CN213337606U - 一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，该试验装置包括模型试验槽、盾构管片模型、隧道开挖装置、传动系统、可调节支架系统、始发台座、同步注浆系统、监测量控系统，其中隧道开挖装置由前端带刃口的钢套筒、旋转切削刀具、钢隔板组成，可调节支架系统包括扶壁式支架、钢桁架基座、L型转动板、转轴、千斤顶。本实用新型首次通过可调节支架系统与传动系统的协同作用，结合简易的隧道开挖装置模拟了具有一定坡率的地面出入式盾构隧道开挖过程，更加贴近工程实际，通过设置不同开挖坡率与注浆量的试验工况组合，来研究地面出入式盾构隧道的管片结构力学性能、土体应力释放规律以及地层变形机理，实现指导设计和施工。

Description

一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置

技术领域

本实用新型涉及隧道工程室内模型试验技术领域，具体涉及一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置。

背景技术

盾构法具有对周边环境影响小、自动化程度高、施工进度快等优势，目前已成为我国主流的隧道暗挖施工方法，并广泛应用于城市轨道交通工程、市政隧道工程、地下管线工程的建设之中。然而，传统的盾构法需要明挖修建工作井以及其浅覆土侧的接线隧道，不仅人力、物力成本较高，而且要解决地面交通疏解、建筑物拆迁、地下管线改迁等一系列社会问题。

近年来，随着盾构法技术创新的不断深入，日本工程师首次提出了地面出入式盾构法新技术，实现了浅覆土、负覆土盾构施工替代工作井及其接线隧道明挖施工。由于该技术具有无需工作井盾构机可直接出入地面的特点，应用前景广阔，目前已在日本多个地下道路工程中进行应用，并在我国南京机场线秣陵站至将军站区间开展了初次工程实践。

从现有的技术发展水平而言，地面出入式盾构隧道施工过程中的管片结构力学性能、土体应力释放规律以及地层变形机理仍处于试验探索阶段，在城市密集区使用该技术的安全性无法得到准确评估。在实际工程应用受限的情况下，有必要开展系统的模型试验来模拟地面出入式盾构隧道的开挖过程，加深对该技术变形控制理论的认识。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型目的在于提供一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，满足研究不同开挖坡率和注浆量组合下的盾构施工对管片自身应力和周边土体变形影响规律的要求。

为解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案实现：

一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，包括模型试验槽以及穿过模型试验槽并具有一定长度的盾构管片模型，还包括：

隧道开挖装置，设置于所述盾构管片模型的掘进端，包括前端带刃口的钢套筒、固设于钢套筒端口处的旋转切削刀具、固设于钢套筒中部的钢隔板、设置于钢套筒后端的注浆孔；

可调节支架系统，布置于所述模型试验槽的外侧，包括钢桁架基座、与钢桁架基座固定连接的扶壁式支架、与扶壁式支架转动连接且位于钢桁架基座上方的L型转动板、带动L型转动板转动的千斤顶；

传动系统，布置于所述可调节支架系统的上方，包括穿过盾构管片模型并与钢隔板中心连接的螺纹空心管、分别与钢隔板和L型转动板连接的电动推杆；

同步注浆系统，所述同步注浆系统包括储浆罐、穿过盾构管片模型内部并与注浆孔相连的输浆管，可调节注浆量；

监测量控系统，用于监测模型试验槽内土样的沉降变形及管片的变形。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述同步注浆系统还包括空气压缩机、输气管和调压阀，所述空气压缩机通过装有调压阀的输气管与储浆罐相连。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述注浆孔包括两个上部注浆孔和两个下部注浆孔，注浆孔和钢套筒中心的连线与竖向轴线的夹角均为45°。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述储浆罐分为左右对称的两个半圆柱体密封空腔，分别与上部注浆孔和下部注浆孔相连接，并配备独立的空气压缩机和调压阀。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述监测量控系统包括LVDT位移传感器、光纤光栅位移传感器、土压力盒、应变片，所述LVDT位移传感器布置在模型试验槽顶部，所述光纤光栅位移传感器沿竖向布置在盾构管片模型两侧，所述土压力盒布置在盾构管片模型四周，所述应变片粘贴在盾构管片模型内侧。

作为本实用新型的一种优选技术方案，还包括放置在模型试验槽外侧的始发台座，所述始发台座为内弧形壳体结构，所述始发台座的内弧面与隧道开挖装置的外弧面贴合。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述盾构管片模型由多个盾构管片单元拼接而成，所述每个盾构管片单元由四块圆心角为67.5°的衬砌结构和一块圆心角为22.5°的衬砌结构拼接而成。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述模型试验槽在垂直于隧道开挖方向的一个侧面板预留孔洞，作为隧道的始发口。

