一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置及方法与流程

本发明涉及一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置及方法，属于地下工程模型试验技术领域。

背景技术：

随着我国国民经济的高速发展，城市化进程不断加快，为缓解地面交通，很多城市正在逐步进入地铁建设的高速时期。地铁隧道施工中盾构法是较为常用的方法，而盾构开挖对地层及周边建筑物变形的影响也日益受到关注。

通过试验方法针对盾构隧道施工造成的周边环境不良进行研究，能够得到较为直观的观测结果，限于现场原位测试受地层不均匀性大、施工条件复杂、测试原件埋设困难等因素影响，利用室内模型试验代替原位测试能够得到较理想结果，且可重复进行，达到多工况对比的目的。

目前已有部分模型试验方法用于模拟盾构隧道开挖对地层及建筑物的影响，如采用旋转钻进式机械模拟盾构开挖，但由于模型试验中衬砌圆环难以逐环添加，多采用整体圆管跟进模拟衬砌，从而造成无法进行盾尾注浆，而如果利用小型盾构机进行相关模型试验则造价过于昂贵。在盾尾注浆方面，已有模型试验方法多采用预埋双层套管，在外层套管拔出过程中进行尾部注浆，此法难以精确模拟盾构开挖过程对地层的扰动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置及方法，不仅可以模拟盾构隧道开挖对周围土体的扰动，也可以模拟盾构掘进施工时的盾尾注浆过程。

本发明的技术方案在于：一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置，包括用于装填土体的模型箱，所述模型箱的两侧壁分别开设有圆孔，模型箱内设置有两端分别搭接在圆孔上的实心圆柱，模型箱的一侧设置有插入侧工作台，模型箱的另一侧设置有抽出侧工作台，所述插入侧工作台上设置有用于从模型箱一侧的圆孔穿入模拟箱内的空心隧道圆管，所述空心隧道圆管上套置有内侧面与空心隧道圆管相粘结的橡胶环套，空心隧道圆管内设置有注浆管，所述注浆管的一端穿过空心隧道圆管的侧壁与橡胶环套相连接，另一端与液压控制系统相连接。

进一步地，所述实心圆柱的直径与圆孔相同，且实心圆柱靠近抽出侧工作台一侧的端部穿出圆孔并设置有抽拉把手。

进一步地，所述橡胶环套沿空心隧道圆管的轴向分为若干段，相邻两段橡胶环套之间紧密相连，且每段橡胶环套上分别设置有穿过空心隧道圆管侧壁与液压控制系统相连接的注浆管。

进一步地，所述空心隧道圆管上靠近其插入端的首段橡胶环套的宽度由实际盾构管片宽度按照几何相似比转换所得，且各段橡胶环套的宽度由空心隧道圆管的插入端至空心隧道圆管的另一端逐渐加宽；所述橡胶环套由软橡胶制作而成并为双层环状结构。

进一步地，所述液压控制系统包括浆液室，所述浆液室经浆液泵与出浆管相连接，每段橡胶环套上连接的注浆管分别与出浆管相连接。

进一步地，所述注浆管的一端穿过设置有空心隧道圆管侧壁上的开孔与橡胶环套相连接，注浆管与出浆管相连接的区段上还分别设置有控制阀、压力表和流量表。

进一步地，所述插入侧工作台和抽出侧工作台的下部分别设置有具有脚轮并可升降的移动架，插入侧工作台的台面高度与空心隧道圆管的底部安装高程一致，所述抽出侧工作台的台面高度与实心圆柱抽出后的底面线高度一致。

一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验方法，采用一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置，步骤如下：

1）依照开挖土体特性为实心圆柱选材制作，将制备好的实心圆柱周身均匀涂抹润滑剂放入模型箱内，实心圆柱的两侧段搭接于模型箱两圆孔处且靠近抽出侧工作台的一侧端露出圆孔；

2）调整抽出侧工作台高度，使抽出侧工作台的高度与实心圆柱抽出后的底面线高度一致；

3）向模型箱中填入模拟盾构施工现场环境的土体，并将土体压实、静置；

4）在空心隧道圆管外围的橡胶环套外表面均匀涂抹润滑剂并放置于插入侧工作台上；

5）将插入侧工作台的高度调整至使空心隧道圆管的断面圆心与模型箱插入侧的孔圆圆心大致重合的位置，等待插入土体；

6）拉动实心圆柱，使实心圆柱从模型箱另一侧的圆孔逐步抽离土体，每抽离一步实心圆柱，空心隧道圆管便从模型箱一侧的圆孔插入对应长度，空心隧道圆管停止插入后，由液压控制系统向最新插入段空心隧道圆管外周的橡胶环套内注浆，注浆过程根据空心隧道圆管推进或静止状态分段执行。

