CN114526086A - 一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，该装置包括箱体组件、管片衬砌组件、盾壳结构、注浆组件和牵拉组件，管片衬砌组件包括多个管片环和连接在相邻两个管片环之间的接头结构，管片衬砌组件的管片环与原型管片环具有一定的几何相似比，且管片环与原型管片环之间具有相同视比重；接头结构为具有柔性的环形结构，接头结构的抗剪刚度与相邻两个原型管片环之间所有纵向接头的抗剪刚度之和相等；注浆组件包括注浆管，注浆管的出浆口端延伸至盾壳结构的尾部。本发明能够模拟出管片脱出盾尾与同步注浆浆液接触的过程，更准确地反映出管片衬砌组件在同步注浆浆液包裹下的上浮姿态变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道模型技术领域，尤其是涉及一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置。
背景技术
盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支撑四周岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。经过两百多年的演变和发展，盾构工法和技术如今已十分成熟，既能实现机械化施工，同时对周围地层和结构的扰动也较小，因此盾构法在国内外城市地铁隧道的修建过程中得到了广泛的使用。
管片衬砌作为盾构隧道的主体结构，其受力和变形情况一直是盾构掘进施工过程中的重要监测对象。在管片从盾构机尾部脱出后，除上覆土体、建筑物和地下水等会使管片的受力状态发生改变以外，用于填充管片与地层之间间隙的同步注浆浆液也会对管片衬砌产生浮力作用，由此使管片结构出现局部或整体上浮现象。例如：上海大连路和翔殷路隧道施工期间管片最大上浮量大10和15cm。再例如：宁波轨道交通1号线一期工程管片最大上浮量达12cm，平均上浮量达8.8cm。然而当上浮量过大、不可控时便极易引起盾构姿态控制不佳、管片纵向变形过大、管片错台、裂缝、破损及渗透水等病害。这不仅给隧道结构的安全和稳定造成不利影响，严重时甚至会引发施工事故，带来巨大的经济损失。
然而，本申请人发现现有技术中至少存在以下技术问题：目前针对盾构隧道管片上浮的研究大多停留在理论阶段，而且少量的试验研究所采用的试验装置并没有结合隧道实际施工情况，现有的试验装置无法较为真实的反映管片脱出盾尾的实际上浮形态，无法更加准确的研究管片脱出盾尾的实际上浮量变化情况。基于此，亟需提供一种能够模拟出管片脱出盾尾、与同步注浆浆液接触过程，以便较为真实的反映盾构隧道管片在同步注浆浆液中所处位置及状态的模型试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，以解决现有技术中存在的试验装置无法真实反映管片脱出盾尾的实际上浮形态的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，包括箱体组件、管片衬砌组件、盾壳结构、注浆组件和牵拉组件，所述盾壳结构套设在所述管片衬砌组件的外侧并置于所述箱体组件内，其中，
所述管片衬砌组件包括多个管片环和连接在相邻两个所述管片环之间的接头结构，所述管片衬砌组件的管片环与原型管片环具有一定的几何相似比，且所述管片衬砌组件的管片环与原型管片环之间具有相同视比重；所述接头结构为具有柔性的环形结构，所述接头结构的抗剪刚度与相邻两个原型管片环之间所有纵向接头的抗剪刚度之和相等；
所述注浆组件包括注浆管，所述注浆管远离出浆口的一端固定在所述盾壳结构的前部；所述注浆管的出浆口端延伸至所述盾壳结构的尾部，所述牵拉组件与所述盾壳结构的前部固定连接，并能够使所述盾壳结构和所述注浆管同步移动以脱离所述管片衬砌组件。
