免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法

1.本发明属于盾构施工工程技术领域，具体涉及一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法。


背景技术：

2.近年来，城市建设的不断完善，各个城市都开始了兴建地铁的工程建设。城市地铁建设与山岭隧道不同，地层错综复杂，常伴有地下水位和河道影响，在实际施工中一般采用盾构施工的方法进行建设。由于盾构施工工程规模大，会在不同程度上造成土体的扰动，影响地面建筑的安全使用。在实际工程中，现场试验造价昂贵，计算模拟精度和可行度有限，因此常采用室内缩尺试验作为研究地铁盾构影响的手段。然而由于盾构机模型的复杂性，在大缩尺比下，很难进行盾构机的缩尺模拟，其缩尺试验结果精度也有限。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法，能够利用管片的特殊构造，实现盾构施工的缩尺试验，具有结构合理，操作方便，模拟试验精度高，成本低的优点。
4.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
5.一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，包括试验槽1，所述试验槽1顶部后方设有反力架3，试验槽1顶部中间设有测量架2，测量架2与反力架3的横杆底端且垂直于测量架2与反力架3，连接有若干加载杆4，每个加载杆4底部通过吊杆5将多功能管片6悬吊于试验槽1内。
6.所述试验槽1顶部且测量架2前方设有牵引杆7，试验槽1与牵引杆7的同一端设有滑轮组8，滑轮组8上绕有牵引绳9，牵引绳9的一端连接配重块10，牵引绳9的另一端与多功能管片6相连接；测量架2的横杆上设有若干位移计11。
7.所述多功能管片6数量与位移计11数量相等。
8.所述多功能管片6包括外部支撑结构、刚度调节机构和注浆压力机构；
9.所述外部支撑结构包括基础管片12，基础管片12两端中心对称设置有管片连接件13，管片连接件13呈上下布置，管片连接件13外侧且基础管片12两端连接有相互平行的掘进压力片14；
10.所述刚度调节机构包括多根等距分布的刚度调节支撑杆15，刚度调节支撑杆15的一端与基础管片12内壁相连接，刚度调节支撑杆15的另一端与中心轴16相连接，刚度调节支撑杆15中部设有松紧调节螺栓17；
11.所述注浆压力机构包括基础管片12周壁等距设置的多个压力气孔19，平行的掘进压力片14之间且包裹于基础管片12外周设有注浆压力囊18，注浆压力囊18通过多个与压力气孔19相适配的通气管与基础管片12内轴向设置的进气管20一侧相连通，进气管20的另一侧设有电磁阀21，电磁阀21通过信号线穿出多功能管片6对外连接至控制系统。
12.所述若干多功能管片6的进气管20依次相互连通，首尾端多功能管片6的进气管20的游离端对外连接至气压系统。
13.所述刚度调节支撑杆15至少为三个。
14.所述压力气孔19至少为三个，注浆压力囊18采用包括橡胶的柔性材料。
15.所述试验槽1包括外部钢架22及外部钢架22内侧设置的钢化玻璃组成。
16.一种盾构机模型的多功能缩尺盾构模型试验方法，具体包括以下步骤：
17.step1管片预安装：将多功能管片6预先组装好，然后通过吊杆5将多功能管片6固定在外部钢架22上，根据试验设计对注浆压力气囊18加压，使气囊膨胀；
18.step2土应力恢复：将多功能管片6预埋进土体中，同时给多功能管片6施加荷载，补偿土体应力损失，具体如下：
19.按实际土层分布，将原装土体填入试验槽内，使多功能管片6周围均匀受压；利用位移计11测量土体表面沉降，待沉降稳定后释放固定杆5；利用固定杆5上方的位移计11测量多功能管片6沉降；待多功能管片6沉降完全后，按公式1.1计算，给固定杆5加土应力恢复荷载f0：
[0020][0021]
式中
[0022]
d：管片直径
[0023]
ρ：土体密度
[0024]
g：重力加速度
[0025]
h：管片宽度
[0026]
a：应力分布系数；
[0027]
step3第i节多功能管片6掘进：给第i+1节多功能管片6施加纵向荷载，利用滑轮组8模拟掌子面掘进压力；通过模拟分析，计算不同掘进压力片14直径时与真实值的差距，得到最优的掘进压力片14直径，见公式1.2：
[0028][0029]
式中：
[0030]dtunnel
