一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置和方法与流程

本发明涉及地下工程技术领域，特别涉及一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置和方法。

背景技术：

盾构隧道施工具有掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点。类矩形盾构作为一种较新的盾构形式，具有一定的研究意义。一种新型盾构工法：随着盾构隧道工程技术的发展，单圆盾构隧道受力的不合理性逐渐凸显，因此，拥有较高空间利用率且受力趋于合理的类矩形盾构隧道应运而生。类矩形盾构工法已经在我国宁波地铁3号线工程中得到应用。而在类矩形盾构推进过程中，会引起周围土体地层损失，难免会对周围地下管线及建筑物造成影响。对此，有必要进行深入研究，来协助确保施工过程中的安全。

在研究过程中，现场测试存在很多不确定因素，故大多采用室内缩尺寸模型试验，依据现有资料得出，类矩形盾构机相关的研究实验较少。王海涛等研究隧道开挖对周围管线的影响采用的盾构隧道为套筒模型机，此类盾构机模拟试验存在以下不足：①对于套筒式的简易模型装置很多都忽略了大筒在拔出过程中管筒与土体的摩擦力，造成较多土体溢出从而影响实验结果的准确性；②这种套筒式的模型装置一组管筒尺寸确定一个土体损失，对于盾构施工过程中造成的不同土体损失的研究存在局限性；③针对大型模型试验或现场实验而言，费用远高于本套系统自制的模拟类矩形盾构推进造成地层损失装置。鉴于试验的需要，一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置能更便于研究的进行，获得的试验数据能为将来实际施工提供理论基础。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置，能够分析同一工况下不同土体损失造成的地面沉降，通模型箱试验进行模拟类矩形盾构推进试验，从而探究推进造成的地层损失。本发明的另外一个目的提供一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的方法。

为了实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置，该装置包括室内模型箱单元、类矩形盾构模型装置单元和测试仪器单元，所述的室内模型箱单元包括模型箱，模型箱的前、后两侧分别设置有安装孔，类矩形盾构模型机单元包括外管、内管和钢珠，外管的两端架设在安装孔上，内管穿设在外管内，内管的一端与模型箱后侧相固定，所述的外管的外侧通过润滑油包裹一层pe膜，所述的钢珠设置在外管和内管前端顶部的间隙内；所述的测试仪器单元包括在类矩形盾构模型机上方垂直方向的地层安置一排位移计，位移计用于测试类矩形盾构推进造成的地层沉降，并将获得的数据进行处理，得到沉降曲线。

作为进一步改进，所述的内管的表面设置有多层pe膜或单层或多层tpu膜。

作为进一步改进，所述的模型箱前、后面均由有机玻璃和方钢管组成，有机玻璃设置在方钢管的外侧，左、右面均由钢板和方钢管拼接而成，底面由钢板和方钢管拼接而成。

作为进一步改进，所述的模型箱左、右面一侧钢板设计为可拆卸。

作为进一步改进，所述的外管另一端两侧对称设置便于设置绳索拉出模型机的预留孔洞。

作为进一步改进，所述的类矩形盾构模型机单元内管的一端设计成可与模型箱连接固定，且固定装置可拆卸。

作为进一步改进，所述的外筒外侧标注刻度线。

作为进一步改进，所述的将位移计每隔10cm布置一个，且与隧道垂直与平行处均进行布置。

本发明装置的作用机理是用外管模拟盾构机，内管模拟衬砌管片，将外管抽出的过程模拟盾构机施工的过程，最后土中留下的内管就是整个盾构衬砌隧道。内外管的面积差就是理论上的土体损失率。

类矩形盾构模型机采用套筒形式进行模拟，具有运行方便、操作简单等优点，同时通过外管顶端内侧的钢珠设计和内管表层薄膜的不同层数来模拟类矩形模型盾构机推进造成不同地层损失的目的，通过外管表面的刻度设置和外侧套一层较为光滑的pe膜并涂上润滑油，用规定速率拔出外管并减少与土体的摩擦为隧道施工与设计提供更真实、准确的实验数据，以保证城市类矩形盾构隧道建设的高效与安全。

为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将试验用土置于模型箱中，分层夯实，高度为模型箱开孔下边缘，根据具体情况压缩土体；