根据一种优选实施方式，所述箱体组件包括箱体和位于所述箱体外侧的支撑座，其中，所述箱体内部具有用于容纳所述管片衬砌组件和所述盾壳结构的空腔，所述空腔包括矩形部和圆弧部，且所述矩形部位于所述圆弧部的上方，在所述矩形部的侧面设有观察窗，所述矩形部的顶部呈开口状，
所述箱体的两端分别设有第一圆形开口和第二圆形开口，其中，所述第二圆形开口靠近所述支撑座设置，所述第一圆形开口和第二圆形开口与所述空腔形成连通，所述牵拉组件设置在所述支撑座上。
根据一种优选实施方式，所述管片环的外径和幅宽是基于与原型管片环之间的几何相似比确定的；其中，所述管片环的外径和幅宽是分别按照如下公式确定：
Rm＝Rp/CL；和
lm＝lp/CL，
其中，Rm和Rp分别为管片环和原型管片环的外径，lm和lp分别为管片环和原型管片环的幅宽，CL为设定的管片衬砌组件与原型管片的几何相似比值。
根据一种优选实施方式，所述管片环的质量和内径是基于与原型管片环之间的相同视比重确定的，其中，所述管片环的质量和内径是按照如下方式进行确定：
利用公式ρ＝M总/V总＝4M总/πR2l得到视比重ρ；
基于所确定的视比重ρ、管片环的外径Rm和幅宽lm利用公式
得到管片环的总质量M总’；
基于所采用的管片环的材料密度，通过公式M'总＝ρ管片环π(Rm 2-rm 2)lm/4得到管片环的内径rm。
根据一种优选实施方式，所述接头结构为沿所述管片环的环向设置的丁腈橡胶圈，所述接头结构的纵向宽度按照如下方式确定：
基于公式Kp＝nξκbGbAb/lb，计算相邻两个原型管片环之间所有纵向接头剪切刚度之和Kp；其中，Kp为相邻两个原型管片环之间的所有纵向接头剪切刚度之和；n为纵向接头个数；ξ为考虑凹凸榫、混凝土管片摩擦力的剪切刚度修正系数；kb为纵向接头的铁木辛柯剪切系数；Gb为纵向接头的剪切模量；Ab为纵向接头剪切面面积；lb为纵向接头长度；
基于所设定的管片环与原型管片环之间的几何相似比CL和弹性模量相似比CE，根据公式Km＝Kp/CECL，换算得到模型试验装置中的管片环之间的接头结构的剪切刚度Km；
基于公式Km＝κsGA/l得到接头结构的纵向宽度l，其中ks为接头结构的铁木辛柯剪切系数；G为接头结构的剪切模量；A为接头结构剪切面面积，l为接头结构的纵向宽度。
根据一种优选实施方式，所述管片衬砌组件还包括位于多个管片环两端的管片基环，其中，靠近所述盾壳结构尾部设置的所述管片基环通过管片限位板固定至所述箱体的第一圆形开口处，靠近所述盾壳结构前部设置的所述管片基环由所述盾壳结构支撑固定至所述箱体的第二圆形开口处；
所述盾壳结构的尾部与所述管片衬砌组件之间设有第一密封组件，所述盾壳结构的前部与所述箱体的第二圆形开口的边缘框架之间设有第二密封组件。
根据一种优选实施方式，还包括顶推反力模拟装置，所述顶推反力模拟装置包括拉压传感器、钢丝绳、螺杆和锁紧法兰，其中，所述锁紧法兰设置于位于所述管片衬砌组件两端的所述管片基环的外侧，所述拉压传感器设置在所述管片衬砌组件内部且位于靠近所述盾壳结构尾部设置的所述锁紧法兰上，所述螺杆对应每个所述拉压传感器设置在靠近所述盾壳结构头部设置的所述锁紧法兰上，所述钢丝绳贯穿所述管片衬砌组件内部连接在所述拉压传感器和所述螺杆之间。
根据一种优选实施方式，还包括测量装置，所述测量装置设置在所述箱体远离所述支撑座的一侧，
所述测量装置包括测量支座、支撑悬臂和多个位移计，其中，多个所述位移计相间隔的设置在所述支撑悬臂上，所述支撑悬臂的一端穿过所述锁紧法兰延伸至所述管片衬砌组件内部并使每个所述位移计对应压紧在一个管片环的顶部；
所述测量支座上设有导向杆，所述支撑悬臂滑动设置在所述导向杆上，在所述导向杆的顶部设有用于调节所述支撑悬臂高度的旋转手轮。
根据一种优选实施方式，所述注浆组件还包括注浆泵和浆液搅拌罐，所述注浆管至少包括位于所述管片衬砌组件的四个边角处的四条，所有所述注浆管通过所述注浆泵连接至所述浆液搅拌罐内部，所述注浆管穿入所述箱体内并使其出浆口端与所述盾壳结构的盾尾相齐平。
