一种地铁盾构施工扰动模型试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及了一种地铁盾构施工扰动模型试验装置及其试验方法，属于地下建筑工程技术领域，用于地铁盾构施工扰动室内模拟试验研究。

背景技术：

盾构法施工过程中，随着盾构机不断掘进管片也在盾尾不断安装，由于管片外径小于盾壳外径，盾尾空隙不断产生。由于隧道周围软粘土自稳能力差，盾尾空隙若不能及时填充会导致周围地层坍塌变形。其中注浆压力、注浆量等注浆参数控制技术是关键。注浆压力和注浆量过小，不能满足填充盾尾空隙的要求，将导致隧道周边土体主动破坏，土体出现坍塌变形；变形过大，又会造成土体的被动挤压破坏和浆液的浪费。因此，了解地铁盾构施工扰动的机理至关重要。

现场原位试验具有检测成本高、人工投入大、测量周期长、现场条件复杂、土体不均匀性大、施工参数不稳定等特点，现场试验得到的数据离散性较大。模型试验是一种科学研究的重要手段，对与隧道工程相关的地层位移等研究非常有帮助。相较于现场原位试验，模型试验有模型地基密度、均匀性可控，边界条件可控、施工参数精确可控、响应可实时监测等优点。模型试验可以严格控制各种无关变量的影响，同时可以设定各种试验工况。此外，模型试验试验周期短、成本低，便于进行大量的试验，获得大量数据，适合于对扰动原理的研究。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供了一种地铁盾构施工扰动模型试验装置及其试验方法，能模拟盾构掘进过程中对土体产生扰动的过程，可模拟不同掘进速度与不同注浆压力等工况，为盾构施工扰动机理研究提供一个平台。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一、一种地铁盾构施工扰动模型试验装置：

装置包括用于容置土体的模型槽、模拟掘进系统、注浆系统和监测系统，模型槽装有内用于模拟地铁盾构施工环境的土体，土体内装有模拟掘进系统，注浆系统连接模拟掘进系统控制注浆，监测系统安装于模型槽的土体，用于采集土体试验扰动前后的参数。

所述的模拟掘进系统包括水平置于模型槽中的模拟盾壳和模拟衬砌、填充在模型槽中的模型土体以及置于模型槽外的模拟盾构推进器，模拟盾壳采用无缝不锈钢管作为外管，模拟衬砌采用不锈钢管作为内管，模拟盾壳从模型槽一侧的侧壁孔穿入安装，模拟衬砌从模型槽另一侧的侧壁孔穿入安装，模拟盾壳套在模拟衬砌外，模拟盾壳和模拟衬砌之间的间隙中沿轴向间隔设有多根注浆管，注浆管沿模拟盾壳轴向布置，注浆管连接注浆系统，模拟盾构推进器连接模拟盾壳位于模型槽外的一端，通过其电动电机运行带动模拟盾壳向外推动。

所述模型槽是一个一侧带有观测功能有机玻璃档板的长方形钢框架结构，在短边侧壁上开圆形口安装模拟掘进系统。

所述的注浆管外端连接注浆系统，注浆管内端延伸到模拟盾壳位于模型槽内端部的边缘，并在模拟盾壳位于模型槽内的端部边缘的内侧壁与模拟衬砌外侧壁之间设有管密封圈，管密封圈上开有用于注浆管穿出的槽，注浆管内端延伸到槽口把浆料注到模拟衬砌周围的盾尾空隙中。

所述的注浆管和管密封圈均固定在模拟盾壳的内侧壁。

所述的模拟衬砌位于模型槽外的一端设有凸缘，模拟衬砌通过凸缘轴向限位在模型槽侧壁。

所述的模拟盾壳与模型槽的侧壁孔之间设有用于密封的槽密封圈。

所述的注浆系统包括储浆桶、流量计、压力计、注浆泵和主送浆管，储浆桶与注浆泵的输入端连接，注浆泵的输出端经主送浆管与注浆管连接，注浆泵上设有流量计和压力计，主送浆管内设置有控制开闭的球阀。

所述的监测系统包括安装在土体中的百分表、压电弯曲元、土压盒、孔压计、微型测斜仪、微型十字板和微型触探。

二、一种地铁盾构施工扰动模型试验方法，包括如下步骤：

1)采用所述装置，向模型槽中填入作为模拟地铁盾构施工环境的模型土体，然后依次压实、加水后静置；

2)将模拟盾壳和模拟衬砌穿过模型槽完全套接后埋在模型土体中，再填入模型土体并填实，使模拟盾壳和模拟衬砌均与模型土体紧密接触，继续填入模型土体到预设高度，填土时埋置监测系统；