为隧道直径；
[0031]
β为土应力修正系数；
[0032]
step4管片拼装：管片拼装采用预先设置的管片连接件13依次实现自动拼装，原理如下：管片连接件13呈上下在基础管片12两端中心对称布置，单节多功能管片6与其与前后多功能管片6相连；模拟盾构施工前，所有多功能管片6在土应力恢复后被施加以向下的垂向荷载，处于固定状态，开始盾构后，以连续的三节多功能管片6分别标记为a管片、a-管片和b管片，其中a管片被施加与纵向荷载与上一节a-管片，通过预紧力牢靠连接，此时后面一节b管片相当于土体，由于单向支撑的作用不会对a管片产生向下的约束，使b管片能够自由活动；同时拼装b管片时，a管片可以为b管片提供向上的约束，使两者牢靠的连接；
[0033]
step5盾构机荷载：盾构机位于第i节多功能管片6处，第i-n节到第i节外部土层由盾构机外壳承担，将第i-n节到第i节的竖向荷载修改为盾构机自重荷载f
t
，其中n为盾构机所占多功能管片6个数；
[0034]
step6盾尾注浆：第i-n-1节多功能管片6位于盾尾，刚从盾构机内部出来，此时周围土体临空，需要多功能管片6注浆承担和稳定周围土体；释放第i-n-1节注浆压力囊18，模拟周围土体临空情况，注浆压力囊18释放完毕后，再进行注浆压力囊18增压，使注浆压力囊18压力达到注浆压力值；
[0035]
step7设备荷载：当盾构机刀头通过后，盾构刀头后面还有长m节多功能管片6的设备机械，在i-n-m节到i-n-1节多功能管片6将竖向荷载修改为设备荷载fe；
[0036]
step8设备荷载：当盾构机刀头通过后，盾构刀头后面还有长m节多功能管片6的设备机械，在i-n-m节到i-n-1节多功能管片6将竖向荷载修改为设备荷载fe；
[0037]
所述试验中土体采用原位土体，土体密度相似比采用1：1，荷载相似比根据场地土体总重比确定，如下式：
[0038][0039]
式中：
[0040]
α：相似比
[0041]weng
：实际场地重量
[0042]wtes
t：试验土体重量
[0043]veng
：实际场地体积
[0044]vtest
：试验土体体积
[0045]
ρs：土体密度
[0046]
g：重力加速度
[0047]
根据荷载相似比确定试验中的荷载，公式如下
[0048]
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0049]
1、采用本多功能缩尺盾构模型能够避免在盾构试验中构建复杂的盾构机模型，降低实验成本，增加试验可靠性和稳定性。
[0050]
2、本专利采用的多功能盾构管片能够在提前预埋的情况下实现盾构过程中的开挖、掘进、管片拼装、管片注浆等多个功能。相较于传统盾构缩尺试验，其试验成本更低、试验方案更明确、实验结果跟稳定。
[0051]
3、本发明采用的本多功能缩尺盾构模型能够适用于大缩尺比的盾构试验的长距离模拟。
[0052]
综上，所述的本多功能缩尺盾构模型及其试验方法能够适合于盾构下穿河道、复杂地层以及复杂建筑群时的土体稳定性分析及地表变形影响评估，可以作为盾构施工过程中的一种辅助指导试验方案。本发明具有实用性、经济性和创造性。
附图说明
[0053]
图1为本发明的正视图。
[0054]
图2为图1的d-d处的剖面图。
[0055]
图3为本发明的多功能管片6的三维图。
[0056]
图4为本发明的多功能管片6的侧视图。
[0057]
图5为图4的a-a处的剖面图，
[0058]
图6为本发明的多功能管片6的正视图。
[0059]
图7为本发明的多功能管片6的外部支撑结构的三维模型图。
[0060]
图8为本发明的刚度调节机构的三维模型图。
[0061]
图9为本发明的注浆压力机构的三维模型图。
[0062]
图10为本发明的多个多功能管片6拼装的三维模型图。
[0063]
图11为本发明的三维模型图。
[0064]
图12为本发明试验中多功能管片6拼装原理图。
[0065]
图中：1、试验槽；2、测量架；3、反力架；4、加载杆；5、吊杆；6、多功能管片；7、牵引杆；8、滑轮组；9、牵引绳；10、配重块；11、位移计；12、基础管片；13、管片连接件；14、掘进压力片；15、刚度调节支撑杆；16、中心轴；17、松紧调节螺栓；18、注浆压力囊；19、压力气孔；20、进气管；21、电磁阀；22、外部钢架。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0067]