根据一种优选实施方式，还包括地层模拟板，所述地层模拟板设置在所述盾壳结构的上方，所述地层模拟板为弧形板结构。
基于上述技术方案，本发明的一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置至少具有如下技术效果：
本发明的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置制作工艺简单，可操作性强，能够多次重复利用。本发明的模型试验装置是基于几何相似比和视比重一致的原则对管片环的外径、幅宽和质量进行设计，同时通过使接头结构的抗剪刚度与原型管片环之间的所有纵向接头的抗剪刚度之和相等，基于纵向接头抗剪刚度等效原理，使得接头结构具有一定的剪切强度和柔性，保证了模型试验装置能够真实可靠的反映实际工程管片的上浮特性。注浆组件能够在利用牵拉组件将盾壳结构和注浆管同步移动脱离管片衬砌组件时，使得浆液同步注入并接触管片衬砌组件，本发明的装置通过对管片衬砌组件、盾壳结构、注浆组件和牵拉组件的结构设计，使其更加贴合盾构隧道实际施工状况，能够模拟出管片脱出盾尾、与同步注浆浆液接触的过程，更准确的反映出了管片衬砌结构在同步注浆浆液包裹下的上浮姿态变化情况，对实际盾构隧道工程的设计与施工提供了较大的参考和指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一示例性实施例的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置的立体结构视图；
图2是本发明一示例性实施例的模型试验装置中箱体组件的结构示意图；
图3是本发明一示例性实施例的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置的纵截面示意图；
图4是本发明一示例性实施例的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置的俯视图；
图5是本发明一示例性实施例的模型试验装置中管片衬砌组件、盾壳结构和顶推反力模拟装置的部分剖面示意图；
图6是本发明一示例性实施例的模型试验装置中测量装置的结构示意图；
图7是本发明一示例性实施例的模型试验装置中注浆组件的结构示意图。
图中：1-箱体组件；2-测量装置；4-管片环；5-接头结构；6-管片限位板；7-牵拉组件；8-注浆组件；9-第一密封组件；10-盾壳结构；11-管片衬砌组件；12-地层模拟板；13-第二密封组件；14-牵拉法兰；15-连接架；18-丝杠支座支承端；20-滚轮支架；22-滚珠丝杆；23-丝杠支座固定端；24-伺服电机；26-减速电机；29-注浆管；30-注浆泵；31-浆液搅拌罐；101-箱体；102-支撑座；103-空腔；104-观察窗；105-第一圆形开口；105’-第二圆形开口；201-测量支座；202-导向杆；203-支撑悬臂；204-位移计；205-旋转手轮；301-锁紧法兰；302-拉压传感器；303-螺杆；304-钢丝绳；401-管片基环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1和图3所示，图1为本发明一示例性实施例的一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置的立体结构示意图，图3为本发明一示例性实施例的一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置的纵截面图。
