一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法，属于隧道 工程、地铁工程施工防护领域。
【背景技术】
[0002] 目前，城市交通拥挤问题成为制约我国城市化进程的重要瓶颈，城市地铁以其运 速快，运量大，受天气影响小等优势成为解决城市交通拥挤问题的重要途径。在城市地下 开展地铁工程的建设，不可避免的将会遇到既有管线处于盾构隧道施工影响范围之内的问 题。由于盾构隧道施工过程中地层损失会引起周围土层变形，既有管道随着周围土层的变 形产生附加应力，引起附加变形，变形过大时将会发生管道破坏，电力、煤气、城市用水等受 到较大影响，特别是在我国东南沿海的软土地区，该类灾害更为严重，经常发生上述工程问 题或事故，由此导致一系列较大的生命、生产、财产损失。因此，为了保证盾构隧道施工安 全，必须查明隧道场地周围底线管线的分布情况，并对具有重要影响的重要管道进行安全 评价以及采取必要的防护措施。然而，目前尚缺乏针对此问题的可靠技术手段，究其原因在 于目前工程界对该类工况条件下管线灾变机理尚不明确，缺乏相应的设计计算文件；在工 程研究领域也没有较为合理的试验手段。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法， 本发明针对软土地区盾构隧道施工过程中地层损失引起周围土层位移，进而引起周围地下 管线力学行为的变化，严重时造成管线变形、爆裂等灾害问题。
[0004] 鉴于前述，在盾构隧道施工时需要对其周围的重要管线的力学行为变化进行合理 的预估评价，并根据预估结果提出相应的防护措施。本试验方法的发明可以为开展盾构隧 道施工地层损失引起周围地下管线灾变机理、防护设计计算方法以及防护措施等研究提供 一种有效的室内模型试验手段，相应的试验结论可为完善该类工况下既有地下管线安全计 算校核奠定基础。
[0005] 本发明为实现上述目的采取的技术方案是：
[0006] -种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法，所述的方法包括如下 步骤：
[0007] 步骤一：盾构隧道-地下管线-地层系统的相似设计；
[0008] 首先根据模型箱尺寸与原型尺寸确定几何相似比为I : N，其中N为缩尺比例，并 按照该相似比设计地层分布厚度、隧道直径、隧道与地下管线空间关系，地下管线的直径及 材料力学参数按照原型与试验模型纵向刚度相似进行设计，如式（一）所示：
[0009] E原型I原型/E模型I模型=N ( 一 )
[0010] 其中，E_为原型的弹性模量；
[0011] Iigs为原型的惯性矩；
[0012] E模型为模型的弹性模量；
[0013] I模型为模型的惯性矩；
[0014] 按照上述式（一）确定合理的地下管线材料、直径和壁厚；
[0015] 步骤二：盾构隧道施工伴随地层损失过程的模拟装置制作；
[0016] 所述的盾构隧道施工伴随地层损失模拟装置包括流量计、多个环形液囊、多根A 型号液管、多个电磁液阀及多根B型号液管；首先按照隧道模型外部的直径加工多个环形 液囊，并将多个环形液囊内部分别充满氯化钙溶液后套设在隧道模型外部，每个环形液囊 分别通过一根A型号液管与其对应的电磁液阀相连，然后将多个电磁液阀通过多根B型液 管连接在同一个流量计上；在进行盾构隧道施工模拟时，根据地层损失率即可确定每一环 形液囊中需要放出的氯化钙溶液的体积，按照掘进方向，依次将每一环形液囊中放出相同 体积的氯化钙溶液即可模拟伴随相同地层损失的盾构隧道掘进过程，将同一个环形液囊依 次等时间间断释放相同体积的氯化钙溶液，即可模拟盾构隧道施工引起不同地层损失率的 工况；
[0017] 步骤三：地下管线测量元件布设与数据采集分析；
[0018] 地下管线模型长度延伸至隧道模型地层沉降影响范围以外，并沿着地下管线模型 全长在地下管线模型上下两侧成对布设多对应变片，在试验过程中应变片数据通过应变采 集仪由计算机进行自动采集，通过对采集到的地下管线模型应变数据按照式（二）和（三） 进行计算，即可得到沿地下管线模型由盾构隧道施工地层损失引起的附加剪力和弯矩的分 布；
【主权项】
