一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置及其试验方法与流程

本发明涉岩土工程及，特别涉及一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置及其试验方法。

背景技术：

1、地下水位波动以及山洪、内涝和江河洪水等洪涝灾害频发，对盾构隧道为代表的地下空间建设提出了艰巨的挑战。地下水的波动，在盾构隧道施工和运维期间中还会产生地面沉降、地面塌陷、渗水、浮托作用、盾构隧道突水以及对盾构隧道的腐蚀作用等现象。

2、目前，盾构隧道施工面临地质复杂，多灾害耦合等复杂问题。但是现有模型试验中，针对各种工况下还原盾构隧道管片作用机理的研究仍较少，且未能很好的还原富水地区盾构隧道管片间相互移动的作用规律。

3、因此，亟需开发一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置及使用方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，包括模型箱、盾构隧道位移监测系统、固结沉降系统和盾构隧道模拟系统。

3、所述模型箱包括模型箱本体和两块分隔板。所述模型箱本体整体为上端敞口的矩形箱体。所述模型箱本体包括底板和四面侧壁。所述四面侧壁依次标记为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板和第三侧板的板面上对应设置有矩形缺口。所述第一侧板和第三侧板的内壁上分别设置有一组沉降轨道。每组沉降轨道包括两根竖直布置的导轨。同一组沉降轨道的两根导轨间隔布置在矩形缺口的两侧。两根导轨相对的侧壁上设置有插板槽。所述第二侧板和第四侧板的板面上设置有若干排水孔。所述两块分隔板布置在模型箱本体的内腔中，将内腔分隔为循环水槽ⅰ、模型土容置空间和循环水槽ⅱ。所述分隔板与底板之间存在间隙。所述排水孔将循环水槽ⅰ或循环水槽ⅱ与外界连通。所述模型土容置空间中分层填筑有土层。所述土层中预埋有若干孔隙水压力传感器和若干土压力传感器。

4、所述盾构隧道位移监测系统包括若干位移传感器、若干细钢丝、滑轮固定架和若干滑轮。所述滑轮固定架包括两根立柱，以及架设在两根立柱之间的横梁。所述两根立柱分别设置在第一侧板和第三侧板的上表面。所述横梁的下表面设置有若干滑轮。

5、所述固结沉降系统包括两块沉降板和两块密封板。所述沉降板整体为矩形板。所述沉降板的板面上设置有矩形孔洞。所述沉降板两侧板端设有与插板槽配合的凸起。所述沉降板嵌插在两根导轨之间，可实现上下自由移动。所述密封板整体为透明矩形板。所述密封板的板面上设置有圆形孔洞。所述密封板嵌合在矩形孔洞中。

6、所述盾构隧道模拟系统埋置在土层中。所述盾构隧道模拟系统包括硅胶管、不锈钢管和盾构管片。所述不锈钢管的重量契合试验分段开挖出的土体的重量。所述硅胶管弹性性能和防水性能好，可模拟盾构隧道防水层，且不影响若干盾构隧道管片模型受力发生的移动。所述硅胶管的两端分别嵌入对应圆形孔洞中。所述不锈钢管穿设在硅胶管内。所述盾构管片套设在硅胶管外围。所述盾构管片包括若干依次连接的衬砌环。每个衬砌环包括木环，以及套设在木环外围的盾构隧道管片模型。所述盾构隧道管片模型根据所设计的缩尺试验相似比浇筑制模而成。所述盾构隧道管片模型包括封顶块和若干个邻接块。所述邻接块上贴敷有应变片。所述细钢丝一端与封顶块连接，另一端绕过滑轮后与位移传感器连接。所述封顶块和若干个邻接块之间依次固定连接并形成一个封闭的圆环。所述盾构隧道管片模型与木环通过铆钉固定连接。

7、实验时，抽出不锈钢管模拟隧道开挖。向循环水槽ⅰ和循环水槽ⅱ中加水，以及通过若干排水孔进行排水实现水循环。在整个洞隧道开挖模拟过程中，位移传感器用于监测若干盾构隧道管片模型的位移变化。孔隙水压力传感器用于监测孔隙水压力。应变片用于监测若干盾构隧道管片模型应变。若干土压力传感器用于监测若干盾构隧道管片模型所受压力以及土体应力长的变化。