本发明提供的一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置包括箱体组件1、管片衬砌组件11、盾壳结构10、注浆组件8和牵拉组件7，盾壳结构10套设在管片衬砌组件11的外侧并置于箱体组件1内，即，盾壳结构10和管片衬砌组件11容纳于箱体组件1内。优选的，如图5所示，管片衬砌组件11包括多个管片环4和连接在相邻两个管片环4之间的接头结构5。管片衬砌组件11的管片环4与原型管片环具有一定的几何相似比，且管片衬砌组件11的管片环4与原型管片环之间具有相同视比重。接头结构5为具有柔性且沿管片环4的环向匀质分布的环形结构。接头结构5的抗剪刚度与相邻两个原型管片环之间所有纵向接头的抗剪刚度之和相等；进而使得管片衬砌组件能够真实可靠的反映实际工程管片的上浮特性。优选的，注浆组件包括注浆管29，注浆管29远离出浆口的一端固定在盾壳结构10的前部；注浆管29的出浆口端延伸至盾壳结构10的尾部。牵拉组件7与盾壳结构10的前部固定连接，并能够使盾壳结构10和注浆管29同步移动以脱离管片衬砌组件11。以便更加贴合盾构隧道实际施工状况，能够模拟出管片脱出盾尾、与同步注浆浆液接触的过程，更准确地反映出了管片衬砌结构在同步注浆浆液包裹下的上浮姿态变化情况，对实际盾构隧道工程的设计与施工提供了较大的参考和指导意义。
进一步优选的，如图2所示，箱体组件1是由各种型材及钢板焊接加工而成。优选的，箱体组件1的长×宽×高＝3060mm×800mm×900mm。优选的，箱体组件1包括箱体101和位于箱体101外侧的支撑座102。箱体101用于容纳管片衬砌组件和盾壳结构，并用于装填同步注浆浆液，是进行盾构隧道上浮姿态试验的主体部位。支撑座102用于放置牵拉组件7。优选的，箱体101内部具有用于容纳管片衬砌组件11和盾壳结构10的空腔103。优选的，空腔103的长×宽＝1000mm×680mm。优选的，空腔103包括矩形部和圆弧部，且矩形部位于圆弧部的上方。优选的，位于上部的矩形部的高度为400mm，位于下部的圆弧部的半径为340mm。优选的，在矩形部的侧面设有观察窗104。在观察窗上设有透明有机玻璃，以便于观察箱体内部情况。优选的，矩形部的顶部呈开口状，即箱体的顶部不封闭。优选的，箱体101的两端分别设有第一圆形开口105和第二圆形开口105’，其中，第二圆形开口105’靠近支撑座102设置，第一圆形开口105和第二圆形开口105’与空腔103形成连通。如图2所示，位于箱体101左侧端部的第一圆形开口105的直径与管片衬砌组件11的外径相一致。位于箱体101右侧端部的第二圆形开口105’的直径与盾壳结构10的外径相一致。
进一步优选的，管片环4的外径和幅宽是基于与原型管片环之间的几何相似比进行确定的。具体的，管片环4的外径和幅宽是分别按照如下公式进行确定：
Rm＝Rp/CL；和lm＝lp/CL，
其中，Rm和Rp分别为管片环4和原型管片环的外径，lm和lp分别为管片环4和原型管片环的幅宽，CL为设定的管片衬砌组件与原型管片的几何相似比值。
进一步优选的，管片环4的质量和内径是基于与原型管片环之间的相同视比重进行确定的。具体的，管片环4的质量和内径是按照如下方式进行确定：
步骤1：利用公式ρ＝M总/V总＝4M总/πR2l得到视比重ρ；
步骤2：基于所确定的视比重ρ、管片环4的外径Rm和幅宽lm利用公式
得到管片环4的总质量M总’；
步骤3：基于所采用的管片环4的材料密度，通过公式M'总＝ρ管片环π(Rm 2-rm 2)lm/4得到管片环的内径rm。
优选的，本申请的管片环采用有机玻璃制作而成，基于几何相似比和视比重一致原则，对管片环的外径、内径、幅宽和质量进行设计。优选的，本申请的模型试验装置确定的管片环4的外径为498mm，内径为406mm，幅宽为65mm，质量为5.09kg。
进一步优选的，本申请的模型试验装置在对管片衬砌组件进行设计时，考虑了更加切合管片实际状态的接头结构。优选的，接头结构5的抗剪刚度与原型管片环之间的所有纵向接头的抗剪刚度之和相等。优选的，接头结构5为沿管片环4的环向设置的丁腈橡胶圈。优选的，接头结构5的纵向宽度按照如下方式确定：
