CN113643606A - 一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，包括模型土箱（1）、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统和开挖卸载系统。本发明还公开了一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验方法。本发明提供的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，能够模拟盾构隧道开挖、卸载和注浆过程引起的盾构隧道的隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动工况及对既有管线的影响，可为实际施工提供有价值的参考依据，减少实际施工风险。

Description

一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，属于隧道工程技术领域。

背景技术

近年来，盾构工程越来越多地应用于公路隧道、城市道路隧道、地铁隧道、输水及排水隧道的建设。随着城市化进程的加快，盾构工程穿越既有地下管线越来越常见，因盾构施工导致既有地下管线过大变形、结构损坏从而影响管线正常使用及盾构施工安全的现象也越来越多。由于盾构开挖直径大于管片外径，不可避免引起土体损失。虽然盾构能够通过壁后注浆充填盾尾间隙，但是壁后注浆浆液从流体状态凝结为稳定的固体状态需要较长一段时间，在此期间内管片处于不稳定状态。而且，由于盾构隧道为一环一环管片通过螺栓拼接而成，隧道纵向成为一个相对柔性结构，处在地层损失引起的空腔内、被流体状态的壁后注浆浆体包裹，管片不可避免地发生上浮及环间错动，从而引起隧道纵向的不均匀变形，进而引起上部管线发生过大位移。因此，如何结合盾构隧道管片上浮、环间错动特性，考虑隧道纵向的不均匀变形，同时考虑地层损失及壁后注浆的影响，来预测盾构施工对既有管线的影响十分重要。

当前的盾构工程穿越施工的模拟试验装置或方法较多，典型如：

ZL201810347418.8提供了一种模拟盾构隧道施工的试验方法，通过与环状橡胶袋相连接的排注装置抽出环状橡胶袋内的注浆液，模拟盾构隧道开挖造成的地层损失；通过与盾构隧道模型相连接的排注装置，模拟卸载效应；通过排注装置向环状橡胶袋中注入注浆液，来模拟同步注浆；通过位移传感器来记录建筑物模型的底部沉降和盾构隧道顶部地表的沉降，通过基桩模型上面设置的应变片的变形情况来记录基桩模型的变形情况。但是该类方法存在的缺陷主要有：（1）仅能一次抽出囊袋中浆液，无法模拟土体损失随着开挖面的移动逐渐向隧道前方发展的规律；（2）同步注浆（即壁后注浆）浆液一次注入囊袋，不能地层中扩散，而实际施工时浆液是逐环注入，并能够在管片与地层之间的间隙中移动、能够向土体中渗透的；（3）未考虑盾构隧道管片上浮、环间错动特性及考虑地层损失、壁后注浆对既有管线沉降变形的综合影响。

本发明能够模拟土体损失随着开挖面的移动逐渐向隧道前方发展的规律，能够模拟壁后注浆浆液在管片与地层之间的间隙中移动、向土体中渗透的现象；能够考虑盾构隧道管片上浮、环间错动特性及考虑地层损失、壁后注浆对既有管线沉降变形的综合影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，能够综合考虑盾构开挖时地层损失、壁后注浆、管片上浮、环间错台、隧道纵向不均匀沉降，同时能够预测盾构施工对既有管线的影响，为盾构工程穿越既有管线的实际工程实施提供参考信息，减小工程风险。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，包括模型土箱、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统和开挖卸载系统；

所述模型土箱为透明土箱，材质为有机玻璃；

所述地层及加载系统包括地层和加载系统，所述地层采用透明土，所透明土装填于所述模型土箱之中；

所述既有管线及监测系统包括管体、预埋于所述管体上的应变片和应力计、以及预埋于所述地层中的土压力盒组成；

所述地层损失模拟系统包括透明管、设置于所述透明管尾部的密封圈及设置于所述透明管头部的牵引绳；所述透明管横向贯穿所述模型土箱；所述既有管线及监测系统位于所述透明管上方；