3)调制浆液并置于注浆系统的储浆桶内，按照模拟工况盾构速度缓慢水平抽出模拟盾壳，抽出模拟盾壳的同时通过注浆泵注入浆液到模拟衬砌周围；

4)在抽出模拟盾壳过程中通过监测系统采集监测数据；

5)在模拟盾壳完全抽出模型槽后停止注浆，从模型土体中取出监测系统，将模型土体取出后沿垂直于模拟盾壳轴向的平面在模型土体中部截断，通过观察土体截断面获得浆液在土体中扩散范围的试验结果。

所述的模型土体与地铁盾构施工环境的土体相同。

所述浆液的调制，严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间对应的相似比进行换算，利用旋转粘度计配制复核相似比要求的模型浆液；模型浆液的主要原料为石灰、粉煤灰、中细砂、膨胀土、添加剂、水。

所述步骤3)中通过控制电动电机的传动齿轮比的变化，实现不同盾构掘进速度下的施工扰动试验；通过计量泵活塞位移控制，实现不同注浆量下的施工扰动试验。

本发明的有益效果是：

1.本发明中使用的试验装置均可以重复使用，而且一次实验周期约为一周左右。因此，可以通过控制注浆压力和注浆量的不同，以较小的成本反复模拟不同工况下的同步注浆工艺。

2.一个周期可以进行多个施工段，每个施工段中可以实时监测土压、孔压、地表沉降、剪切波速、测斜、土体密度、土体强度等施工参数，测定数据较为全面，可以完成对地铁盾构施工扰动物理模拟的全过程监测。

3.在大量试验数据的基础上，系统详细的研究地铁盾构施工中注浆工艺对周围土体扰动影响的机制和原理，并探究扰动范围与地表沉降量的同注浆工艺的一般规律。进而研究、验证现有的注浆抬升技术，为实际施工提供参考，并提出改进方案。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为监测断面布置示意图；

图3为本实施实例B处盾尾空隙局部放大示意图；

图4为本实施实例C处局部放大示意图；

图5为本实施实例D处局部放大示意图；

图6为本实施实例监测断面布置示意图；

图中：模型槽1、模拟盾壳2、注浆管3、模型土体4、模拟衬砌5、储浆桶6、流量计7、压力计8、注浆泵9、主送浆管10、模拟盾构推进器11、监测系统12、盾尾空隙13、百分表14、压电弯曲元15、土压盒16、孔压计17、微型测斜仪18、微型十字板19、微型触探20、管密封圈21、槽密封圈22。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括用于容置土体的模型槽1、模拟掘进系统、注浆系统和监测系统12，模型槽1装有内用于模拟地铁盾构施工环境的土体，土体内装有模拟掘进系统，注浆系统连接模拟掘进系统控制注浆，监测系统12安装于模型槽1的土体采集试验数据。

模拟掘进系统包括水平置于模型槽1中的模拟盾壳2和模拟衬砌5、填充在模型槽1中的模型土体4以及置于模型槽1外的模拟盾构推进器11，模拟盾壳用于模拟实际地铁施工的盾构机，模拟盾壳2采用无缝不锈钢管作为外管，模拟衬砌5采用不锈钢管作为内管，模拟盾壳2从模型槽1一侧的侧壁孔穿入安装，模拟衬砌5从模型槽1另一侧的侧壁孔穿入安装，模拟盾壳2套在模拟衬砌5外。模拟盾壳2和模拟衬砌5相套接后，如图2所示，模拟盾壳2和模拟衬砌5之间的间隙中沿轴向间隔设有多根注浆管3，注浆管3沿模拟盾壳2轴向布置，注浆管3连接注浆系统，模拟盾构推进器11连接模拟盾壳2位于模型槽1外的一端，通过其电动电机运行带动模拟盾壳2向外推动。所述的模拟盾构推进器可实现位移精确控制，可通过控制电动电机的传动齿轮比的变化，模拟不同的盾构掘进速度。

注浆管3外端连接注浆系统，注浆管3内端延伸到模拟盾壳2位于模型槽1内端部的边缘，并在模拟盾壳2位于模型槽1内的端部边缘的内侧壁与模拟衬砌5外侧壁之间设有管密封圈21，如图3和图5所示，管密封圈21上开有用于注浆管3穿出的槽，注浆管3内端延伸到槽口把浆料注到模拟衬砌5周围的盾尾空隙13中。

