一种盾构机三维模型加载装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种盾构机三维模型加载装置。


背景技术：

2.现有的盾构隧道模型试验加载台架由于旨在探究隧道结构在地层中的受力变形发展规律，由于需要考虑隧道结构与围岩的相互作用，因此加载装置施加的力作用在隧道周围的土体，考虑到模型的边界效应，隧道模型的大小收到了限制，所以现有的大部分模型试验加载装置只能完成小比例尺的加载实验。由于隧道模型比例尺较小，盾构模型一般只能一次性浇筑，在模型上刻沟槽用于模拟管片的接缝，这样不能真实还原原本盾构隧道管片的结构受力体系，所得的结果与真实盾构隧道受力情况存在较大的偏差。另外由于构件较小，不易于观察衬砌管片裂缝的形成以及发展。本实用新型不需要加填模拟围岩的土体，采用直接加载的方式，通过精确控制液压千斤顶输出的压力来还原盾构隧道在围岩土体内的受力情况，不受隧道边界效应的约束，能完成大比例尺的隧道模型加载实验，由于比例尺寸较大，有利于观察盾构管片加载过程中，衬砌管片从材料的微观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进的破坏失稳过程。
3.现有的一些盾构隧道加载装置虽采用直接加载的方式来隧道在围岩中的受力情况，但是一般只取一环盾构管片进行模拟实验，将盾构隧道的受力变形简化为了二维的平面问题，不考虑盾构管片环与环之间的受力传递特性。而在实际工程中，对于盾构隧道病害而言，管片结构的裂损往往出现在两环管片的接缝处，因此在探究盾构隧道裂缝病害演变的研究中，二维的盾构区间模型已经不能够解释衬砌病害的发展特性以及规律，因此对于衬砌病害的探究问题不能简单的将区间简化为二维平面受力结构。
4.地铁盾构隧道建成运营后，随着运营时间的不断累积，由于先天的地铁衬砌质量缺陷，导致了管片开裂、压溃、管片错台、渗漏水等病害的产生。其中管片结构开裂作为盾构衬砌结构的常见病害，也是是渗漏水、翻浆冒泥等各种病害的直接诱因。管片成因非常复杂，主要有冻胀作用、地下水影响、高地压、衬砌背后空洞以及偏压等。而造成管片裂缝扩展的原因也是多方面的，可大致分为环境因素和材料本身因素，其中环境因素包括：温度和湿度的变化、地层不均匀沉降和各种外荷载；材料自身因素包括：混凝土收缩、徐变、塑性区变化、材料持久强度变化等。因此想要探究管片开裂的成因、发展以及整体破坏，可以进行现场原位试验或者室内模型实验，前者虽更具真实性及可靠性，但实验受地形地质等外界影响影响因素较大，实验可控性差，实验难度远大于后者。而模型实验相比之下虽不具原位试验的真实性及可靠性，但其实验所受外界影响较小，可操作性大，适用范围广，其优势远大于劣势，所以在探究隧道病害机理的实验中，模型实验是最有效的手段之一。
5.现有的隧道模型实验，大体上可以分为以下两种实验设备。一个是由加载框架、前后挡板、液压系统以及量测系统组成的隧道模型箱，实验利用相似材料模拟隧道断面与围岩的相互作用关系，在试验箱里填土压实，然后模拟隧道开挖，用相似材料制成的衬砌模型
当做支护结构置换出开挖土体。由于隧道开挖存在一个尺寸效应的问题，因此相似比不能选择过大，以相似比为1:70的模型为例，其模型箱尺寸为1m
×
0.3m
×
1.5m，再加上反力框架以及加载系统，其尺寸将继续增大，所以相似比例受到了限制，衬砌结构尺寸较小，局部可观性较差，使得实验过程中产生的效果性与真实性不强，往往实际与预想的理论效果不一致，实验结果没有意义。虽然模型箱较为真实的还原了隧道开挖过程中围岩与衬砌结构的相互作用关系，但由于增加了围岩材料，增加了实验的难度以及劳动量，使得试验周期被拉长，测量仪器的埋设更加困难，测量数据受围岩土体干扰较大，精确性无法保障。另一种是不考虑围岩材料的直接加载模型实验，由反力框架、液压系统以及量测系统组成。通过前期计算，将计算得到的围岩中隧道模型所受的力通过千斤顶直接作用在衬砌结构上，使得衬砌结构受力更加明确，效果性更强。由于不考虑围岩对衬砌的影响，所以量测元件容易布设，数据受外界干扰较小，采集结果真实性以及准确性较高。由于不受尺寸效应的约束，能够完成大比尺的结构加载实验，整体尺寸的增大无疑使得局部的结构变化更易于观察，效果性及可观性较强。但加载台架一般都采取卧式加载，模型一侧与地面接触，虽在加载前会采取措施降低地面与隧道模型之间的摩擦力，但无法完全消除，无可避免的给加载试验增加误差，另外卧式加载方法对于1:10的加载实验需要配套专门的吊装设备，无疑需要更大的试验场地。以上两种隧道模型装置均适用于盾构隧道开挖等问题，但不适用于观察盾构管片病害的模型试验。
6.本实用新型就是针对盾构管片病害问题设计的盾构隧道三维模型加载立式试验台，选用直接全周加载方式，不考虑衬砌与围岩相互作用，选用大相似比衬砌结构，便于观察管片局部病害微观发展情况。实验台架配备了传力结构和同步加载系统，能够完成具有一定纵向长度的多环盾构区间模型的加载实验，将先前的二维模型实验转化为了三维的模型实验，解决了盾构隧道裂缝问题研究中二维模型实验无法解释出管片纵向裂缝发展情况及环形接缝处压溃、错台等情况，本方案完善了盾构管片病害劣化问题各向异性的实验机理，针对盾构管片病害研究的特殊性，将二维模型实验转变为了三维模型试验，使得衬砌病害实验结果更具可靠性、全面性以及真实性。