所述隧道衬砌系统包括若干彩色管节及连接所述彩色管节的箍环； 所述隧道衬砌系统位于所述地层损失模拟系统内部；

所述壁后注浆系统包括设置于所述彩色管节上的若干注浆孔；所述注浆孔与分支输浆管相连，全部所述分支输浆管均与一个总输浆管相连，每个所述分支输浆管上均设置有阀门，所述总输浆管的首端封闭，末端为浆液注入口；

所述开挖卸载系统包括带轮小车、放置于所述带轮小车内部的负载及用于牵引所述带轮小车的小车牵引线；所述开挖卸载系统位于所述隧道衬砌系统内部。

相邻所述彩色管节的颜色不同。

所述应变片和所述应力计分别通过导线与位于外部的数据采集仪相连，所述数据采集仪与电源连接。

所述地层损失模拟系统中的所述密封圈密封于所述彩色管节外壁。

每个所述彩色管节上均设3~5个所述注浆孔。

所述密封圈和所述箍环均由柔性材料制成。

所述柔性材料包括橡胶。

所述负载包括铅块。

一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验方法，包括以下步骤：

A、安装盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置：将彩色管节用箍环连接，并在彩色管节的注浆孔安装分支输浆管和总输浆管；将安装好的隧道衬砌系统装入地层损失模拟系统的透明管中，使透明管尾部的密封圈封住第一节彩色管节的外壁，并在透明管头部安装牵引绳；在第一节彩色管节中放入装有负载的带轮小车，负载重量与隧道体积相应的土体重量相同，隧道体积为与彩色管节长度等长的透明管体积，并给带轮小车安装小车牵引线；在既有管线及监测系统的管体上预埋应变片和应力计；将上述装配好的透明管装入模型土箱；在模型土箱内装入透明土和既有管线及监测系统；

B、开挖第1节彩色管节：匀速拉动牵引绳1个彩色管节距离，透明管尾部的密封圈到达第2个彩色管节处，模拟第1节彩色管节开挖引起的地层损失；因彩色管节直径小于透明管直径，通过透明管横断面积与彩色管节横断面积之差模拟第1节彩色管节开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线1个彩色管节距离，装有负载的带轮小车到达第2个彩色管节处，模拟第1节彩色管节开挖引起的卸载效应；因带轮小车重量与第一段透明管体积相等的土体重量相同，当带轮小车离开第1节彩色管节后，相当于第1节彩色管节内发生了卸载；关闭除第1节彩色管节外的全部阀门，打开第1节彩色管节的阀门，在浆液注入口注入透明凝胶材料，模拟壁后注浆，注浆完毕后，关闭第1节彩色管节的阀门；

C、开挖第2节彩色管节：匀速拉动牵引绳1个彩色管节距离，透明管尾部的密封圈到达第3个彩色管节处，模拟第2节彩色管节开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线1个彩色管节距离，装有负载的带轮小车到达第3个彩色管节处，模拟第2节彩色管节开挖引起的卸载效应；打开第2节彩色管节的阀门，在浆液注入口注入透明凝胶材料，模拟壁后注浆，注浆完毕后，关闭第2节彩色管节的阀门；

D、依照步骤C依次开挖后续彩色管节，通过对透明管的牵引移动，释放透明管与彩色管节之间的土体，实现隧道开挖过程中地层损失量和动态发展过程的模拟；通过控制放置的带轮小车移动，实现模拟隧道开挖引起的卸载效应；通过总输浆管向彩色管节外注入透明凝胶材料、结合透明管尾部的密封圈来模拟壁后注浆过程；通过箍环连接的彩色管节用来模拟隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动；通过设置于既有管线上的应变片、应力计来记录隧道开挖过程中既有管线的变形、内力情况，从而模拟出隧道实际施工过程中对既有管线的影响。