步骤1：按照公式Kp＝nξκbGbAb/lb，利用铁木辛柯理论计算相邻两个原型管片环之间所有接头剪切刚度之和Kp；
其中，Kp为相邻两个原型管片环间的所有纵向接头剪切刚度之和(N/m)；n为纵向接头个数；ξ为考虑凹凸榫、混凝土管片摩擦力的剪切刚度修正系数；kb为纵向接头的铁木辛柯剪切系数；Gb为纵向接头的剪切模量(MPa)；Ab为纵向接头的剪切面面积(m2)；lb为纵向接头的长度(m)。
步骤2：按照所设定的管片环与原型管片环之间的几何相似比CL和弹性模量相似比CE，根据公式Km＝Kp/CECL，换算得到模型试验装置中的管片环之间的接头结构的剪切刚度Km；
步骤3：按照Km＝κsGA/l得到接头结构的纵向宽度l，其中ks为接头结构的铁木辛柯剪切系数；G为接头结构的剪切模量(MPa)；A为接头结构剪切面面积(m2)，由接头截面厚度决定；l为接头结构的纵向宽度(m)。
由于本申请的接头结构5采用丁腈橡胶圈，因此其剪切模量随之确定，进而可得到接头结构的纵向宽度。在满足抗剪切刚度等效的条件下，使得接头结构具有一定的柔性，在相邻管片环的受力变形出现差异时，由于接头结构存在柔性，因此允许相邻管片环之间出现一定量的拉伸，能够表征出管片环之间的错台现象，使得管片衬砌组件与实际原型管片的纵向变形情况较为贴合。
进一步优选的，如图3和图5所示，管片衬砌组件11还包括位于多个管片环4两端的管片基环401。其中，参考图3，靠近盾壳结构10尾部设置的管片基环401通过管片限位板6固定至箱体101的第一圆形开口105处，靠近盾壳结构10前部设置的管片基环401由盾壳结构10支撑固定至箱体101的第二圆形开口105’处。管片基环401不参与上浮试验，管片基环401的幅宽大于管片环的幅宽。
优选的，参考图3，盾壳结构10的尾部与管片衬砌组件11之间设有第一密封组件9，盾壳结构10的前部与箱体101的第二圆形开口105’的边缘框架之间设有第二密封组件13。第一密封组件9和第二密封组件13允许盾壳结构10在牵拉组件7的牵拉作用下脱离管片衬砌组件，同时起到密封作用。优选地，盾壳结构10的内径大于管片衬砌组件11的外径。
进一步优选的，本申请的模型试验装置还包括顶推反力模拟装置，顶推反力模拟装置用于模拟实际盾构掘进过程中千斤顶顶推力作用下的管片环之间的挤压状态。如图3和图5所示，顶推反力模拟装置包括拉压传感器302、钢丝绳304、螺杆303和锁紧法兰301。其中，锁紧法兰301设置于位于管片衬砌组件11两端的所述管片基环401的外侧。拉压传感器302设置在管片衬砌组件11内部且位于靠近盾壳结构10尾部设置的锁紧法兰301上，螺杆303对应每个拉压传感器302设置在靠近盾壳结构10头部设置的锁紧法兰301上，钢丝绳304贯穿管片衬砌组件11内部连接在拉压传感器302和螺杆303之间。每个拉压传感器与对应的螺杆之间采用钢丝绳从管片衬砌组件内部贯穿连接，通过调节螺杆的松紧程度能调节钢丝绳的张紧程度，以使得管片环之间的挤压力与实际施工中的千斤顶顶堆反力满足试验中相应的力学相似比。
进一步优选的，本申请的模型试验装置还包括测量装置2，测量装置2设置在箱体101远离支撑座102的一侧。优选的，如图6所示，测量装置2包括测量支座201、支撑悬臂203和多个位移计204。其中，多个位移计204相间隔的设置在支撑悬臂203上，支撑悬臂203的一端穿过锁紧法兰301延伸至管片衬砌组件11内部并使每个位移计204对应压紧在一个管片环4的顶部。测量支座201上设有导向杆202。支撑悬臂203滑动设置在导向杆202上，优选的，导向杆202上设有螺纹结构，支撑悬臂203与导向杆202通过螺纹啮合连接。在导向杆202的顶部设有用于调节支撑悬臂203高度的旋转手轮205。通过调节旋转手轮205，以调节支架悬臂的高度，使得初始时刻的位移计204的顶针与管片环顶部之间处于最大压紧状态，进而在试验过程中随着管片环上浮的发生，压缩位移回弹，以此监测各管片环的上浮量变化情况。
