CN115163120A - 一种盾构隧道衬砌的模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道衬砌的模型试验装置，包括主体试验箱结构、地表加载模块、隧道衬砌加固模块、侧方卸载模块等部分组成。本发明用于盾构隧道室内缩尺模型试验，能够模拟盾构隧道衬砌与地层的相互作用，针对性的提出一种通过施加局部内压主动恢复部分横向椭变，并同步粘贴芳纶纤维布提高隧道承载性能的盾构隧道修复加固新方法；解决了盾构隧道快速高效加固的一系列问题，形成了一整套完整的盾构隧道主动修复加固的通用化装置；本发明可及时快速的解决盾构隧道由于横向椭变过大导致的潜在结构安全问题，在时空上提升了修复加固进度，为盾构隧道的应急抢险及安全保护等提供了有效的解决方案。

Description

一种盾构隧道衬砌的模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，特别涉及一种盾构隧道衬砌的模型试验装置及试验方法。

背景技术

随着城市轨道交通变得越来越密集，以及盾构地铁隧道运营年限的增长，受自身运营荷载和周边环境荷载变化的影响，盾构地铁隧道管片往往会出现各种病害，包括开裂、错台、差异沉降、渗漏水以及盾构地铁隧道管片椭变等，影响地铁隧道运营的安全。目前针对横向变形过大所采取的粘贴钢板加固、注浆加固等加固措施大多需要人员进入隧道进行施工作业。然而人员在没有加固保护措施下进行施工作业存在较大的安全隐患，且在此条件下加固容易对隧道造成扰动，加剧横向变形。

针对地铁运营期间盾构隧道管片各种病害等问题，常常在实验室采用相似试验模拟，为了更接近施工现场实际的工作环境，模拟对管片局部或者整环修复加固操作，而现有的用于模拟地面堆载对盾构隧道管片影响的缩尺模型箱，其本身功能还存在着很多的不足。比如直观性差，加载方式不够灵活等等问题。目前针对盾构隧道模型试验，申请号为201910558112.1的《一种地铁相似模拟试验用的模块化土箱》设计了四块侧箱板采用钢板做挡板，在侧箱板上开设有观察窗，但侧箱板整体非透明，直观性不佳，也不利于观察与记录模型结构及其周围土体的变化。申请号为201910077278.1的《隧道内应急型防渗水气囊装置及其使用方法》气囊作用主要为堵水和疏水，但本专利气囊可承受较大内外压顶升隧道恢复形变，同时起到弧形板顶升的缓冲作用；申请号为201710245694.3的《一种新型的结构构件及盾构管片实验系统》主要为实验室基座上方通过锚栓固定有竖向反力框架，但本专利龙门架竖向立柱的四个基座通过高强度螺栓固定于钢底板之上，主体试验箱结构和地表加载模块可整体移动搬迁，不受试验场地和环境条件限制，在任意场地均可方便操作。申请号为201921225304.2的《一种盾构管片衬砌结构内压加载装置》使用加压气囊代替真实水体作为盾构管片的压力试验的内压，但本试验是通过千斤顶和加压气囊双重组合针对性的顶推已椭变的管片，使其裂损的管片恢复原状，并进行主动修复加固。

综上，目前的盾构隧道加固试验装置存在可视化、施工便利性等问题，无法较好适用于需快速抢险的盾构隧道，缺乏专门的模型试验装置对盾构管片主动加压修复来进行试验研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种盾构隧道衬砌的模型试验装置及其试验方法，能够综合考虑在地面超载、侧方基坑开挖、壁后注浆、隧道不均匀沉降等情况下的盾构隧道变形情况，采取相应的措施进行快速的、高效的修复加固，为实际工程提供有益的参考，减小工程风险。

本发明的技术方案如下：

一种盾构隧道衬砌的模型试验装置，包括主体试验箱结构，所述主体试验箱结构包括主要由槽钢和角钢搭接成的外框架，外框架焊接于基础底板上，内部由有机玻璃面板围成长方体结构；其特征在于还包括地表加载模块和隧道衬砌加固模块；所述地表加载模块包括龙门架，龙门架的底部固定在基础底板上，龙门架的横梁下面设有第一千斤顶，第一千斤顶的下方设有钢板，通过第一千斤顶施加压力于钢板上，作用力能够传至土层中的盾构管片上，使得盾构管片产生椭变，盾构管片上预制有应变片；所述隧道衬砌加固模块包括弧形底板、第二千斤顶、弧形板支撑架和第一气囊，弧形底板放置在盾构管片上，弧形底板上依次放置第二千斤顶、弧形板支撑架和第一气囊，第一气囊紧贴盾构管片；所述隧道衬砌加固模块还包括芳纶纤维布，芳纶纤维布粘贴于盾构管片的环缝内表面。