进一步地，所述模型箱中的土体材料特性由实际盾构施工环境中土体对应特性按照预定相似比转换所得。

进一步地，所述步骤6）中，实心圆柱每次抽出长度为实际盾构管片宽度按照几何相似比转换后尺寸，抽出速度为按照相似比转换后的实际盾构开挖速度；空心隧道圆管向前插入时减小橡胶环套内液压以便于移动，静止时提高液压模拟注浆填充效果，其中最前端一段橡胶环套随空心隧道圆管向前插入时需排空浆液，静止时便压入浆液模拟盾尾注浆。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1.本发明在进行模拟盾构施工的室内模型试验过程中，不仅可以考虑盾构开挖对土层的扰动，也可以考虑盾尾注浆对土层变形的影响，同时通过对实心圆柱抽出速度及橡胶环套内液压大小的控制，模拟不同开挖速度及注浆量的影响效果；

2.如果在土层内部及上表面设置代表不同建、构筑物的模型，可用来模拟盾构开挖对周边建筑沉降及变形的影响，从而对盾构施工引起的建、构筑物不安全状态起到预警作用；

3.本发明中的试验装置可以重复使用，进而针对具体研究目标修改试验参数，进行多工况对比试验，节约试验成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一；

图2为本发明的结构示意图二；

图3为本发明的实心圆柱的结构示意图；

图4为本发明的空心隧道圆管局部剖视图；

图5为本发明的液压控制系统组成图；

图中：1-模型箱、2-实心圆柱、2a-抽拉把手、3-空心隧道圆管、4-橡胶环套、5-注浆管、6-液压控制系统、7-抽出侧工作台、7a-移动架、8-插入侧工作台、8a-移动架、9-浆液室、10-浆液泵、11-出浆管、12-控制阀、13-压力表、14-流量表。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图5

一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置，包括用于装填土体的模型箱1，所述模型箱的两侧壁分别开设有圆孔，用于试验准备过程中放置实心圆柱，模拟盾构开挖时一侧圆孔用于抽离实心圆柱，另一侧圆孔用于插入空心隧道圆管作为衬砌结构。模型箱内设置有两端分别搭接在圆孔上的实心圆柱2，模型箱的一侧设置有插入侧工作台8，模型箱的另一侧设置有抽出侧工作台7，所述插入侧工作台上设置有用于从模型箱一侧的圆孔穿入模拟箱内的空心隧道圆管3，所述空心隧道圆管上套置有内侧面与空心隧道圆管相粘结的橡胶环套4，空心隧道圆管内设置有注浆管5，所述注浆管的一端穿过空心隧道圆管的侧壁与橡胶环套相连接，另一端与液压控制系统6相连接。

本实施例中，所述实心圆柱的直径与圆孔相同，且实心圆柱靠近抽出侧工作台一侧的端部穿出圆孔并设置有抽拉把手2a，以便抽出实心圆柱。埋设实心圆柱前需在其周身均匀涂抹润滑剂，减小实心圆柱抽离过程中与周围土体的摩擦，从而降低未开挖段土层因过度摩擦导致的试验误差。

本实施例中，所述实心圆柱采用与模型箱内装填的土样（土体）具有近似性质的材料进行制作；实心圆柱放置于模型箱中用于代替被其填充空间的土体，且在模拟盾构开挖过程中可整体抽出；实心圆柱的直径由实际盾构开挖直径按照预定几何相似比转换所得。

本实施例中，基于实际盾构隧道圆环尺寸及材料特性，采用试验方案中拟定的几何及材料相似比，通过控制模型隧道外径、壁厚、长度、材料弹性模量、密度和泊松比等参数制作空心隧道圆管。所述空心隧道圆管的外径、壁厚等几何特性及材料特性由实际盾构隧道圆环对应特性按照预定相似比转换所得，管外径略小于开挖直径。空心隧道圆管的长度需能够填充整个实心圆柱的抽离空间，空心隧道圆管在实心圆柱抽离模型箱的过程中，由一侧圆孔插入模型箱内模拟管片拼装，实现对边开挖边衬砌过程的模拟。