所述透明管直径D₁大于所述彩色管节直径D₂，通过控制所述透明管直径D₁与所述彩色管节直径D₂的比值来控制地层损失率η，地层损失率η的计算公式为：η=（D₁ ²-D₂ ²）/D₂ ²。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过对透明管的牵引移动，释放透明管与彩色管节之间的土体，实现隧道开挖过程中地层损失量和动态发展过程的模拟；通过控制放置的带轮小车移动，实现模拟隧道开挖引起的卸载效应；通过总输浆管向彩色管节外注入透明凝胶材料、结合透明管尾部的密封圈来模拟壁后注浆过程；通过箍环连接的彩色管节用来模拟隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动等工况；通过设置于既有管线上的应变片、应力计来记录隧道开挖过程中既有管线的变形、内力情况，从而模拟出隧道实际施工过程中对既有管线的影响。

本发明提供的试验方法，能够模拟盾构隧道开挖、卸载和注浆过程引起的盾构隧道的隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动工况及对既有管线的影响，可为实际施工提供有价值的参考依据，减少实际施工风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明开挖第1节彩色管节的结构示意图；

图3为本发明开挖完成后盾构隧道、既有管线及地表变形状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，包括模型土箱1、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统、开挖卸载系统等部分组成。

进一步的，所述模型土箱1为透明土箱，材质为有机玻璃。

进一步的，所述地层及加载系统包括地层2和加载系统，地层2采用透明土，装填于模型土箱1之中。

进一步的，所述既有管线及监测系统由管体31、预埋于管体31上的应变片32和应力计33，及预埋于土层2中的土压力盒34组成。

进一步的，所述地层损失模拟系统由透明管41、设置于透明管41尾部的橡胶材质的密封圈42及设置于透明管41头部的牵引绳43组成。

进一步的，所述隧道衬砌系统由彩色管节51、连接彩色管节51的橡胶材质的箍环52组成。

进一步的，所述壁后注浆系统由设置于彩色管节51上的注浆孔61、分支输浆管、总输浆管62、阀门63及浆液注入口64组成。

进一步的，所述开挖卸载系统由带轮小车71、位于带轮小车71底部的车轮72、放置于带轮小车71内的负载73及小车牵引线74组成。

进一步的，负载73优选为铅块，铅块的重量与隧道体积相应的土体重量相同，隧道体积为与彩色管节51长度等长的透明管41体积。

进一步的，所述地层损失模拟系统中，密封圈42设置于透明管41尾部，牵引绳43设置于透明管41头部，能够通过牵引绳43控制透明管41的移动。

进一步的，所述彩色管节51由箍环52连接成一个整体，相邻彩色管节51之间能够自由变形，所述隧道衬砌系统的彩色管节51，相邻彩色管节51颜色不同。

进一步的，所述隧道衬砌系统中，彩色管节51直径小于地层损失模拟系统中的透明管41直径，隧道衬砌系统设置于透明管41内；所述地层损失模拟系统中的密封圈42密封于彩色管节51外壁。

进一步的，放置铅块的带轮小车71位于彩色管节51内，能够通过牵引线74在彩色管节51内移动。

进一步的，所述彩色管节51均设3~5个注浆孔61，每个注浆孔61均有独立的分支输浆管及用于控制启闭的阀门63。

一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验方法，包括以下步骤：

A、安装盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置：将彩色管节51用箍环52连接，并在彩色管节51的注浆孔61安装输浆管路；将安装好的隧道衬砌系统装入地层损失模拟系统的透明管41中，使透明管41尾部的密封圈42封住第一节彩色管节51，并在透明管41头部安装牵引绳43；在第一节彩色管节51中放入装有负载73的带轮小车71，铅块重量于隧道体积相应的土体重量相同，并安装小车牵引线74；在既有管线的管体31上预埋应变片32和应力计33；将隧道开挖模型装入模型土箱1；在模型土箱1内装入透明土、既有管线的管体31和土压力盒34。