注浆管3和管密封圈21均固定在模拟盾壳2的内侧壁，可采用焊接方式固定。

模拟衬砌5位于模型槽1外的一端设有凸缘，模拟衬砌5通过凸缘轴向限位在模型槽1侧壁，使得模拟盾壳2向外端轴向移动时模拟衬砌5不会跟随移动。

如图4所示，模拟盾壳2与模型槽1的侧壁孔之间设有用于密封的槽密封圈22。

注浆系统包括储浆桶6、流量计7、压力计8、注浆泵9和主送浆管10，储浆桶6与注浆泵9的输入端连接，注浆泵9的输出端经主送浆管10与注浆管3连接，注浆泵9上设有流量计7和压力计8，主送浆管10内设置有控制开闭的球阀。注浆泵9为能精确控制注浆量的计量泵。

如图6所示，监测系统12包括安装在土体中的用于测量土体沉降的百分表14、用于测量剪切波速的压电弯曲元15、用于测量土压力的土压盒16、用于测量孔隙水压力的孔压计17、用于测量土体内部水平位移的微型测斜仪18、用于测量土体抗剪强度的微型十字板19和用于测量密实度和强度的微型触探20，百分表14、压电弯曲元15、土压盒16、孔压计17、微型测斜仪18、微型十字板19和微型触探20分别安装于监测断面。百分表14安装于监测断面土体表面距竖对称轴0R、2/3R、4/3R、2R、3R处；压电弯曲元15对称斜45度安装于距模拟衬砌圆心2R处；土压盒16安装于水平对称轴上，距竖对称轴2R、3R处；孔压计17安装于模拟衬砌圆心上方2R、左侧1.5R/2R、下方2R/3R、右方2.5R处；微型测斜仪为与土体深度等长，宽2cm厚2mm的有机薄玻璃片，贴有应变片，分别安装于距竖对称轴1.5R、2R、3R处；微型测十字板19与微型触探20可移动。上述R为模拟衬砌内径。

监测系统12可精确测量模型土体扰动前后的变形、孔压、土压、刚度和强度等参数，实现对地铁盾构施工扰动物理模拟的全过程监测。

本发明实验装置的具体试验过程如下：

1)固定模型槽和驱动装置，向模型槽1中填入作为模拟地铁盾构施工环境的模型土体4，模型土体4与地铁盾构施工环境的土体相同，具有相似的含水率和液塑限，将模型土体以10cm的厚度分4层填入模型槽1，依次分层压实、加水，填土时埋置监测系统12的各个监测器件，三层填完后以模型槽壁上的开口圆周为限填入下半圆两侧的土并压实加水；

2)将φ219mm模拟盾壳2和φ203mm模拟衬砌5穿过模型槽1完全套接后埋在模型土体4中，再填入模型土体4并填实，使模拟盾壳2和模拟衬砌5均与模型土体4紧密接触，继续填入模型土体4到距模拟盾壳外壁18cm处，填土时埋置监测系统12的各个监测器件；

3)调制浆液，向储浆桶6中放入足量模型浆液，浆液的调制严格按照浆液重度、初始屈服强度、初始粘度、泌水率与凝结时间对应的相似比进行换算，利用旋转粘度计配制复核相似比要求的模型浆液。

具体实施的模型浆液的主要原料为石灰100kg/m³、粉煤灰400kg/m³、中细砂600kg/m³、膨胀土50kg/m³、添加剂3kg/m³、水320kg/m³。

4)为模拟盾构推进器11设置合适的齿轮比，通过滑动装置拉动模拟盾壳2以相同速度向左移动，按照模拟工况盾构速度20cm/h缓慢水平抽出模拟盾壳2，以模拟实际地铁盾构机的行进，抽出模拟盾壳2的同时控制注浆泵9流量使其满足相似比1:30并通过注浆管3注入盾尾空隙13，注浆压力9kpa、12kpa，注浆量3.27cm³/s、3.92cm³/s；

5)在抽出模拟盾壳2过程中通过监测系统12采集监测数据；

试验中，一方面通过控制电动电机的传动齿轮比的变化，实现不同盾构掘进速度下的施工扰动试验，另一方面通过计量泵活塞位移控制，实现不同注浆量下的施工扰动试验。

6)在模拟盾壳2完全抽出模型槽1后停止注浆，从模型土体4中取出监测系统12的各个监测器件，将模型土体4取出后沿垂直于模拟盾壳2轴向的平面在模型土体4中部截断，通过观察土体截断面获得浆液在土体中扩散范围的试验结果。

本实例模拟了地铁1号线U型试验段的工况，得到的数据与现场原位剪切波速、测斜、孔压、沉降数据较为一致，能较好的对地铁盾构施工扰动进行全过程模拟与监测。