本發(fā)明涉及一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置及方法，屬于地下工程模型試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，為緩解地面交通，很多城市正在逐步進(jìn)入地鐵建設(shè)的高速時(shí)期。地鐵隧道施工中盾構(gòu)法是較為常用的方法，而盾構(gòu)開挖對(duì)地層及周邊建筑物變形的影響也日益受到關(guān)注。

通過試驗(yàn)方法針對(duì)盾構(gòu)隧道施工造成的周邊環(huán)境不良進(jìn)行研究，能夠得到較為直觀的觀測結(jié)果，限于現(xiàn)場原位測試受地層不均勻性大、施工條件復(fù)雜、測試原件埋設(shè)困難等因素影響，利用室內(nèi)模型試驗(yàn)代替原位測試能夠得到較理想結(jié)果，且可重復(fù)進(jìn)行，達(dá)到多工況對(duì)比的目的。

目前已有部分模型試驗(yàn)方法用于模擬盾構(gòu)隧道開挖對(duì)地層及建筑物的影響，如采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)式機(jī)械模擬盾構(gòu)開挖，但由于模型試驗(yàn)中襯砌圓環(huán)難以逐環(huán)添加，多采用整體圓管跟進(jìn)模擬襯砌，從而造成無法進(jìn)行盾尾注漿，而如果利用小型盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行相關(guān)模型試驗(yàn)則造價(jià)過于昂貴。在盾尾注漿方面，已有模型試驗(yàn)方法多采用預(yù)埋雙層套管，在外層套管拔出過程中進(jìn)行尾部注漿，此法難以精確模擬盾構(gòu)開挖過程對(duì)地層的擾動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置及方法，不僅可以模擬盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，也可以模擬盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的盾尾注漿過程。

本發(fā)明的技術(shù)方案在于：一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置，包括用于裝填土體的模型箱，所述模型箱的兩側(cè)壁分別開設(shè)有圓孔，模型箱內(nèi)設(shè)置有兩端分別搭接在圓孔上的實(shí)心圓柱，模型箱的一側(cè)設(shè)置有插入側(cè)工作臺(tái)，模型箱的另一側(cè)設(shè)置有抽出側(cè)工作臺(tái)，所述插入側(cè)工作臺(tái)上設(shè)置有用于從模型箱一側(cè)的圓孔穿入模擬箱內(nèi)的空心隧道圓管，所述空心隧道圓管上套置有內(nèi)側(cè)面與空心隧道圓管相粘結(jié)的橡膠環(huán)套，空心隧道圓管內(nèi)設(shè)置有注漿管，所述注漿管的一端穿過空心隧道圓管的側(cè)壁與橡膠環(huán)套相連接，另一端與液壓控制系統(tǒng)相連接。

進(jìn)一步地，所述實(shí)心圓柱的直徑與圓孔相同，且實(shí)心圓柱靠近抽出側(cè)工作臺(tái)一側(cè)的端部穿出圓孔并設(shè)置有抽拉把手。

進(jìn)一步地，所述橡膠環(huán)套沿空心隧道圓管的軸向分為若干段，相鄰兩段橡膠環(huán)套之間緊密相連，且每段橡膠環(huán)套上分別設(shè)置有穿過空心隧道圓管側(cè)壁與液壓控制系統(tǒng)相連接的注漿管。

進(jìn)一步地，所述空心隧道圓管上靠近其插入端的首段橡膠環(huán)套的寬度由實(shí)際盾構(gòu)管片寬度按照幾何相似比轉(zhuǎn)換所得，且各段橡膠環(huán)套的寬度由空心隧道圓管的插入端至空心隧道圓管的另一端逐漸加寬；所述橡膠環(huán)套由軟橡膠制作而成并為雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述液壓控制系統(tǒng)包括漿液室，所述漿液室經(jīng)漿液泵與出漿管相連接，每段橡膠環(huán)套上連接的注漿管分別與出漿管相連接。

進(jìn)一步地，所述注漿管的一端穿過設(shè)置有空心隧道圓管側(cè)壁上的開孔與橡膠環(huán)套相連接，注漿管與出漿管相連接的區(qū)段上還分別設(shè)置有控制閥、壓力表和流量表。

進(jìn)一步地，所述插入側(cè)工作臺(tái)和抽出側(cè)工作臺(tái)的下部分別設(shè)置有具有腳輪并可升降的移動(dòng)架，插入側(cè)工作臺(tái)的臺(tái)面高度與空心隧道圓管的底部安裝高程一致，所述抽出側(cè)工作臺(tái)的臺(tái)面高度與實(shí)心圓柱抽出后的底面線高度一致。