第二步：外管表面涂上润滑剂并在外面套上光滑的pe膜。

第三步：从开孔处将外管放置于土体上方，并适当调整外管位置及周围土体；

第四步：将内管制成的盾构隧道模型插入外管内部；

第五步：继续加入试验土至规定高度，并适当压实；

第六步：安装试验测试仪器；

第七步：将内管固定在模型箱，保证类矩形盾构隧道模型与模型箱相对位置不变，以规定速率拉出外管；

第八步：读取试验所测数据并进行分析，绘制曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明装置的创新点一：通过钢珠和薄膜的设置来控制不同土体损失率；

本发明装置的创新点二：外部pe膜以及润滑油的设置能更好地减少在拔出过程中的摩擦力，减少出现土体从开孔处溢出的情况；

本发明装置的创新点三：在外管处通过记号笔标注好刻度，能更好地控制外管拔出时的速率，使得测量结果更准确。

本发明装置的创新点四：通过一定速率的内管拔出，来模拟盾构开挖过程中的不断推进，很好的模型真实情况。

本发明装置采用特制模型箱，采用有机玻璃、方钢管以及钢板拼接组成并且设计为一侧可拆卸，有利于试验的高效进行；

本发明装置的类矩形盾构模型机采用套筒形式，内管模拟类矩形盾构衬砌，外管模拟类矩形盾构机的外壳，通过外管匀速地被拔出，能够有效模型类矩形盾构推进过程中的地层损失状态。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的整体结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例的类矩形盾构模型正视图。

图3是根据本发明一个实施例的试验过程中的侧视图。

图中的具体组成为：模型箱（1）、外管（2）、内管（3）、pe膜(4)、小钢珠（5）、位移计(6)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1所述的一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置，该装置包括室内模型箱单元、类矩形盾构模型装置单元和测试仪器单元，所述的室内模型箱单元包括模型箱1，模型箱1前、后面均由有机玻璃和方钢管组成，有机玻璃设置在方钢管的外侧，左、右面均由钢板和方钢管拼接而成，底面由钢板和方钢管拼接而成。模型箱左、右面一侧钢板设计为可拆卸。模型箱1的前、后两侧分别设置有安装孔，类矩形盾构模型机单元包括外管2、内管3和钢珠5，外管2的两端架设在安装孔上，内管3穿设在外管2内，内管3的一端与模型箱1后侧相固定，所述的内管3的表面设置有多层pe膜或单层tpu膜，所述的外筒2外侧标注刻度线，用于匀速拔出外筒2，使得试验结果更准确。外管2的外侧通过润滑油包裹一层pe膜4，所述的钢珠5设置在外管2和内管3前端顶部的间隙内；所述的测试仪器单元包括在类矩形盾构模型机上方垂直方向的地层安置一排位移计6，将位移计6每隔10cm布置一个，且与隧道垂直与平行处均进行布置。位移计6用于测试类矩形盾构推进造成的地层沉降，并将获得的数据进行处理，得到沉降曲线。外管2另一端两侧对称设置便于设置绳索拉出模型机的预留孔洞。类矩形盾构模型机单元的一端设计成可与模型箱连接固定，且固定装置可拆卸。防止在外管拔出的过程中，内管移位。

本发明为一种模拟类矩形盾构推进造成地层损失的装置，其目的在于类矩形模拟盾构推进过程，从而确定盾构推进过程地表沉降量。试验时具体操作步骤如下：

第一步：将试验用土置于模型箱中，分层夯实，高度为模型箱开孔下边缘，根据具体情况压缩土体；

第二步：外管表面涂上润滑剂并在外面套上光滑的pe膜；

第三步：从开孔处将外管放置于土体上方，并适当调整内管位置及周围土体；

第四步：将内管制成的盾构隧道模型插入外管内部；

第五步：继续加入试验土至规定高度，并适当压实；

第六步：安装试验测试仪器；

第七步：将内管固定在模型箱，保证类矩形盾构隧道模型与模型箱相对位置不变，以规定速率拉出外管；

第八步：读取试验所测数据并进行分析，绘制曲线。

本发明的工作过程和工作原理是：首先根据实验室条件确定模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1:30，然后根据几何相似比，对试验所需内筒和外筒的尺寸和埋深按原型尺寸的1/30进行设计，经计算最大的土体损失率为3.93%；其次对土体参数进行相似设计，具体设计原则如下：