作为本实用新型的一种优选技术方案，在模型试验槽内侧、孔洞下方对称焊接两个U型卡槽，U型卡槽内放置一块覆盖孔洞的挡土板，挡土板上方设有吊钩。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述传动系统还包括交流电机与变速器，用于控制螺纹空心管向前传动。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型首次通过可调节支架系统与传动系统的协同作用，模拟了具有一定坡率的地面出入式盾构隧道开挖过程，替代了原有在水平盾构隧道上方设置不同厚度填土的方法，更加贴近工程实际；利用简易的隧道开挖装置模拟了盾构机逐环开挖的循环过程，通过在不同开挖坡率、不同注浆量的工况组合下设置多个监测断面，研究地面出入式盾构隧道的管片结构力学性能、土体应力释放规律以及地层变形机理，进而优化盾构施工参数，指导实际地面出入式盾构隧道的设计与施工。

附图说明

图1是本实用新型中试验装置的正视图；

图2是本实用新型中试验装置的俯视图；

图3是本实用新型中试验装置的侧视图(试验开始前)；

图4是本实用新型中试验装置的侧视图(试验进行中)；

图5是图1中盾构管片模型的局部放大图；

图6是本实用新型中同步注浆系统的示意图。

图中：1.模型试验槽、2.孔洞、3.盾构管片模型、4.凹凸榫、5.隧道开挖装置、51.钢套筒、52.旋转切削刀具、53.钢隔板、54.排土孔、55.注浆孔、551.上部注浆孔、552.下部注浆孔、6.交流电机、7.变速器、8.螺纹空心管、9.电动推杆、10.可调节支架系统、101.扶壁式支架、102.钢桁架基座、103.L型转动板、104.转轴、105.千斤顶、11.始发台座、12.挡土板、13.U型卡槽、14.LVDT位移传感器、15.光纤光栅位移传感器、16.土压力盒、17.应变片、18.空气压缩机、19.储浆罐、20.输气管、21.调压阀、22.输浆管。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

为了给地面出入式盾构隧道的现场施工提供理论指导和实验依据，本实施例提出一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置。根据附图1～附图4，本实施例中，一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，由模型试验槽1、盾构管片模型3、隧道开挖装置4、传动系统、可调节支架系统10、始发台座11、同步注浆系统、监测量控系统组成。

模型试验槽1通过钢板整体焊接加工成无盖长方形箱体，箱体的四个侧面板采用横向刚肋和竖向钢肋进行加固；选取模型试验槽1的长边方向作为地面出入式盾构隧道的开挖方向，并在垂直于隧道开挖方向的一个侧面板中央预留圆形孔洞2，作为隧道的始发口；圆形孔洞2的直径控制在盾构管片模型3外径的1.15～1.20倍，保证隧道开挖装置5在不同的倾斜角度下能够顺利通过圆形孔洞2；根据附图3，在模型试验槽1内侧、圆形孔洞2下方对称焊接两个U型卡槽13，U型卡槽13内放置一块可以覆盖圆形孔洞2的挡土板12，在填筑土样时防止土样漏出模型试验槽1；挡土板12上方设有吊钩，方便在隧道开挖装置5进入模型试验槽1前吊出。

盾构管片模型3按照隧道开挖坡率在模型试验槽1内部进行拼装，根据刚度相似原则，盾构管片模型3应为由水泥石膏材料制备的、内嵌钢丝网的弧形结构；所述盾构管片模型3具有一定长度，并由多个盾构管片单元通过凹凸榫4拼接而成。根据附图5，所述每个盾构管片单元由四块圆心角为67.5°的衬砌结构和一块圆心角为22.5°的衬砌结构通过凹凸榫4拼接而成，并采用通缝拼接的方式沿纵向形成整体隧道结构。

隧道开挖装置5设置在盾构管片模型3的前方，由前端带刃口的钢套筒51、旋转切削刀具52、钢隔板53组成；钢套筒51外径为盾构管片模型3外径的1.05～1.10倍，使得盾构管片模型3能够在钢套筒51内部进行拼装；旋转切削刀具52固定在钢套筒51的端口部位，用于开挖前方土样，钢隔板53焊接在钢套筒的中间位置，从而在钢套筒51的前半部空间内形成密封土舱，保证开挖面稳定；在钢隔板53的竖向轴线下方设有排土孔54，用于卸除旋转切削刀具52开挖的土样，在钢套筒51的后端1/3位置处设有注浆孔55，用于向周边土体注浆；根据附图6，注浆孔55分为两个上部注浆孔551和两个下部注浆孔552，注浆孔55和钢套筒51中心的连线与竖向轴线的夹角均为45°。