1. 一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法，其特征在于：所述的方 法包括如下步骤： 步骤一：盾构隧道-地下管线-地层系统的相似设计； 首先根据模型箱（1)尺寸与原型尺寸确定几何相似比为I : N，其中N为缩尺比例，并 按照该相似比设计地层分布厚度、隧道直径、隧道与地下管线空间关系，地下管线的直径及 材料力学参数按照原型与试验模型纵向刚度相似进行设计，如式（一）所示： E原型I原型/E模型I模型=N4 ( 一 ) 式（一）中，Egs为原型的弹性模量； Iss为原型的惯性矩； Ete为模型的弹性模量； Iss为模型的惯性矩； 按照上述式（一）确定合理的地下管线材料、直径和壁厚； 步骤二：盾构隧道施工伴随地层损失过程的模拟装置制作； 所述的盾构隧道施工伴随地层损失模拟装置包括流量计（2)、多个环形液囊（3)、多根 A型号液管（4)、多个电磁液阀（5)及多根B型号液管（6);首先按照隧道模型（7)外部的直 径加工多个环形液囊（3)，并将多个环形液囊（3)内部分别充满氯化钙溶液（8)后套设在隧 道模型（7)外部，每个环形液囊（3)分别通过一根A型号液管（4)与其对应的电磁液阀（5) 相连，然后将多个电磁液阀（5)通过多根B型液管（6)连接在同一个流量计（2)上；在进行 盾构隧道施工模拟时，根据地层损失率即可确定每一环形液囊（3)中需要放出的氯化钙溶 液（8)的体积，按照掘进方向，依次将每一环形液囊（3)中放出相同体积的氯化钙溶液（8) 即可模拟伴随相同地层损失的盾构隧道掘进过程，将同一个环形液囊（3)依次等时间间断 释放相同体积的氯化钙溶液（8)，即可模拟盾构隧道施工引起不同地层损失率的工况； 步骤三：地下管线测量元件布设与数据采集分析； 地下管线模型（9)长度延伸至隧道模型（7)地层沉降影响范围以外，并沿着地下管线 模型（9)全长在地下管线模型（9)上下两侧成对布设多对应变片（10)，在试验过程中应变 片（10)数据通过应变采集仪由计算机进行自动采集，通过对采集到的地下管线模型（9)应 变数据按照式（二）和（三）进行计算，即可得到沿地下管线模型（9)由盾构隧道施工地 层损失引起的附加翦力和弯矩的
分布： 式中，Xi为第i个应变片（10)的横坐标值； M(Xi)为Xi点处地下管线模型（9)的弯矩； E为地下管线模型（9)的弹性模量； I为地下管线模型（9)的横截面惯性矩； ε ,为地下管线模型（9)受拉侧的应变； ε。为地下管线模型（9)受压侧的应变； R为地下管线模型（9)的半径； Q(Xi)为Xi点处地下管线模型（9)的剪力； 步骤四：模型铺设安装； 按照地下管线模型（9)和隧道模型（7)设计的尺寸及空间关系，将盾构隧道模型（7) 及黏贴应变片（10)的地下管线模型埋设于相应土层中，为保证土层性质与原型相近，首先 进行原型土层的室内土工试验，得到其原状土的密实度、含水率特性，然后按照原型场地的 土层分布铺设土层，根据每一土层厚度确定铺设层数及层厚，每铺设一层进行夯实，达到原 型场地土层的密实度后开始铺设下一层，直至管线模型（9)和隧道模型（7)铺设安装完毕。
【专利摘要】一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法，属于隧道工程、地铁工程施工防护领域。针对软土地区盾构隧道施工过程中地层损失引起周围土层位移，进而引起周围地下管线力学行为的变化，严重时造成管线变形、爆裂等灾害问题。所述的试验方法是：盾构隧道-地下管线-地层系统的相似设计；利用盾构隧道施工伴随地层损失模拟装置盾构隧道施工伴随地层损失过程的模拟；地下管线测量元件布设与数据采集分析；模型铺设安装。利用本发明的试验方法，可以进行多种施工工况条件下的模型试验，为进一步了解地下管线灾变机理，建立地下管线力学行为的简化计算方法，本发明在工程技术研究领域，隧道工程施工防护领域具有较大的应用前景。
【IPC分类】G01N3-00
【公开号】CN104634646
【申请号】CN201510016904
【发明人】徐鹏举, 祝树红, 王云琪, 马程昊, 张海鲲, 魏超
【申请人】哈尔滨工业大学, 中建交通建设集团有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月13日