进一步的，为了便于拆装弧形板支撑架，调节第二千斤顶和弧形板支撑架之间的连接距离，第二千斤顶与弧形板支撑架之间设有传载块。

进一步的，为了防止第二千斤顶的滑移，产生重心不稳，弧形底板上设有千斤顶限位座。第二千斤顶是竖直放置的，其作用力方向的延长线通过弧形板支撑架重心。

进一步的，为了便于观察在荷载作用下盾构管片上承受的土体压力情况，在主体试验箱结构里面设有多个土压力盒。

进一步的，为了验证盾构管片结构体系的承载性能和加固效果情况，所述盾构隧道衬砌的模型试验装置还包括侧方卸载模块，所述侧方卸载模块设于外框架的内侧及盾构管片的侧方，所述侧方卸载模块包括多个纵向堆叠的第二气囊，相邻的第二气囊设有隔离支撑，隔离支撑固定在外框架上。

进一步的，便于第二气囊将压力传给土层，侧方卸载模块连接一块薄钢板，薄钢板用于隔离土层与第二气囊。薄钢板在基坑开挖之后容许出现一定程度的变形，导致隧道周围压力发生变化，实现对隧道侧方卸载效果的模拟。

进一步的，为了便于观察在第二气囊的作用下土体承受来自于气囊的压力情况，薄钢板的土层一侧设有多个纵向放置的土压力盒。

一种盾构隧道衬砌的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在主体试验箱结构下部先铺一层土层至盾构管片开口处高度，再将多环盾构管片装入主体试验箱结构内，随后逐层填筑，并夯实，盾构管片上的土层的厚度超过盾构管片的洞径；把钢板放置在土层上方；

2)通过地表加载模块的第一千斤顶分级施加上部荷载至钢板上，作用力传至土层中的盾构管片上，使得盾构管片发生椭变，并观测应变片的变形情况；

3)对地表加载模块的第一千斤顶逐级释放压力，监测记录盾构管片此时的弹性椭变引起的横向椭变恢复程度；

4)采用第二千斤顶将弧形板支撑架顶升接触到隧道椭变部位后，加压第一气囊作用于盾构管片，同步调整第一气囊的压力，逐步改善待修复盾构管片的椭圆度；将粘有环氧树脂的芳纶纤维布沿着盾构管片相邻管片的环缝内表面进行粘贴，进行快速修复加固；

5)待环氧树脂胶液凝固后，逐级释放第二千斤顶压力，撤出隧道衬砌加固模块，完成盾构管片的修复加固。

进一步的，为了验证新隧道结构体系的承载性能和加固效果如何、能否经得起侧方基坑卸载的扰动考验，还包括以下步骤：

6)在侧方卸载模块中自上而下逐级释放第二气囊的压力，观测盾构管片的椭变情况，以及应变片和土压力盒的变化情况。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

(1)本发明采取一种通过施加局部内压主动恢复部分横向椭变，并同步粘贴芳纶纤维布提高隧道承载性能的盾构隧道修复加固新方法，对于不同运营条件、服役状态下盾构隧道的加固时机及变形控制效果提供防控措施；该方法适用于快速高效的加固，在一定程度上起到主动改善隧道横向变形的作用，实用价值极高。

(2)本发明提出通过局部内压的方法主动减小隧道横向椭变，进行芳纶纤维布加固，达到了主动改善隧道既有横向椭变的效果，保证了隧道净空的有效面积。

(3)在隧道已经出现较大横向椭变时，任何加固措施的施工都可能在施工过程中对隧道造成二次扰动，可能导致隧道椭变进一步发展；本发明在将控制修复盾构隧道横向椭变与隧道结构补强加固二者相结合，解决隧道结构侵限问题，优化加固效果。