一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)方法，采用一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置，步驟如下：

1）依照開挖土體特性為實(shí)心圓柱選材制作，將制備好的實(shí)心圓柱周身均勻涂抹潤滑劑放入模型箱內(nèi)，實(shí)心圓柱的兩側(cè)段搭接于模型箱兩圓孔處且靠近抽出側(cè)工作臺(tái)的一側(cè)端露出圓孔；

2）調(diào)整抽出側(cè)工作臺(tái)高度，使抽出側(cè)工作臺(tái)的高度與實(shí)心圓柱抽出后的底面線高度一致；

3）向模型箱中填入模擬盾構(gòu)施工現(xiàn)場環(huán)境的土體，并將土體壓實(shí)、靜置；

4）在空心隧道圓管外圍的橡膠環(huán)套外表面均勻涂抹潤滑劑并放置于插入側(cè)工作臺(tái)上；

5）將插入側(cè)工作臺(tái)的高度調(diào)整至使空心隧道圓管的斷面圓心與模型箱插入側(cè)的孔圓圓心大致重合的位置，等待插入土體；

6）拉動(dòng)實(shí)心圓柱，使實(shí)心圓柱從模型箱另一側(cè)的圓孔逐步抽離土體，每抽離一步實(shí)心圓柱，空心隧道圓管便從模型箱一側(cè)的圓孔插入對(duì)應(yīng)長度，空心隧道圓管停止插入后，由液壓控制系統(tǒng)向最新插入段空心隧道圓管外周的橡膠環(huán)套內(nèi)注漿，注漿過程根據(jù)空心隧道圓管推進(jìn)或靜止?fàn)顟B(tài)分段執(zhí)行。

進(jìn)一步地，所述模型箱中的土體材料特性由實(shí)際盾構(gòu)施工環(huán)境中土體對(duì)應(yīng)特性按照預(yù)定相似比轉(zhuǎn)換所得。

進(jìn)一步地，所述步驟6）中，實(shí)心圓柱每次抽出長度為實(shí)際盾構(gòu)管片寬度按照幾何相似比轉(zhuǎn)換后尺寸，抽出速度為按照相似比轉(zhuǎn)換后的實(shí)際盾構(gòu)開挖速度；空心隧道圓管向前插入時(shí)減小橡膠環(huán)套內(nèi)液壓以便于移動(dòng)，靜止時(shí)提高液壓模擬注漿填充效果，其中最前端一段橡膠環(huán)套隨空心隧道圓管向前插入時(shí)需排空漿液，靜止時(shí)便壓入漿液模擬盾尾注漿。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明在進(jìn)行模擬盾構(gòu)施工的室內(nèi)模型試驗(yàn)過程中，不僅可以考慮盾構(gòu)開挖對(duì)土層的擾動(dòng)，也可以考慮盾尾注漿對(duì)土層變形的影響，同時(shí)通過對(duì)實(shí)心圓柱抽出速度及橡膠環(huán)套內(nèi)液壓大小的控制，模擬不同開挖速度及注漿量的影響效果；

2.如果在土層內(nèi)部及上表面設(shè)置代表不同建、構(gòu)筑物的模型，可用來模擬盾構(gòu)開挖對(duì)周邊建筑沉降及變形的影響，從而對(duì)盾構(gòu)施工引起的建、構(gòu)筑物不安全狀態(tài)起到預(yù)警作用；

3.本發(fā)明中的試驗(yàn)裝置可以重復(fù)使用，進(jìn)而針對(duì)具體研究目標(biāo)修改試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行多工況對(duì)比試驗(yàn)，節(jié)約試驗(yàn)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖3為本發(fā)明的實(shí)心圓柱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的空心隧道圓管局部剖視圖；

圖5為本發(fā)明的液壓控制系統(tǒng)組成圖；

圖中：1-模型箱、2-實(shí)心圓柱、2a-抽拉把手、3-空心隧道圓管、4-橡膠環(huán)套、5-注漿管、6-液壓控制系統(tǒng)、7-抽出側(cè)工作臺(tái)、7a-移動(dòng)架、8-插入側(cè)工作臺(tái)、8a-移動(dòng)架、9-漿液室、10-漿液泵、11-出漿管、12-控制閥、13-壓力表、14-流量表。