传动系统包括依次相连的交流电机6、变速器7、螺纹空心管8以及电动推杆9两部分；交流电机6通过变速器7来控制螺纹空心管8向前传动，螺纹空心管8穿过模型试验槽1的圆形孔洞2，连接到钢隔板53中心；电动推杆9垂直固定在钢隔板53和可调节支架系统10的L型转动板103的垂直板上，保证电动推杆9伸长时可分别顶推首尾两环的盾构管片模型3，进而电动推杆9向钢隔板53传递顶推反力，与螺纹空心管8的传动力共同推动隧道开挖装置5在模型试验槽1中缓慢前移；分别在钢隔板53和L型转动板103上设置五个电动推杆9，电动推杆9的位置对应于盾构管片模型3投影位置的中心。

可调节支架系统10布置在模型试验槽1的圆形孔洞2一侧，由扶壁式支架101、钢桁架基座102、L型转动板103、转轴104、千斤顶105组成，可为隧道开挖装置5和盾构管片模型3提供支撑；扶壁式支架101与钢桁架基座102焊接固定；L型转动板103设置在钢桁架基座102的上方，并通过转轴104与扶壁式支架101连接，L型转动板103应设置加强腋角增强转角处的刚度；交流电机6和变速器7通过螺栓固定在L型转动板103的水平板上表面，扶壁式支架101和L型转动板103的垂直板均应设有可供螺纹空心管8穿过的小孔；千斤顶105支撑在钢桁架基座102和L型转动板103的水平板之间，通过千斤顶105调节L型转动板103的倾斜角度，实现对螺纹空心管8传动坡率的控制。

始发台座11为采用钢板制成的内弧形壳体结构，紧贴模型试验槽1的侧面板外侧，放置在圆形孔洞2的下方；始发台座11的内弧面与隧道开挖装置5的外弧面贴合，用于在试验开始阶段临时支承隧道开挖装置5。

根据附图6，同步注浆系统由依次相连的空气压缩机18、输气管20、调压阀21、储浆罐19和输浆管22组成，输浆管22穿过盾构管片模型3内部与注浆孔55相连，输气管20通过调压阀21与空气压缩机18相连，空气压缩机18与调压阀21用于提供恒定的注浆压力；储浆罐19内利用密封隔板分割为左右对称的两个半圆柱体空腔，分别存储预先配置的浆液，左半圆柱体空腔接入上部注浆孔551，右半圆柱体空腔接入下部注浆孔552，同时配备两套空气压缩机18和调压阀21，用于独立控制左、右圆柱体空腔内的注浆过程；

根据附图4，监测量控系统包括LVDT位移传感器14、光纤光栅位移传感器15、土压力盒16、应变片17；LVDT位移传感器14布置在模型试验槽顶部，用于测量土样表层的沉降，光纤光栅位移传感器15沿竖向布置在盾构管片模型两侧，用于测量不同深度的土样变形，土压力盒16布置在盾构管片模型3四周，用于记录隧道周围土样应力场的变化历程，应变片17粘贴在盾构管片模型3内侧，用于监测不同覆土厚度下的管片变形。

本实施例还提出一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：清理模型试验槽1，将挡土板12放置在U型卡槽13上；采用砂雨法分层填筑土样，根据试验设计的土样相对密实度确定土样落距，每层土样填筑完毕后进行整平；

步骤2：对传感器精度进行校准之后，根据试验设计的传感器布置方案，在土样填筑的过程中埋设光纤光栅位移传感器15和土压力盒16，当土样填筑至试验设计高度后安装LVDT位移传感器14，同时提前在盾构管片模型内侧粘贴应变片17；将LVDT位移传感器14、光纤光栅位移传感器15、土压力盒16、应变片17布置在同一个监测断面内，按照等间距原则沿隧道开挖方向布置监测断面，分别对应为不同隧道覆土厚度的试验装置断面；

步骤3：架设可调节支架系统10和始发台座11，在L型转动板103上方采用螺栓固定安装交流电机6、变速器7和螺纹空心管8；采用千斤顶105调节L型转动板103的倾斜角度，达到试验设计的地面出入式盾构隧道开挖坡率；

步骤4：将隧道开挖装置5摆放在始发台座11上，采用盾构管片模型3在钢套筒51后端拼装第一环隧道衬砌结构；在钢隔板53和L型转动板103的指定位置处安装电动推杆9，同时将隧道开挖装置5与螺纹空心管8和输浆管22进行连接，输浆管22内表面应预先涂刷一道不沾涂层，防止试验过程中浆液凝固堵塞输浆管22；调试交流电机6、变速器7、旋转切削刀具52、电动推杆9和同步注浆系统，伸长电动推杆9至第一环隧道衬砌结构，防止盾构隧道管片3从钢套筒51中滑落；