(4)本发明结合隧道变形特点，并通过主动施加于管片上的内压装置，使得气囊压力能够均匀作用于隧道结构，不易出现应力集中。

(5)本发明中的模型试验箱侧方卸载模块通过逐级释放气囊压力模拟侧方基坑开挖工况，探究修复加固后隧道结构体系的承载性能，构成修复加固及加固性能验证一整套闭环系统。

(6)本发明中第一千斤顶可根据试验需求来调节高度，通过调整螺栓的空间位置使得千斤顶施加作用力于主体试验箱顶部的任意位置。

(7)在侧方卸载模块中预置连接多排工字钢做的隔离支撑，并通过气囊的压力释放过程实现在隧道侧方卸载外部作业的模拟效果。

(8)本发明中通过对橡胶气囊充气，气囊充压状态时，使得气囊产生径向的外侧变形，充分与结构表面接触，将压力传递于外侧紧贴的薄钢板上，气囊能保证气压无泄漏的、均匀、稳定、安全的传递到薄钢板上；且采用气囊代替真实土体作为卸载手段，克服了真实土体试验时人工挖土中的工人自重对试验结果影响的难题；其试验结果准确度高、误差小，可靠性高。

(9)本发明中的模型试验箱具有多功能性，组装和拆卸方便，尺寸可以根据不同试验需求进行改造，适用于不同土层或者岩层的研究，进而开展不同工况下盾构隧道修复加固、超压卸载、壁后注浆等相关的各类土工试验。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1中盾构隧道衬砌的模型试验装置正视图；

图2是本发明实施例1中主体试验箱结构三维示意图；

图3是本发明实施例1中盾构隧道衬砌的模型试验装置地表加载模块示意图；

图4是本发明实施例1中盾构隧道衬砌的模型试验装置地表加载模块侧视图；

图5是本发明实施例1中隧道衬砌加固模块的三维示意图；

图6是本发明实施例1中盾构隧道-地层变化模拟示意图；

图7是本发明实施例2的示意图；

图8是本发明实施例3的示意图。

图中：1—主体试验箱结构；2—地表加载模块；3—隧道衬砌加固模块；4—侧方卸载模块；5—土层；6—第二气囊；11—基座；12—基础底板；13—槽钢；14—角钢；15—有机玻璃面板；21—第一千斤顶；22—立柱；23—加载梁；24—横梁；25—加载钢板；26—薄钢板；27—隔离支撑；28—连接螺栓；30—盾构管片；31—连接钢板；32—第二千斤顶；33—弧形板支撑架；34—第一气囊；35—芳纶纤维布；36—传载块；37—千斤顶限位座；38—弧形底板；41—加载前地层线；42—加载后地层线；43—加载前隧道；44—加载后隧道；45—土压力盒；46—应变片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种盾构隧道衬砌的模型试验装置，包括主体试验箱结构1、地表加载模块2、隧道衬砌加固模块3、侧方卸载模块4等部分组成。

如图2所述主体试验箱结构1通过全透明有机玻璃面板15围成一长方体结构，在前、后面板各开有与盾构管片30相匹配的圆孔；外围整体采用钢框架搭接而成，角钢14竖向布设，槽钢13横向布设，整个试验箱模型竖向的角钢和最底一层的槽钢焊接在底部的高强度的基础底板12上，试验箱钢框架的槽钢13通过高强螺栓与角钢14固定；基础底板12上设有用于有机玻璃面板15插入的网格状凹槽。

所述的角钢14采用等边角钢14#，高3500mm，槽钢6采用热轧普通槽钢14#b，长5500mm，宽1100mm。高强螺栓采用M16×80mm。

如图3、图4所示，所述地表加载模块2中，一个龙门架包括两个立柱22和一个横梁24，本实施例中包括两个龙门架，立柱22固定于基座11上，加载梁23固定在两个龙门架的横梁24上；本地表加载模块2是利用下部固定于基座底板12建立的竖向自平衡的反力结构。加载梁23的下方设有第一千斤顶21，在第一千斤顶21下方设有加载钢板25，通过加载钢板25将压力传递给土层5进行加压，从而实现对盾构管片30竖向加载。加载梁23可根据试验箱中土层5的高度采用升降螺栓定位孔，解决土层5在有限空间内难以施加压力的难题。

如图5所示为隧道衬砌加固模块3的示意图，盾构管片30由三环管片通过螺栓连接，环与环之间错缝拼接；内部设置有第二千斤顶32、弧形板支撑架33、第一气囊34，所述第一气囊34的外侧为盾构管片30，内侧为弧形板支撑架33；采用第二千斤顶32将弧形板支撑架33上的弧形顶板顶升接触到隧道椭变部位后，第一气囊34加压作用于盾构管片30的上，使椭变的盾构管片30椭变度减小，所述第一气囊34可承受较大内外压；将芳纶纤维布35沿着盾构管片30相邻管片的环缝内表面进行粘贴，起到加固效果。所述弧形板支撑架33、弧形底板38、传载块36均采用Q235普通碳素结构钢。如图所示，3个弧形板支撑架33通过连接钢板31及螺栓固定连接，以防弧形板支撑架33失稳。