优选的，如图7所示，注浆组件8包括多个注浆管29,、注浆泵30和浆液搅拌罐31。注浆管29至少包括位于管片衬砌组件11的四个边角处的四条。所有注浆管29通过注浆泵30连接至浆液搅拌罐31内部，注浆管29穿入箱体101内并使其出浆口端与盾壳结构10的盾尾相齐平。优选的，在箱体101上设有允许注浆管29穿过的孔，注浆管的出浆口端穿过孔进入箱体101内部，并能随盾壳结构一起移动。注浆泵30为外置设备，可根据依托工程按照相似比确定注浆量从而选定注浆泵的型号与参数。注浆搅拌罐的作用是储存同步注浆浆液，同时在罐内对浆液进行持续搅拌以防止浆硬化凝固。
进一步优选的，本申请的模型试验装置的牵拉组件7可根据试验所需牵拉速度选择合适的牵拉动力设备及相应的辅助构件。优选的，如图3和图4所示，牵拉组件7包括牵拉法兰14、连接架15和滚珠丝杆22，其中，牵拉法兰14与盾壳结构10的头部固定连接，连接架15固定至牵拉法兰14上，滚珠丝杆22穿过连接架15设置并使连接架15与滚珠丝杆22通过螺纹连接，以便在滚珠丝杆22在伺服电机和减速电机的作用下转动时，带动连接架15、牵拉法兰14和盾壳结构10移动。滚珠丝杆22的一端设置于丝杠支座支承端18，另一端固定至丝杠支座固定端23，滚珠丝杆22的端部通过平键与减速电机26连接，减速电机26与伺服电机24连接，以便通过伺服电机驱动滚珠丝杆转动，进而带动盾壳结构10和注浆管29同步移动脱离管片衬砌组件。优选的，牵拉组件7还包括滚轮支架20，滚轮支架20设置在滚珠丝杆22的两侧，用于在将盾壳结构10拉动脱出时，通过滚轮支架20对盾壳结构10进行支撑，以减小对盾壳结构造成摩擦损伤。
进一步优选的，本申请的模型试验装置还包括地层模拟板12，地层模拟板12设置在盾壳结构10的上方。优选的，地层模拟板12为弧形板结构。优选的，地层模拟板12固定至箱体101的上方，用于模拟地层。实际工程中管片上浮会受到地层的约束作用，考虑到试验中若上覆真实土体会不便于试验结束后的清理，因此，本发明的模型试验装置采用弧形板结构，用以限制试验中管片的不合理上浮。
本申请的模型试验装置的安装过程如下：
首先，采用接头结构5将多个管片环4进行连接，形成整体的管片衬砌组件11，并在管片衬砌组件11两端安装顶推反力模拟装置；
然后，由于管片衬砌组件11与箱体101在端部需要进行固定，因此将管片衬砌组件11与箱体101进行焊接处理。然后通过调节螺杆303张紧钢丝绳304直至根据拉压传感器302的数据计算得到管片环之间的挤压力与实际施工中的千斤顶顶堆反力满足试验中相应的力学相似比。然后将盾壳结构10从箱体101的右侧第二圆形开口处推入，使得盾壳结构包裹住管片衬砌组件。
然后，安装牵拉组件7，并将盾壳结构10与牵拉组件7相连接。放置好测量装置2，并将测量装置的支架悬臂伸入管片衬砌组件11内部，将位移计对准各个管片环的顶部中心，并旋转手轮调节支架悬臂高度使位移计处于初始压紧状态。
然后，在盾壳结构10上方放置并固定好地层模拟板12；
最后安装注浆组件8，将四根注浆管29从箱体上的小孔插入箱体内部，同时向浆液搅拌罐内装入已制备好的同步注浆浆液并保持持续搅拌。进而模拟试验装置整体安装完成。
本申请的模型试验装置的试验操作过程如下：
启动牵拉组件7，使牵拉组件7模拟盾构开挖的速度匀速拉动盾壳结构10。在盾壳结构10移动的同时，开启注浆泵30，通过注浆管29进行同步注浆，并使得注浆速度和牵拉速度匹配。
在盾壳结构拖动过程中，从盾尾脱出的管片直接与浆液接触，受到浆液的浮力作用管片环会出现上浮现象，此时利用位移计对每一管片环的上浮量进行监测记录。
牵拉组件7将盾壳结构10拉至指定位置后停止，同步注浆也随即停止。此后继续通过位移计监测各管片环的上浮量变化情况。