相似土体：

①几何相似比：cl＝30；

②容重相似比：cγ＝1；

③泊松比、摩擦角相似比：cμ=cφ=1；

④弹性模量相似比：ce＝30。

b、外膜的选择与确定

本发明装置中选定在盾构模型最外层套一个表面较为光滑的pe膜并擦上润滑剂，以便于模型机的拔出。在选定过程中，先后选用：①pe膜；②无滴膜-po膜；③tpu橡胶膜；④abs膜分别进行对比实验。试验发现：①pe膜添加润滑剂后可以很好的贴合于盾构模型外层，且随着盾构模型机的拔出，pe膜可以很好的贴合于内层模型且不会出现随模型一起拔出的情况；②无滴膜-po膜添加润滑剂后也可贴合于盾构模型外层，且随着盾构模型机的拔出，无滴膜-po膜可以很好的贴合于内层模型，但相较于pe膜较厚，对比pe膜贴合度又差一点；③tpu橡胶膜添加润滑剂后贴合于盾构机外筒但容易随着外筒的拉出一起运动，适合作为内筒的外膜；④abs膜质地较硬，难以很好的贴合于盾构模型，且随着盾构模型的拉出，abs膜不会随之下沉与盾构机内层模型相贴合，故存在较大空隙影响地层沉降测量的准确性。

综上，本发明装置选择pe膜作为土体和盾构模型之间的媒介。

c、土体的填筑及模型的放置

土体填筑方式为分层填筑，每5cm为一层，并进行夯实，在土体填至模型箱孔洞位置处时，将嵌套好的pe膜4、外管2和内管3放置在模型箱1内，用于模拟盾构机外壳及隧道衬砌，内管3长度贯穿，并与模型箱固定。外管2根据试验要求设定内置长度和外伸长度，保证外管2和内管3的空隙并防止土体进入缝隙；在填筑到一定高度时，在土体上方布设位移计6。

d、类矩形盾构施工造成不同土体损失的模拟设计

本发明通过大筒顶部的钢珠设计以及内筒外壁的薄膜设置来调节不同的土体损失率，达到一套试验装备多组数据的效果。其中钢珠的设置是为了减少在拔出过程中外筒与内筒之间接触面太大产生的摩擦，由于两筒之间的间隙较小，所以会根据内筒加膜的厚度改变钢珠的大小。本发明设计以下试验进行不同土体损失率的计算，由于pe膜较薄，为了更好地调节不同的土体损失率，故选用厚度较大的tpu膜进行内筒厚度的控制：

①初始试验设置3mm钢珠但不设置薄膜，计算土体损失率为3.93%；

②设置3mm钢珠和一层0.5mm的tpu薄膜，计算土体损失率为3.5%；

③设置3mm钢珠和两层0.5mm的tpu薄膜，计算土体损失率为2.89%；

④设置2mm钢珠和四层0.5mm的tpu薄膜，计算土体损失率为1.8%；

⑤设置1mm钢珠和五层0.5mm的tpu薄膜，计算土体损失率为0.8%；

⑥不设置钢珠，设置七层0.5mm的tpu薄膜，计算土体损失率为0.26%。

下对土体损失率①②的计算进行相关说明，其他类同：

类矩形盾构机外筒截面长380mm，宽230mm，厚度1mm，计算面积为a1=72590mm²，类矩形盾构机内筒截面长370mm，宽224mm，厚度4mm，计算面积为a2=69735mm²。

土体损失率为a1-a2/a1=3.93%

加一层膜之后类矩形盾构机内筒截面长371mm，宽225mm，厚度5mm，计算面积为a3=70113mm²

土体损失率为a1-a3/a1=3.5%。

（备注：由于类矩形形状的特殊性，面积通过cad图进行确认）

以上所述实施例仅是为充分说明本发明专利所举的较佳的实施例，本专利的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本专利的基础上所作的等同替代或变换，均在本专利的保护范围之内。本专利的保护范围以权利要求书为准。