步骤5：采用密封胶条填充所述模型试验槽1的圆形孔洞2和隧道开挖装置5之间的空隙，向上吊起挡土板12至模型试验槽1外；

步骤6：启动传动系统和旋转切削刀具52，匀速控制隧道开挖装置5按照试验设计坡率向前移动，固定在钢隔板53上的电动推杆9的伸长速度与螺纹空心管8的传动速度应保持一致，速度控制在0.01mm/s～0.02mm/s之间；从排土孔54中取出切削下来的土样，当隧道开挖装置5移动至1倍盾构管片模型3宽度的距离时关闭传动系统和旋转切削刀具52；

步骤7：启动同步注浆系统，按照试验设计的注浆压力和注浆量，通过上部注浆孔551和下部注浆孔552分别向隧道开挖装置5外侧的土样注入制备好的浆液；

步骤8：读取并记录传感器返回的土体变形、土体应力和盾构管片模型应力数据，缩回钢隔板53上的电动推杆9，将新的盾构管片模型3移入钢套筒51内，拼装下一环隧道衬砌结构；

步骤9：重复步骤6至步骤8，直至隧道开挖装置5的上半部分露出土样表面；

步骤10：改变隧道开挖装置5的倾斜角度，调整注浆量，重复步骤1至步骤8，探究不同试验条件下地面出入式盾构隧道开挖对周边土体和隧道衬砌结构力学性状的影响规律。

综上所述，本实用新型首次通过可调节支架系统与传动系统的协同作用，模拟了具有一定坡率的地面出入式盾构隧道开挖过程，替代了原有在水平盾构隧道上方设置不同厚度填土的方法，更加贴近工程实际；通过改变地面出入式盾构隧道开挖坡率和同步注浆量，在多种工况组合下测量不同隧道覆土厚度处的土体变形及管片应变发展历程，通过大量监测数据的对比分析，获取地面出入式盾构隧道的管片结构力学性能、土体应力释放规律以及地层变形机理，进而优化盾构施工参数，指导实际地面出入式盾构隧道的设计与施工。

依据本实用新型的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本实用新型的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，并且能够产生本实用新型所记载的积极效果。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于，包括模型试验槽以及穿过模型试验槽并具有一定长度的盾构管片模型，还包括：

隧道开挖装置，设置于所述盾构管片模型的掘进端，包括前端带刃口的钢套筒、固设于钢套筒端口处的旋转切削刀具、固设于钢套筒中部的钢隔板、设置于钢套筒后端的注浆孔；

可调节支架系统，布置于所述模型试验槽的外侧，包括钢桁架基座、与钢桁架基座固定连接的扶壁式支架、与扶壁式支架转动连接且位于钢桁架基座上方的L型转动板、带动L型转动板转动的千斤顶；

传动系统，布置于所述可调节支架系统的上方，包括穿过盾构管片模型并与钢隔板中心连接的螺纹空心管、分别与钢隔板和L型转动板连接的电动推杆；

同步注浆系统，所述同步注浆系统包括储浆罐、穿过盾构管片模型内部并与注浆孔相连的输浆管，可调节注浆量；

监测量控系统，用于监测模型试验槽内土样的沉降变形及管片的变形。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述同步注浆系统还包括空气压缩机、输气管和调压阀，所述空气压缩机通过装有调压阀的输气管与储浆罐相连。

3.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述注浆孔包括两个上部注浆孔和两个下部注浆孔，注浆孔和钢套筒中心的连线与竖向轴线的夹角均为45°。

4.根据权利要求3所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述储浆罐分为左右对称的两个半圆柱体密封空腔，分别与上部注浆孔和下部注浆孔相连接，并配备独立的空气压缩机和调压阀。

5.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述监测量控系统包括LVDT位移传感器、光纤光栅位移传感器、土压力盒、应变片，所述LVDT位移传感器布置在模型试验槽顶部，所述光纤光栅位移传感器沿竖向布置在盾构管片模型两侧，所述土压力盒布置在盾构管片模型四周，所述应变片粘贴在盾构管片模型内侧。

6.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：还包括放置在模型试验槽外侧的始发台座，所述始发台座为内弧形壳体结构，所述始发台座的内弧面与隧道开挖装置的外弧面贴合。

7.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述盾构管片模型由多个盾构管片单元拼接而成，所述每个盾构管片单元由四块圆心角为67.5°的衬砌结构和一块圆心角为22.5°的衬砌结构拼接而成。

8.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述模型试验槽在垂直于隧道开挖方向的一个侧面板预留孔洞，作为隧道的始发口。

9.根据权利要求8所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：在模型试验槽内侧、孔洞下方对称焊接两个U型卡槽，U型卡槽内放置一块覆盖孔洞的挡土板，挡土板上方设有吊钩。

10.根据权利要求1所述的一种模拟地面出入式盾构隧道开挖的试验装置，其特征在于：所述传动系统还包括交流电机与变速器，用于控制螺纹空心管向前传动。

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