如图2所示，B、开挖第1节彩色管节：匀速拉动透明管41的牵引绳43一个管节（即彩色管节51距离，透明管41尾部的密封圈42到达第2个管节处，模拟第1节管节开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线74一个管节距离，装有铅块的带轮小车71到达第2个管节处，模拟第1节管节开挖引起的卸载效应。关闭第2~7节管节输浆管阀门63，打开第1节管节输浆管阀门63，在浆液注入口64注入透明凝胶材料65，模拟壁后注浆，注浆完毕关闭第1节管节输浆管阀门63。

C、开挖第2节管节：匀速拉动透明管41的牵引绳43一个管节距离，透明管41尾部的密封圈42到达第3个管节处，模拟第2节管节开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线74一个管节距离，装有铅块的带轮小车71到达第3个管节处，模拟第2节管节开挖引起的卸载效应。打开第2节管节输浆管阀门63，在浆液注入口64注入透明凝胶材料65，模拟壁后注浆，注浆完毕关闭第2节管节输浆管阀门63。

D、依照步骤C依次开挖后续管节，通过对透明管 41的牵引移动，释放透明管 41与彩色管节51之间的土体，实现隧道开挖过程中地层损失量和动态发展过程的模拟；通过控制放置铅块的带轮小车71移动，实现隧道开挖引起的卸载效应；通过总输浆管62向彩色管节51外注入透明凝胶材料65、结合透明管尾部的密封圈42来模拟壁后注浆过程；通过柔性橡胶材质的箍环连接的彩色管节51可以模拟隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动等工况；通过设置于既有管线上的应变片32、应力计33来记录隧道开挖过程中既有管线31的变形、内力情况，从而模拟出隧道实际施工过程中对既有管线的影响。

进一步的，所述透明管41直径（D₁）大于彩色管节51直径（D₂），可以通过控制透明管41直径与彩色管节41直径的比值来控制地层损失率η，地层损失率η的计算公式为η=（D₁ ²-D₂ ²）/D₂ ²。

进一步的，所述透明凝胶材料65的注入量、注入压力、各注浆孔61的注入量均可调整，以模拟不同注浆工况下隧道施工的影响。

进一步的，彩色管节51固定在模型土箱1内。

如图3所示，为本发明开挖完成后盾构隧道、既有管线及地表变形状态示意图，图3中，21代表原地表线；22代表变形后地表线。

从图3中可以看出，模型中盾构隧道开挖完成后：（1）壁后注浆浆液包裹于彩色管节51周围，由于壁后注浆的影响，导致彩色管节51发生不同程度的上浮，相邻彩色管节51之间发生了不均匀变形及相对错动；（2）由于地层损失，导致隧道上部土体沉降，从而引起上部既有管线发生了一定的位移；（3）地表出现了沉降。

应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，包括模型土箱（1）、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统和开挖卸载系统；

所述模型土箱（1）为透明土箱；

所述地层及加载系统包括地层（2）和加载系统，所述地层（2）采用透明土，所透明土装填于所述模型土箱（1）之中；

所述既有管线及监测系统包括管体（31）、预埋于所述管体（31）上的应变片（32）和应力计（33）、以及预埋于所述地层（2）中的土压力盒（34）组成；

所述地层损失模拟系统包括透明管（41）、设置于所述透明管（41）尾部的密封圈（42）及设置于所述透明管（41）头部的牵引绳（43）；所述透明管（41）横向贯穿所述模型土箱（1）；所述既有管线及监测系统位于所述透明管（41）上方；

所述隧道衬砌系统包括若干彩色管节（51）及连接所述彩色管节（51）的箍环（52）；所述隧道衬砌系统位于所述地层损失模拟系统内部；

所述壁后注浆系统包括设置于所述彩色管节（51）上的若干注浆孔（61）；所述注浆孔（61）与分支输浆管相连，全部所述分支输浆管均与一个总输浆管（62）相连，每个所述分支输浆管上均设置有阀门（63），所述总输浆管的首端封闭，末端为浆液注入口（64）；