参见图1、图2、图11，一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，包括试验槽1，所述试验槽1顶部后方设有反力架3，试验槽1顶部中间设有测量架2，测量架2与反力架3的横杆底端且垂直于测量架2与反力架3，连接有若干加载杆4，每个加载杆4底部通过吊杆5将多功能管片6悬吊于试验槽1内，每根加载杆4对应一个多功能管片6，通过在加载杆4端部施加荷载，利用杠杆原理施加给多功能管片6，通过改变每根加载杆4上的荷载分布模拟多功能管片6内部盾构机及设备荷载的移动。
[0068]
所述试验槽1顶部且测量架2前方还设有牵引杆7，试验槽1与牵引杆7的同一端设有滑轮组8，滑轮组8上绕有牵引绳9，牵引绳9的一端连接配重块10，以配重块10模拟掘进过程中的掘进压力，牵引绳9的另一端与多功能管片6相连接；测量架2的横杆上设有若干位移计11，利用位移计测量各个管片的沉降。
[0069]
所述多功能管片6及位移计11数量相等。
[0070]
参见图3至图10，所述多功能管片6包括外部支撑结构、刚度调节机构和注浆压力机构；
[0071]
所述外部支撑结构包括基础管片12，基础管片12两端中心对称设置有管片连接件13，管片连接件13呈上下布置，管片连接件13外侧且基础管片12两端连接有相互平行的掘进压力片14；
[0072]
所述刚度调节机构包括多根等距分布的刚度调节支撑杆15，刚度调节支撑杆15的一端与基础管片12内壁相连接，刚度调节支撑杆15的另一端与中心轴16相连接，刚度调节支撑杆15中部设有松紧调节螺栓17，通过松紧调节螺栓给与管片预紧力，以达到实际缩尺比需要的结构刚度；
[0073]
所述注浆压力机构包括基础管片12周壁等距设置的多个压力气孔19，平行的掘进压力片14之间且包裹于基础管片12外周设有注浆压力囊18，注浆压力囊18通过多个与压力气孔19相适配的通气管与基础管片12内轴向设置的进气管20一侧相连通，进气管20的另一侧设有电磁阀21，电磁阀21通过信号线穿出多功能管片6对外连接至控制系统。
[0074]
所述若干多功能管片6的进气管20依次相互连通，首尾端多功能管片6的进气管20
的游离端对外连接至气压系统。
[0075]
所述刚度调节支撑杆15至少为三个。
[0076]
所述压力气孔19至少为三个，确保其压力分布的均匀性。
[0077]
所述注浆压力囊18采用包括橡胶的柔性材料。
[0078]
所述试验槽1包括外部钢架22及外部钢架22内侧设置的钢化玻璃组成。
[0079]
一种盾构机模型的多功能缩尺盾构模型试验方法，具体包括以下步骤：
[0080]
step1管片预安装：将多功能管片6预先拼装，然后通过吊杆5将多功能管片6固定在外部钢架22上，根据试验设计对注浆压力气囊18加压，使气囊膨胀；目的是提前将管片安装到框架上，并利用注浆压力气囊为后期提供盾尾间隙。
[0081]
step2土应力恢复：传统埋管法直接将管片拼装完成后埋入土体中，但是由于管道的存在，会导致埋入管片的的土体应力分布与实际土体分布相差较多。要实现盾构长距离的模拟，需要保证盾构掘进前土体应力分布与实际土体一致。因此将多功能管片6预埋进土体中，同时给多功能管片6施加荷载，将由于管道存在导致的补偿土体应力损失补偿回来，具体如下：
[0082]
按实际土层分布，将原装土体填入试验槽内，使管片周围均匀受压；利用位移计测量土体表面沉降，待沉降稳定后释放固定杆5；利用固定杆5上方的位移计11测量多功能管片6沉降；待多功能管片6沉降完全后，给固定杆5加土应力恢复荷载f0；目的是在管片提前埋入土体中后，给管片施加竖向压力使土体恢复到原始状态。
[0083]
公式如下：
[0084][0085]
式中
[0086]
d：管片直径
[0087]
ρ：土体密度
[0088]
g：重力加速度
[0089]
h：管片宽度
[0090]
α：应力分布系数，根据计算结果，当α取2.0时，应力分布能够基本上恢复到原始土层的应力分布；
[0091]
step3第i节管片掘进：给第i+1节管片施加纵向荷载，利用滑轮组8模拟掌子面掘进压力；通过模拟分析，计算了不同掘进片直径时与真实值的差距，最终得到了最优的掘进压力片直径，公式如下
[0092][0093]
式中：
[0094]dtunnel
为隧道直径
[0095]
β为土应力修正系数，当β取0.85时，取得最优结果，即与真实掌子面加载结果最接近。
[0096]