具體實(shí)施方式

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下，但本發(fā)明并不限于此。

參考圖1至圖5

一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置，包括用于裝填土體的模型箱1，所述模型箱的兩側(cè)壁分別開設(shè)有圓孔，用于試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中放置實(shí)心圓柱，模擬盾構(gòu)開挖時(shí)一側(cè)圓孔用于抽離實(shí)心圓柱，另一側(cè)圓孔用于插入空心隧道圓管作為襯砌結(jié)構(gòu)。模型箱內(nèi)設(shè)置有兩端分別搭接在圓孔上的實(shí)心圓柱2，模型箱的一側(cè)設(shè)置有插入側(cè)工作臺(tái)8，模型箱的另一側(cè)設(shè)置有抽出側(cè)工作臺(tái)7，所述插入側(cè)工作臺(tái)上設(shè)置有用于從模型箱一側(cè)的圓孔穿入模擬箱內(nèi)的空心隧道圓管3，所述空心隧道圓管上套置有內(nèi)側(cè)面與空心隧道圓管相粘結(jié)的橡膠環(huán)套4，空心隧道圓管內(nèi)設(shè)置有注漿管5，所述注漿管的一端穿過空心隧道圓管的側(cè)壁與橡膠環(huán)套相連接，另一端與液壓控制系統(tǒng)6相連接。

本實(shí)施例中，所述實(shí)心圓柱的直徑與圓孔相同，且實(shí)心圓柱靠近抽出側(cè)工作臺(tái)一側(cè)的端部穿出圓孔并設(shè)置有抽拉把手2a，以便抽出實(shí)心圓柱。埋設(shè)實(shí)心圓柱前需在其周身均勻涂抹潤滑劑，減小實(shí)心圓柱抽離過程中與周圍土體的摩擦，從而降低未開挖段土層因過度摩擦導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差。

本實(shí)施例中，所述實(shí)心圓柱采用與模型箱內(nèi)裝填的土樣（土體）具有近似性質(zhì)的材料進(jìn)行制作；實(shí)心圓柱放置于模型箱中用于代替被其填充空間的土體，且在模擬盾構(gòu)開挖過程中可整體抽出；實(shí)心圓柱的直徑由實(shí)際盾構(gòu)開挖直徑按照預(yù)定幾何相似比轉(zhuǎn)換所得。

本實(shí)施例中，基于實(shí)際盾構(gòu)隧道圓環(huán)尺寸及材料特性，采用試驗(yàn)方案中擬定的幾何及材料相似比，通過控制模型隧道外徑、壁厚、長度、材料彈性模量、密度和泊松比等參數(shù)制作空心隧道圓管。所述空心隧道圓管的外徑、壁厚等幾何特性及材料特性由實(shí)際盾構(gòu)隧道圓環(huán)對(duì)應(yīng)特性按照預(yù)定相似比轉(zhuǎn)換所得，管外徑略小于開挖直徑?？招乃淼缊A管的長度需能夠填充整個(gè)實(shí)心圓柱的抽離空間，空心隧道圓管在實(shí)心圓柱抽離模型箱的過程中，由一側(cè)圓孔插入模型箱內(nèi)模擬管片拼裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊開挖邊襯砌過程的模擬。

本實(shí)施例中，所述橡膠環(huán)套由軟橡膠制作而成，為雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述橡膠環(huán)套依據(jù)空心隧道圓管長度沿空心隧道圓管的軸向分為若干段，相鄰兩段橡膠環(huán)套之間緊密相連，且每段橡膠環(huán)套上分別設(shè)置有穿過空心隧道圓管側(cè)壁與液壓控制系統(tǒng)相連接的注漿管，從而實(shí)現(xiàn)每段單獨(dú)注漿。

本實(shí)施例中，各段橡膠環(huán)套的寬度根據(jù)空心隧道圓管的長度具體設(shè)定，其中空心隧道圓管上靠近其插入端的首段橡膠環(huán)套的寬度由實(shí)際盾構(gòu)管片寬度按照幾何相似比轉(zhuǎn)換所得，且各段橡膠環(huán)套的寬度由空心隧道圓管的插入端至空心隧道圓管的另一端逐漸加寬。可采用2倍、3倍或4倍于首環(huán)寬度的大小，橡膠環(huán)套充滿液體后的最大厚度由實(shí)際盾構(gòu)開挖半徑與盾構(gòu)隧道圓環(huán)外半徑差值按照幾何相似比轉(zhuǎn)換所得。

本實(shí)施例中，在空心隧道圓管插入模型箱之前，于橡膠環(huán)套外表面均勻涂抹潤滑劑，減小插入過程中橡膠環(huán)套與周圍土體的摩擦，從而降低因隧道注漿層與土層摩擦導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差。