芳纶纤维布35作为柔性加固材料，其具有轻质高强、易于施工等优点，加固速度快，在一定程度上起到主动改善隧道横向变形的作用。

所述第一气囊34包括顶部的气囊膨胀面、底部固定于弧形板支撑架33上的弧形顶板上的气囊固定面，所述气囊膨胀面外侧设有压力传感器，能够获取压力传感器的压力值，并以此调节充气装置来控制第一气囊34的压力，提高了第一气囊34压力调节的动态操纵性与灵活性。在弧形顶板两侧设置有挡板，以防气囊侧偏。

为了实现隧道结构在内外压的作用下都能够沿纵向均匀变形，避免纵向不均匀变形的影响，所述弧形板支撑架33及第一气囊34正顶于盾构管片30上，使得压力平均分散于三环管片。当第一气囊34作用到预定压力后，及时沿着盾构管片相邻管片的环缝内表面粘贴芳纶纤维布。

如图3所示，侧方卸载模块4设于外框架的内侧及盾构管片30侧方，所述侧方卸载模块包括多个纵向堆叠的第二气囊6，相邻的第二气囊6设有隔离支撑27，隔离支撑27固定在外框架上，隔离支撑27也用于模拟基坑工程中的支护结构。侧方卸载模块4连接一块薄钢板26，薄钢板26用于隔离土层5与第二气囊6。如图6所示，薄钢板26的土层一侧设有多个纵向放置的土压力盒45。

在模拟基坑开挖之前，通过第二气囊6模拟基坑内部土压力，先对各个第二气囊6加压，充分与薄钢板26接触，使得压力传递到薄钢板26表面，并通过实时调整第二气囊6压力，保证隔离支撑27处于不受薄钢板26的压力的状态。隧道加固稳定之后，通过对侧方卸载模块4的多个分层布设的小型加压的第二气囊6逐个释放气囊压力模拟侧方基坑开挖工况，预置隔离支撑27及预埋钢薄板26开始发挥基坑支护作用。薄钢板26在基坑开挖之后容许出现一定程度的变形，导致隧道围岩压力发生变化，通过薄钢板26在土层一侧的多个纵向放置的土压力盒45测定压力变化情况，观察压力释放情况，从而模拟隧道在侧方开挖的情况下，已加固隧道的承载力情况。

如图6所示，本发明地表超载引起的地层形态变化示意图，加载前地层线41几乎为水平线，变形后地表线42为大V形，加载前由盾构管片30构造的隧道43为圆形，加载后隧道44椭变成椭圆形，在土层5内设置多个土压力盒45，盾构管片30上预置有应变片46；所述应变片46和土压力盒45分别通过导线与位于外部的数据采集仪相连。

一种盾构隧道衬砌的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在主体试验箱结构1下部先铺一层土层至盾构管片30开口处高度，再将多环盾构管片装入主体试验箱结构1内，随后逐层填筑，并夯实，盾构管片30上的土层的厚度超过盾构管片30的洞径；把加载钢板25放置在土层上方；

2)通过地表加载模块2的第一千斤顶21分级施加上部荷载至加载钢板25上，作用力传至土层5中的盾构管片30上，使得盾构管片30发生椭变，并观测土压力盒45和应变片46的变形情况；

3)对地表加载模块2的第一千斤顶21逐级释放压力，监测记录盾构管片30此时的弹性椭变引起的横向椭变恢复程度；

4)采用第二千斤顶32将弧形板支撑架33顶升接触到隧道椭变部位后，加压第一气囊34作用于盾构管片30，同步调整第一气囊34的压力，逐步改善待修复盾构管片30的椭圆度；将粘有环氧树脂的芳纶纤维布35沿着盾构管片30相邻管片的环缝内表面进行粘贴，进行快速修复加固；