step4管片拼装：管片拼装采用预先设置的管片连接件13依次实现自动拼装，原理如下：管片连接件13呈上下在基础管片12两端中心对称布置，单节多功能管片6与其与前后多功能管片6相连；模拟盾构施工前，所有多功能管片6在土应力恢复后被施加以向下的垂
向荷载，处于固定状态，开始盾构后，以连续的三节多功能管片6分别标记为a管片、a-管片和b管片，其中a管片被施加与纵向荷载与上一节a-管片，通过预紧力牢靠连接，此时后面一节b管片相当于土体，由于单向支撑的作用不会对a管片产生向下的约束，使b管片能够自由活动；同时拼装b管片时，a管片可以为b管片提供向上的约束，使两者牢靠的连接；参见图12；
[0097]
step5盾构机荷载：盾构机位于第i节多功能管片6处，第i-n节到第i节外部土层由盾构机外壳承担，将第i-n节到第i节的竖向荷载修改为盾构机自重荷载f
t
，其中n为盾构机所占多功能管片6个数；
[0098]
step6盾尾注浆：第i-n-1节多功能管片6位于盾尾，刚从盾构机内部出来，此时周围土体临空，需要多功能管片6注浆承担和稳定周围土体；释放第i-n-1节注浆压力囊18，模拟周围土体临空情况，注浆压力囊18释放完毕后，再进行注浆压力囊18增压，使注浆压力囊18压力达到注浆压力值；
[0099]
step7设备荷载：当盾构机刀头通过后，盾构刀头后面还有长m节多功能管片6的设备机械，在i-n-m节到i-n-1节多功能管片6将竖向荷载修改为设备荷载fe；
[0100]
step8施工结束：对于i-n-m后面的多功能管片6，施工已经完成，在i-n-m节多功能管片6撤去设备荷载fe，修改为多功能管片6自重荷载fq。
[0101]
所述试验中土体采用原位土体，土体密度相似比采用1：1，荷载相似比根据场地土体总重比确定，如下式：
[0102][0103]
式中：
[0104]
α：相似比
[0105]weng
：实际场地重量
[0106]wtest
：试验土体重量
[0107]veng
：实际场地体积
[0108]vtest
：试验土体体积
[0109]
ρs：土体密度
[0110]
g：重力加速度
[0111]
根据荷载相似比确定试验中的荷载，公式如下
[0112]
本发明的工作原理为：
[0113]
参见图1，在试验槽1内，将多功能管片6通过吊杆5与加载杆4底部连接，多功能管片6两端设置的前后反对称布置的管片连接件13，若干多功能管片6之间通过管片连接件13首尾相连接，确保连接的多功能管片6整体在掘进面往前的断开和掘进面往后的连接。
[0114]
参见图4、图5，对多功能管片6施加环向预紧力：通过刚度调节支撑杆15中部设置的松紧调节螺栓17，调节刚度调节支撑杆15长度，从而施加给外部基础管片12以预紧力。
[0115]
纵向预应力施加：通过对已拼装的多功能管片6施加轴向预紧力，确保若干多功能管片6之间连接可靠。
[0116]
参见图1、2，掘进压力施加：每个多功能管片6的基础管片12两端设置掘进压力片14，注浆压力囊18位于平行的掘进压力片14之间且包裹于基础管片12外周，在未注浆前与
多功能管片6外壁贴合，土体与掘进压力片14形成剪切作用，提供盾构施工时，掘进压力片14通过滑轮组8、牵引绳9与配重块10配合，施加需要的掘进压力。
[0117]
参见图1、2、5，轴向预紧力和掘进压力均为纵向荷载，二者均作用于中心轴16，方向相反，作用时间不同；未掘进环施加掘进压力，已掘进环施加轴向预紧力，每当掘进至一环时，撤销其掘进压力施加轴向预应力。
[0118]
参见图4、5，注浆压力的施加环向荷载：注浆压力囊18作用于土体与多功能管片6之间，注浆压力囊18由高弹性材料制成，每片多功能管片6通过基础管片12周壁等距设置的多个压力气孔19与进气管20相连，确保注浆压力囊18鼓起的均匀性；每个压力气孔19有一个电磁阀21控制，电磁阀21通过多功能管片6外部的控制系统统一控制；进气管20与外部空气压缩机相连，通过控制压缩机空气压强，控制注浆压力囊18的压力。
[0119]
参见图1、11，多功能管片6内部盾构机及设备荷载的移动：多功能管片6上方设置了加载杆4，每根加载杆4对应一个多功能管片6，利用杠杆原理，通过重物为多功能管片6提供垂向的荷载，包括土应力恢复荷载、盾构机设备重力、附加设备重力、管片重力，通过改变每根加载杆4上的荷载分布模拟多功能管片6内部盾构机及设备荷载的移动，其数据通过位移计11，测量多功能管片6的位移，还可通过在土体表面设置千分表测量土体表面的沉降。
[0120]
纵向荷载的施加通过管片内部支撑系统中心的中心轴施加。