本实施例中，所述橡胶环套由软橡胶制作而成，为双层环状结构，所述橡胶环套依据空心隧道圆管长度沿空心隧道圆管的轴向分为若干段，相邻两段橡胶环套之间紧密相连，且每段橡胶环套上分别设置有穿过空心隧道圆管侧壁与液压控制系统相连接的注浆管，从而实现每段单独注浆。

本实施例中，各段橡胶环套的宽度根据空心隧道圆管的长度具体设定，其中空心隧道圆管上靠近其插入端的首段橡胶环套的宽度由实际盾构管片宽度按照几何相似比转换所得，且各段橡胶环套的宽度由空心隧道圆管的插入端至空心隧道圆管的另一端逐渐加宽。可采用2倍、3倍或4倍于首环宽度的大小，橡胶环套充满液体后的最大厚度由实际盾构开挖半径与盾构隧道圆环外半径差值按照几何相似比转换所得。

本实施例中，在空心隧道圆管插入模型箱之前，于橡胶环套外表面均匀涂抹润滑剂，减小插入过程中橡胶环套与周围土体的摩擦，从而降低因隧道注浆层与土层摩擦导致的试验误差。

本实施例中，所述液压控制系统包括浆液室9，所述浆液室经浆液泵10与出浆管11相连接，每段橡胶环套上连接的注浆管分别与出浆管相连接。所述注浆管的一端穿过设置有空心隧道圆管侧壁上的开孔与橡胶环套相连接，注浆管与出浆管相连接的区段上还分别设置有控制阀12、压力表13和流量表14。通过开启控制阀利用浆液泵把浆液从浆液室泵入各橡胶环套内。液压系统可根据隧道管处于推进或静止两种状态，利用压力表和流量表调节橡胶环套内浆液压力，模拟盾构隧道环外注浆过程。

本实施例中，所述插入侧工作台和抽出侧工作台的下部分别设置有具有脚轮并可升降调节高度的移动架8a、7a，插入侧工作台的台面高度与空心隧道圆管的底部安装高程一致，所述抽出侧工作台的台面高度与实心圆柱抽出后的底面线高度一致，用以给两部件提供支撑，以保证两者顺利抽出及插入。

上述模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验方法，采用一种模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置，步骤如下：

1）依照开挖土体特性为实心圆柱选材制作，将制备好的实心圆柱周身均匀涂抹润滑剂放入模型箱内，实心圆柱的两侧段搭接于模型箱两圆孔处且靠近抽出侧工作台一侧端的抽拉把手露出圆孔；

2）调整抽出侧工作台高度，使抽出侧工作台的高度与实心圆柱抽出后的底面线高度一致；

3）向模型箱中填入模拟盾构施工现场环境的土体，并将土体压实、静置；

4）在空心隧道圆管外围的橡胶环套外表面均匀涂抹润滑剂并放置于插入侧工作台上；

5）将插入侧工作台的高度调整至使空心隧道圆管的断面圆心与模型箱插入侧的孔圆圆心大致重合的位置，等待插入土体；

6）拉动实心圆柱的抽拉把手，使实心圆柱从模型箱另一侧的圆孔逐步抽离土体，每抽离一步实心圆柱，空心隧道圆管便从模型箱一侧的圆孔插入对应长度，空心隧道圆管停止插入后，由液压控制系统向最新插入段空心隧道圆管外周的橡胶环套内注浆，注浆过程根据空心隧道圆管推进或静止状态分段执行，从而模拟盾构隧道环外注浆过程。

本实施例中，所述模型箱中的土体材料特性由实际盾构施工环境中土体对应特性按照预定相似比转换所得。基于所模拟盾构施工现场土体材料特性，采用试验方案中拟定的材料相似比，通过控制试验土体材料的弹性模量、密度和泊松比等参数配制土样。

本实施例中，所述步骤6）中，实心圆柱每次抽出长度为实际盾构管片宽度按照几何相似比转换后尺寸，抽出速度为按照相似比转换后的实际盾构开挖速度；空心隧道圆管向前插入时减小橡胶环套内液压以便于移动，静止时提高液压模拟注浆填充效果，其中最前端一段橡胶环套随空心隧道圆管向前插入时需排空浆液，静止时便压入浆液模拟盾尾注浆。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的模拟盾构隧道开挖注浆施工的抽离式模型试验装置及方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。