5)待环氧树脂胶液凝固后，逐级释放第二千斤顶32压力，撤出隧道衬砌加固模块3，完成盾构管片的修复加固；

6)在侧方卸载模块4中自上而下逐级释放第二气囊6的压力，观测盾构管片30的椭变情况，以及土压力盒45和应变片46的变化情况。

实施例2

如图7所示，与实施例1的主要不同在于，本实施例不包括侧方卸载模块4，薄钢板26的位置与实施例1相同，试验过程中，实施例1的侧方卸载模块4所在的空间直接填充土层，可以直接开挖土层来研究加固隧道的承载力情况。

实施例3

如图8所示，与实施例1的主要不同在于本实施例地表加载模块只包括一个龙门架。

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。

Claims (10)

1.一种盾构隧道衬砌的模型试验装置，包括主体试验箱结构(1)，所述主体试验箱结构包括主要由槽钢(13)和角钢(14)搭接成的外框架，外框架焊接于基础底板(12)上，内部由有机玻璃面板(15)围成长方体结构；其特征在于还包括地表加载模块(2)和隧道衬砌加固模块(3)；

所述地表加载模块包括龙门架，龙门架的底部固定在基础底板(12)上，龙门架的横梁(24)下面设有第一千斤顶(21)，第一千斤顶(21)的下方设有加载钢板(25)，通过第一千斤顶(21)施加压力于加载钢板(25)上，作用力能够传至土层(5)中的盾构管片(30)上，使得盾构管片产生椭变，盾构管片(30)上预制有应变片(46)；

所述隧道衬砌加固模块包括弧形底板(38)、第二千斤顶(32)、弧形板支撑架(33)和第一气囊(34)，弧形底板(38)放置在盾构管片(30)上，弧形底板(38)上依次放置第二千斤顶(32)、弧形板支撑架(33)和第一气囊(34)，第一气囊(34)紧贴盾构管片(30)；所述隧道衬砌加固模块还包括芳纶纤维布(35)，芳纶纤维布(35)粘贴于盾构管片(30)的环缝内表面。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：第二千斤顶(32)与弧形板支撑架(33)之间设有传载块(36)。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：弧形底板(38)上设有千斤顶限位座(37)。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：第二千斤顶(32)是竖直放置的，其作用力方向的延长线通过弧形板支撑架(33)的重心。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：在主体试验箱结构(1)里面设有多个土压力盒(45)。

6.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：还包括侧方卸载模块(4)，所述侧方卸载模块设于外框架的内侧及盾构管片(30)的侧方，所述侧方卸载模块包括多个纵向堆叠的第二气囊(6)，相邻的第二气囊(6)设有隔离支撑(27)，隔离支撑(27)固定在外框架上。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：侧方卸载模块(4)连接一块薄钢板(26)，薄钢板(26)用于隔离土层(5)与第二气囊(6)。

8.根据权利要求7所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置，其特征在于：薄钢板(26)的土层一侧设有多个纵向放置的土压力盒(45)。

9.一种盾构隧道衬砌的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在主体试验箱结构(1)下部先铺一层土层至盾构管片(30)开口处高度，再将多环盾构管片装入主体试验箱结构(1)内，随后逐层填筑，并夯实，盾构管片(30)上的土层的厚度超过盾构管片(30)的洞径；把加载钢板(25)放置在土层上方；

2)通过地表加载模块(2)的第一千斤顶(21)分级施加上部荷载至加载钢板(25)上，作用力传至土层(5)中的盾构管片(30)上，使得盾构管片(30)发生椭变，并观测应变片(46)的变形情况；

3)对地表加载模块(2)的第一千斤顶(21)逐级释放压力，监测记录盾构管片(30)此时的弹性椭变引起的横向椭变恢复程度；

4)采用第二千斤顶(32)将弧形板支撑架(33)顶升接触到隧道椭变部位后，加压第一气囊(34)作用于盾构管片(30)，同步调整第一气囊(34)的压力，逐步改善待修复盾构管片(30)的椭圆度；将粘有环氧树脂的芳纶纤维布(35)沿着盾构管片(30)相邻管片的环缝内表面进行粘贴，进行快速修复加固；

5)待环氧树脂胶液凝固后，逐级释放第二千斤顶(32)压力，撤出隧道衬砌加固模块(3)，完成盾构管片的修复加固。

10.根据权利要求9所述的盾构隧道衬砌的模型试验装置的试验方法，还包括以下步骤：

6)在侧方卸载模块(4)中自上而下逐级释放第二气囊(6)的压力，观测盾构管片(30)的椭变情况，以及应变片(46)和土压力盒(45)的变化情况。

Images