所述开挖卸载系统包括带轮小车（71）、放置于所述带轮小车（71）内部的负载（73）及用于牵引所述带轮小车（71）的小车牵引线（74）；所述开挖卸载系统位于所述隧道衬砌系统内部。

2.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，相邻所述彩色管节（51）的颜色不同。

3.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述应变片（32）和所述应力计（33）分别通过导线与位于外部的数据采集仪相连，所述数据采集仪与电源连接。

4.采用权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述地层损失模拟系统中的所述密封圈（42）密封于所述彩色管节（51）外壁。

5.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，每个所述彩色管节（51）上均设3~5个所述注浆孔（61）。

6.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述密封圈（42）和所述箍环（52）均由柔性材料制成。

7.根据权利要求6所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述柔性材料包括橡胶。

8.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述负载（73）包括铅块。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、安装盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置：将彩色管节（51）用箍环（52）连接，并在彩色管节（51）的注浆孔（61）安装分支输浆管和总输浆管（62）；将安装好的隧道衬砌系统装入地层损失模拟系统的透明管（41）中，使透明管（41）尾部的密封圈（42）封住第一节彩色管节（51）的外壁，并在透明管（41）头部安装牵引绳（43）；在第一节彩色管节（51）中放入装有负载（73）的带轮小车（71），负载（73）重量与隧道体积相应的土体重量相同，并给带轮小车（71）安装小车牵引线（74）；在既有管线及监测系统的管体（31）上预埋应变片（32）和应力计（33）；将上述装配好的透明管（41）装入模型土箱（1）；在模型土箱（1）内装入透明土和既有管线及监测系统；

B、开挖第1节彩色管节（51）：匀速拉动牵引绳（43）1个彩色管节（51）距离，透明管（41）尾部的密封圈（42）到达第2个彩色管节（51）处，模拟第1节彩色管节（51）开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线（74）1个彩色管节（51）距离，装有负载（73）的带轮小车（71）到达第2个彩色管节（51）处，模拟第1节彩色管节（51）开挖引起的卸载效应；关闭除第1节彩色管节（51）外的全部阀门（63），打开第1节彩色管节（51）的阀门（63），在浆液注入口（64）注入透明凝胶材料（65），模拟壁后注浆，注浆完毕后，关闭第1节彩色管节（51）的阀门（63）；

C、开挖第2节彩色管节（51）：匀速拉动牵引绳（43）1个彩色管节（51）距离，透明管（41）尾部的密封圈（42）到达第3个彩色管节（51）处，模拟第2节彩色管节（51）开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线（74）1个彩色管节（51）距离，装有负载（73）的带轮小车（71）到达第3个彩色管节（51）处，模拟第2节彩色管节（51）开挖引起的卸载效应；打开第2节彩色管节（51）的阀门（63），在浆液注入口（64）注入透明凝胶材料（65），模拟壁后注浆，注浆完毕后，关闭第2节彩色管节（51）的阀门（63）；

D、依照步骤C依次开挖后续彩色管节（51），通过对透明管（41）的牵引移动，释放透明管（41）与彩色管节（51）之间的土体，实现隧道开挖过程中地层损失量和动态发展过程的模拟；通过控制放置（73）的带轮小车（71）移动，实现模拟隧道开挖引起的卸载效应；通过总输浆管（62）向彩色管节（51）外注入透明凝胶材料（65）、结合透明管（41）尾部的密封圈（42）来模拟壁后注浆过程；通过箍环（52）连接的彩色管节（51）用来模拟隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动；通过设置于既有管线上的应变片（32）、应力计（33）来记录隧道开挖过程中既有管线的变形、内力情况，从而模拟出隧道实际施工过程中对既有管线的影响。

10.根据权利要求9所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验方法，其特征在于，所述透明管（41）直径D₁大于所述彩色管节（51）直径D₂，通过控制所述透明管（41）直径D₁与所述彩色管节（51）直径D₂的比值来控制地层损失率η，地层损失率η的计算公式为：η=（D₁ ²-D₂ ²）/D₂ ²。

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