本實(shí)施例中，所述液壓控制系統(tǒng)包括漿液室9，所述漿液室經(jīng)漿液泵10與出漿管11相連接，每段橡膠環(huán)套上連接的注漿管分別與出漿管相連接。所述注漿管的一端穿過設(shè)置有空心隧道圓管側(cè)壁上的開孔與橡膠環(huán)套相連接，注漿管與出漿管相連接的區(qū)段上還分別設(shè)置有控制閥12、壓力表13和流量表14。通過開啟控制閥利用漿液泵把漿液從漿液室泵入各橡膠環(huán)套內(nèi)。液壓系統(tǒng)可根據(jù)隧道管處于推進(jìn)或靜止兩種狀態(tài)，利用壓力表和流量表調(diào)節(jié)橡膠環(huán)套內(nèi)漿液壓力，模擬盾構(gòu)隧道環(huán)外注漿過程。

本實(shí)施例中，所述插入側(cè)工作臺(tái)和抽出側(cè)工作臺(tái)的下部分別設(shè)置有具有腳輪并可升降調(diào)節(jié)高度的移動(dòng)架8a、7a，插入側(cè)工作臺(tái)的臺(tái)面高度與空心隧道圓管的底部安裝高程一致，所述抽出側(cè)工作臺(tái)的臺(tái)面高度與實(shí)心圓柱抽出后的底面線高度一致，用以給兩部件提供支撐，以保證兩者順利抽出及插入。

上述模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)方法，采用一種模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置，步驟如下：

1）依照開挖土體特性為實(shí)心圓柱選材制作，將制備好的實(shí)心圓柱周身均勻涂抹潤滑劑放入模型箱內(nèi)，實(shí)心圓柱的兩側(cè)段搭接于模型箱兩圓孔處且靠近抽出側(cè)工作臺(tái)一側(cè)端的抽拉把手露出圓孔；

2）調(diào)整抽出側(cè)工作臺(tái)高度，使抽出側(cè)工作臺(tái)的高度與實(shí)心圓柱抽出后的底面線高度一致；

3）向模型箱中填入模擬盾構(gòu)施工現(xiàn)場環(huán)境的土體，并將土體壓實(shí)、靜置；

4）在空心隧道圓管外圍的橡膠環(huán)套外表面均勻涂抹潤滑劑并放置于插入側(cè)工作臺(tái)上；

5）將插入側(cè)工作臺(tái)的高度調(diào)整至使空心隧道圓管的斷面圓心與模型箱插入側(cè)的孔圓圓心大致重合的位置，等待插入土體；

6）拉動(dòng)實(shí)心圓柱的抽拉把手，使實(shí)心圓柱從模型箱另一側(cè)的圓孔逐步抽離土體，每抽離一步實(shí)心圓柱，空心隧道圓管便從模型箱一側(cè)的圓孔插入對(duì)應(yīng)長度，空心隧道圓管停止插入后，由液壓控制系統(tǒng)向最新插入段空心隧道圓管外周的橡膠環(huán)套內(nèi)注漿，注漿過程根據(jù)空心隧道圓管推進(jìn)或靜止?fàn)顟B(tài)分段執(zhí)行，從而模擬盾構(gòu)隧道環(huán)外注漿過程。

本實(shí)施例中，所述模型箱中的土體材料特性由實(shí)際盾構(gòu)施工環(huán)境中土體對(duì)應(yīng)特性按照預(yù)定相似比轉(zhuǎn)換所得?；谒M盾構(gòu)施工現(xiàn)場土體材料特性，采用試驗(yàn)方案中擬定的材料相似比，通過控制試驗(yàn)土體材料的彈性模量、密度和泊松比等參數(shù)配制土樣。

本實(shí)施例中，所述步驟6）中，實(shí)心圓柱每次抽出長度為實(shí)際盾構(gòu)管片寬度按照幾何相似比轉(zhuǎn)換后尺寸，抽出速度為按照相似比轉(zhuǎn)換后的實(shí)際盾構(gòu)開挖速度；空心隧道圓管向前插入時(shí)減小橡膠環(huán)套內(nèi)液壓以便于移動(dòng)，靜止時(shí)提高液壓模擬注漿填充效果，其中最前端一段橡膠環(huán)套隨空心隧道圓管向前插入時(shí)需排空漿液，靜止時(shí)便壓入漿液模擬盾尾注漿。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出不同形式的模擬盾構(gòu)隧道開挖注漿施工的抽離式模型試驗(yàn)裝置及方法并不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化、修改、替換和變型，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。