置在管片模型2中的重物。

管片模型有一定厚度，外径为d，内径为9/10d，管片模型的长度为D，隧道模型的长度为2D。

模型试验箱正面设置外径径为d的圆孔，圆孔底部距地高度约3d。在模型试验箱内填土至圆孔底部高度，在圆孔对应位置放置隧道模型。

隧道模型与管片模型通过滑轮3相连，以模拟管片受力后上浮的运动状态。通过滑轮的设置，在管片模型受力后，管片模型可沿滑轮上下移动，进而模拟管片模型上浮的运动状态。

橡皮囊4为一密闭气囊，可以承受一定压力。在本实施方案中，橡皮囊由聚氯乙烯材料制成，独立成形。橡皮囊包裹在管片模型2外周。橡皮囊一侧连接排气管7，橡皮囊另一侧设置若干个圆形注浆孔，用以连接注浆管6，排气管用于排出橡皮囊空腔内的气体。注浆管可达到向橡皮囊空腔内注浆的目的。

注浆管与排气管均采用PVC塑料管材，排气管和注浆管通过密封垫圈与橡皮囊密封，以保持囊内压力，两者经土体由地表引出。

在进一步的方案中，为保证橡皮囊外围半径的一致性，在橡皮囊的外围设置网状结构，对橡皮囊进行约束。

在将管片模型放入土体前在橡皮囊内充入一定压力的气体。待注浆开始时通过排气管释放压力同时通过注浆管向内注入浆液，注浆量根据空腔体积决定。

测量系统主要由布置在管片模型外侧的柔性应力计10和传输光纤9组成，管片模型2外侧沿周向安置多个柔性应力计10，多个柔性应力计间隔且均匀布设，每一柔性应力计均与传输光纤9连接，测试数据由传输光纤导出；通过测量系统可以对试验过程中管片模型受到的应力实时监控，可得到管片模型在浆液不同龄期下的受力状态。

通过柔性应力计的设置，可以直接获得管片所受到周围的水土压力合力。柔性应力技安置在管片模型的不同位置，可以测量管片在不同阶段的应力状态，通过数据处理求和得到向上的合力即上浮力。

本发明还提出一种模拟管片上浮的方法，试验步骤为：

(1)向模型试验箱内填筑高度为3d(d为管片模型外径)的土用来放置隧道与管片模型，在管片模型内放置合适重物以模拟未开挖时土体受到的应力状态，向橡皮囊内充入一定压力的气体后继续填土至指定埋深；

(2)注浆开始时通过排气管释放压力同时通过注浆管向橡皮囊内注入浆液，注浆量根据空腔体积决定；

(3)通过测量系统采集管片模型周围的应力状态，经数据处理得到管片受到的上浮力，持续采集管片模型受到的浮力，得到管片模型在不同龄期时的浮力变化。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

为了减少边界效应的影响，管片周围的土体厚度至少应该为管片模型d外径的2至3倍，结合隧道模型外径d，取模型箱尺寸为12d*10d*5d。

第一步：在模型试验箱内填土至3d，采用密度控制法使得箱中土体密度等于工程实际土体密度，同时根据工程现场实际情况控制填土的密实度和含水率；

第二步：向管片模型2周围的橡皮囊内注入压力并调试好注浆管6与排气管7，并放置调试好的管片模型至指定位置；

第三步：在管片模型2中放置均匀重量为w的物体(w等于管片体积土体重量减去管片的重量即w＝Dπd²ρ_土/4-G，式中ρ_土为箱中土的密度，G为管片重量)，此过程是为模拟未开挖时开挖区域的土对周围土的荷载作用。

第四步：填土，根据深径比填土至指定高度，同时控制土的密实率与含水率；待填土结束后等待一段时间，用来模拟土体的自重平衡过程；

第五步：通过隧道模型1在侧边设置好的圆孔处取出第三步放置好的重量为w的物体来模拟因土体开挖而引起的土体卸荷影响应力重分布过程；

第六步：打开排气管7释放囊中的气压同时通过注浆管6向橡皮囊4内注浆，观察排气管7变化，若有浆液流出即表示浆液已经注满，此时停止注浆；

第七步：通过柔性应力计10连续记录读数，并对应力计得出的数据进行分析处理，得到管片所受到的向上的合力。

综上所述，本发明的模拟施工全过程中管片受力试验装置，能模拟施工过程中管片在不同阶段受到上浮力的过程，并考虑了隧道埋深、注浆过程等影响，更加符合工程实际。可以监测不同龄期时管片受到的上浮力规律，操作简单，为实际工程中抗浮设计提供一定的指导。

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

Claims (8)

1.一种模拟盾构隧道施工过程管片上浮模型试验装置，其特征是，包括模型试验箱，模型试验箱四周均与围压加载系统连接，用于模拟不同地应力组合的情况；

模型试验箱内设置注浆模拟系统，注浆模拟系统包括管片模型，管片模型和隧道模型连接，且管片模型和隧道模型之间设置滑轮以模拟管片受力后上浮的运动状态；

所述管片模型外周包覆橡皮囊，用以模拟管片周围土体因卸荷引起的回缩现象和管片刚脱出盾尾时四周无支撑的状态；

所述橡皮囊一侧与排气管连接，另一侧与注浆管连接；

所述管片模型外侧沿周向安置多个柔性应力计，多个柔性应力计间隔且均匀布设，每一柔性应力计均与传输光纤连接。

2.如权利要求1所述的管片上浮模型试验装置，其特征是，所述管片模型内放置重物，以模拟未开挖时受到的应力状态。

3.如权利要求1所述的管片上浮模型试验装置，其特征是，所述橡皮囊的外围设置网状结构，以对橡皮囊进行约束。

4.如权利要求1所述的管片上浮模型试验装置，其特征是，所述管片模型设置于模型试验箱的中部，管片模型和隧道模型周边埋设土体，隧道模型由与管片模型连接处向模型试验箱侧部延伸。

5.如权利要求1或4所述的管片上浮模型试验装置，其特征是，所述隧道模型和管片模型均为圆筒形部件，隧道模型和管片模型均水平设置。

6.如权利要求1所述的管片上浮模型试验装置，其特征是，所述模型试验箱四周设不透水面板，模型试验箱内底部设置不透水垫层。

7.如权利要求1所述的管片上浮模型试验装置，其特征是，所述模型试验箱和围压加载系统之间设置承压面板，通过围压加载系统向承压面板施加压应力进而传递给模型试验箱以模拟地应力。

8.采用如权利要求1-7任一项所述的管片上浮模型试验装置的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

向模型试验箱内填筑设定高度的土体；

在管片模型内放置重物，向橡皮囊内充入气体后将管片模型和隧道模型放置于模型试验箱内，填土至设定埋深，填土后等待设定时间，以模拟土体的自重平衡过程；

取出管片模型内重物，以模拟因土体开挖而引起的土体卸荷过程；

向橡皮囊内注浆，采集管片模型周围的应力状态，得到管片模型受到的浮力，持续采集管片模型受到的浮力，得到管片模型在不同龄期时的浮力变化。

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