8、进一步，所述模型箱本体和沉降板采用不锈钢材质制得。

9、进一步，所述密封板采用亚克力材料制得。

10、进一步，所述沉降板和密封板的接合位置处采用玻璃胶和/或工程胶粘结密封。所述硅胶管与密封板的接合位置处采用玻璃胶和/或工程胶粘结密封。

11、进一步，所述不锈钢管的外壁和硅胶管内壁间均匀涂抹润滑油，消除不锈钢管拔出来模拟盾构隧道分段开挖时所受到的摩擦力。

12、进一步，所述盾构隧道管片模型采用轻质混凝土浇筑而成。

13、进一步，所述盾构隧道管片模型上预留有渗水孔。非工作状态下，渗水孔采用塞子塞住。所述硅胶管在渗水孔对应位置处开设有孔洞。

14、本发明还公开根据上述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

15、1)分层填筑土层并压实，待填埋至沉降板孔洞底部时，将盾构隧道模拟系统布置在模型土容置空间中。

16、2)安装密封板，待到模型箱(1)内填满的土体固结完成且沉降板沉降稳定后，将沉降板和密封板进行粘结密封。

17、3)继续分层填筑土层并压实，同时将若干细钢丝通过若干滑轮后与若干位移传感器相连接。将若干位移传感器、若干孔隙水压力传感器、若干应变片、若干土压力传感器分别按照设计要求埋设在土层中和盾构隧道模拟系统上。

18、4)所有装置和系统安装和布设完成后，自重或加载固结土层。

19、5)待土体固结完成后，根据试验目的，进行试验。

20、6)试验完成后，将模型箱内水排出，保存数据，整理试验器材

21、7)分析整理得到的数据，从而得到不同工况下盾构隧道变形的有关规律。

22、进一步，步骤5)中，包括如下试验方案：

23、a.如进行干燥土层中盾构隧道开挖试验，则直接将不锈钢管从一侧缓慢拔出，实时采集各传感器数据即可。

24、b.如进行饱和土或富水地区盾构隧道开挖试验，则需在试验前通过水循环系统向模型箱(1)内注水至设计高度后，再进行开挖试验，实时采集各传感器数据。

25、c.如需进行盾构隧道渗水试验，则再开挖完成后，将预先塞在若干盾构隧道管片模型上的塞子拔出，使水流入，实时采集各传感器数据。

26、本发明的技术效果是毋庸置疑的：

27、a.能够通过盾构隧道位移监测系统、固结沉降系统以及水循环系统，模拟不同工况下盾构隧道变形规律，并实现盾构管片变形机理研究；

28、b.能够实现盾构管片间相互移动和错位模拟；

29、c.能够通过盾构隧道位移监测系统，得到不同工况下盾构隧道位移的变化；

30、d.能够通过若干传感器和若干应应变片，得到盾构隧道模型周围土压力，孔隙水压力和自身应变的变化以及周围土体场应力场的变化；

31、e.系统设置合理，试验操作方便，具有较高的可靠性。

技术特征：

1.一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、盾构隧道位移监测系统(2)、固结沉降系统(3)和盾构隧道模拟系统(4)；

2.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱本体和沉降板(301)采用不锈钢材质制得。

3.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述密封板(303)采用亚克力材料制得。

4.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述沉降板(301)和密封板(303)的接合位置处采用玻璃胶和/或工程胶粘结密封；所述硅胶管(404)与密封板(303)的接合位置处采用玻璃胶和/或工程胶粘结密封。

5.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述不锈钢管(405)的外壁和硅胶管(404)内壁间均匀涂抹润滑油。

6.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述盾构隧道管片模型(401)采用轻质混凝土浇筑而成。

7.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述盾构隧道管片模型(401)上预留有渗水孔；非工作状态下，渗水孔采用塞子塞住；所述硅胶管(404)在渗水孔对应位置处开设有孔洞。

8.根据权利要求1所述的一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，步骤5)中，试验方案如下：

技术总结发明提供一种模拟多种工况下盾构隧道变形的模型试验装置及其试验方法。该装置包括模型箱、盾构隧道模拟系统、盾构隧道位移监测系统、固结沉降系统、水循环系统、若干位移传感器、若干孔隙水压力传感器、若干应变片、若干土压力传感器、润滑油、硅胶胶水、玻璃胶。本发明可模拟盾构隧道分段开挖过程，并可监测在分段开挖过程中盾构隧道位移变化情况、盾构管片应力应变情况、盾构隧道周围土的应力场的变化以及盾构隧道周围孔隙水压力的变化；本发明亦可模拟多种工况下盾构隧道变形，如地下水位变动引起的盾构隧道变形和盾构隧道渗水引起的盾构隧道变形。本试验成本低，具有广阔的应用前景。技术研发人员：汪钦琳,杨甲锋,仉文岗,孙伟鑫,肖鹏,杨阳受保护的技术使用者：重庆铁路投资集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25