本发明的模型试验装置能够模拟实际施工过程中通过牵拉盾壳使管片脱出盾尾、与同步注浆浆液接触的过程，弥补了国内外已有的上浮模型试验的不足，且进一步反映出了管片衬砌结构在同步注浆浆液中所处的位置及上浮姿态变化情况，对实际盾构隧道工程的设计与施工提供了较大的参考和指导意义。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，包括箱体组件(1)、管片衬砌组件(11)、盾壳结构(10)、注浆组件(8)和牵拉组件(7)，所述盾壳结构(10)套设在所述管片衬砌组件(11)的外侧并置于所述箱体组件(1)内，其中，
所述管片衬砌组件(11)包括多个管片环(4)和连接在相邻两个所述管片环(4)之间的接头结构(5)，所述管片衬砌组件(11)的管片环(4)与原型管片环具有一定的几何相似比，且所述管片衬砌组件(11)的管片环(4)与原型管片环之间具有相同视比重；所述接头结构(5)为具有柔性的环形结构，所述接头结构(5)的抗剪刚度与相邻两个原型管片环之间所有纵向接头的抗剪刚度之和相等；
所述注浆组件(8)包括注浆管(29)，所述注浆管(29)远离出浆口的一端固定在所述盾壳结构(10)的前部；所述注浆管(29)的出浆口端延伸至所述盾壳结构(10)的尾部，所述牵拉组件(7)与所述盾壳结构(10)的前部固定连接，并能够使所述盾壳结构(10)和所述注浆管(29)同步移动以脱离所述管片衬砌组件(11)。
2.根据权利要求1所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，所述箱体组件(1)包括箱体(101)和位于所述箱体(101)外侧的支撑座(102)，其中，所述箱体(101)内部具有用于容纳所述管片衬砌组件(11)和所述盾壳结构(10)的空腔(103)，所述空腔(103)包括矩形部和圆弧部，且所述矩形部位于所述圆弧部的上方，在所述矩形部的侧面设有观察窗(104)，所述矩形部的顶部呈开口状，
所述箱体(101)的两端分别设有第一圆形开口(105)和第二圆形开口(105’)，其中，所述第二圆形开口(105’)靠近所述支撑座(102)设置，所述第一圆形开口(105)和第二圆形开口(105’)与所述空腔(103)形成连通，所述牵拉组件(7)设置在所述支撑座(102)上。
3.根据权利要求1所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，所述管片环(4)的外径和幅宽是基于与原型管片环之间的几何相似比确定的；其中，所述管片环(4)的外径和幅宽是分别按照如下公式确定：
Rm＝Rp/CL；和
lm＝lp/CL，
其中，Rm和Rp分别为管片环(4)和原型管片环的外径，lm和lp分别为管片环(4)和原型管片环的幅宽，CL为设定的管片衬砌组件与原型管片的几何相似比值。
4.根据权利要求3所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，所述管片环(4)的质量和内径是基于与原型管片环之间的相同视比重确定的，其中，所述管片环(4)的质量和内径是按照如下方式进行确定：
利用公式ρ＝M总/V总＝4M总/πR2l得到视比重ρ；
基于所确定的视比重ρ、管片环(4)的外径Rm和幅宽lm利用公式
得到管片环(4)的总质量M总’；
基于所采用的管片环(4)的材料密度，通过公式M'总＝ρ管片环π(Rm 2-rm 2)lm/4得到管片环的内径rm。
5.根据权利要求1所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，所述接头结构(5)为沿所述管片环(4)的环向设置的丁腈橡胶圈，所述接头结构(5)的纵向宽度按照如下方式确定：
基于公式Kp＝nξκbGbAb/lb，计算相邻两个原型管片环之间所有纵向接头剪切刚度之和Kp；其中，Kp为相邻两个原型管片环之间的所有纵向接头剪切刚度之和；n为纵向接头个数；ξ为考虑凹凸榫、混凝土管片摩擦力的剪切刚度修正系数；kb为纵向接头的铁木辛柯剪切系数；Gb为纵向接头的剪切模量；Ab为纵向接头剪切面面积；lb为纵向接头长度；
基于所设定的管片环与原型管片环之间的几何相似比CL和弹性模量相似比CE，根据公式Km＝Kp/CECL，换算得到模型试验装置中的管片环之间的接头结构(5)的剪切刚度Km；
基于公式Km＝κsGA/l得到接头结构的纵向宽度l，其中ks为接头结构的铁木辛柯剪切系数；G为接头结构的剪切模量；A为接头结构剪切面面积，l为接头结构的纵向宽度。
6.根据权利要求1所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，所述管片衬砌组件(11)还包括位于多个管片环(4)两端的管片基环(401)，其中，靠近所述盾壳结构(10)尾部设置的所述管片基环(401)通过管片限位板(6)固定至所述箱体(101)的第一圆形开口(105)处，靠近所述盾壳结构(10)前部设置的所述管片基环(401)由所述盾壳结构(10)支撑固定至所述箱体(101)的第二圆形开口(105’)处；
所述盾壳结构(10)的尾部与所述管片衬砌组件(11)之间设有第一密封组件(9)，所述盾壳结构(10)的前部与所述箱体(101)的第二圆形开口(105’)的边缘框架之间设有第二密封组件(13)。
7.根据权利要求6所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，还包括顶推反力模拟装置，所述顶推反力模拟装置包括拉压传感器(302)、钢丝绳(304)、螺杆(303)和锁紧法兰(301)，其中，所述锁紧法兰(301)设置于位于所述管片衬砌组件(11)两端的所述管片基环(401)的外侧，所述拉压传感器(302)设置在所述管片衬砌组件(11)内部且位于靠近所述盾壳结构(10)尾部设置的所述锁紧法兰(301)上，所述螺杆(303)对应每个所述拉压传感器(302)设置在靠近所述盾壳结构(10)头部设置的所述锁紧法兰(301)上，所述钢丝绳(304)贯穿所述管片衬砌组件(11)内部连接在所述拉压传感器(302)和所述螺杆(303)之间。
8.根据权利要求7所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，还包括测量装置(2)，所述测量装置(2)设置在所述箱体(101)远离所述支撑座(102)的一侧，
所述测量装置(2)包括测量支座(201)、支撑悬臂(203)和多个位移计(204)，其中，多个所述位移计(204)相间隔的设置在所述支撑悬臂(203)上，所述支撑悬臂(203)的一端穿过所述锁紧法兰(301)延伸至所述管片衬砌组件(11)内部并使每个所述位移计(204)对应压紧在一个管片环(4)的顶部；
所述测量支座(201)上设有导向杆(202)，所述支撑悬臂(203)滑动设置在所述导向杆(202)上，在所述导向杆(202)的顶部设有用于调节所述支撑悬臂(203)高度的旋转手轮(205)。
9.根据权利要求1所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，所述注浆组件(8)还包括注浆泵(30)和浆液搅拌罐(31)，所述注浆管(29)至少包括位于所述管片衬砌组件(11)的四个边角处的四条，所有所述注浆管(29)通过所述注浆泵(30)连接至所述浆液搅拌罐(31)内部，所述注浆管(29)穿入所述箱体(101)内并使其出浆口端与所述盾壳结构(10)的盾尾相齐平。
10.根据权利要求1所述的用于研究盾构隧道管片上浮形态的模型试验装置，其特征在于，还包括地层模拟板(12)，所述地层模拟板(12)设置在所述盾壳结构(10)的上方，所述地层模拟板(12)为弧形板结构。
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