技术实现要素：

7.为此，本实用新型实施例提供一种盾构机三维模型加载装置，以解决背景技术中提出的问题。
8.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
9.根据本实用新型实施例的一种盾构机三维模型加载装置，包括安装组件、加载组件、数据收集测量组件和控制组件，所述安装组件包括反力框架，所述加载组件安装于所述反力框架上，所述加载组件中间加载有盾构管片，所述盾构管片组成圆桶状，所述加载组件将盾构管片分为8块加载区，所述加载组件和盾构管片之间设置有防护层，所述加载组件和所述收集测量组件相连，所述加载组件和数据收集测量组件均与控制组件电连接。
10.进一步地，所述加载组件包括千斤顶、弹簧、加压板和电动油压泵，所述千斤顶的数量采用9个且分别用于加载盾构管片的8个方向，所述千斤顶安装于反力框架上，盾构管片的底部设置于有两个平行设置的千斤顶，所述千斤顶远离所述反力框架的一端通过弹簧与加压板固定连接，所述加压板通过防护层与盾构管片相贴合，所述防护层的数量与加压
板的数量相同，电动液压泵站内设置有油压泵，所述千斤顶与油压泵相连，所述电动液压泵站与控制组件电连接。
11.进一步地，所述千斤顶和加压板相互靠近的一端均设置榫头，所述弹簧固定安装于两个榫头之间。
12.进一步地，安装于上侧部的两个千斤顶通过第一安装组件安装于反力框架上，安装于下侧部的两个千斤顶通过第二安装组件安装于反力框架上，安装于正上部的1个千斤顶直接安装于反力框架上，安装于正下部的两个千斤顶均直接安装于安装组件上。
13.进一步地，所述第一安装组件包括垫块、加固钢管和斜撑，所述垫块固定于反力框架的斜角处，所述斜撑固定于反力框架的斜角处远离所述垫块的一端，所述垫块和斜撑之间通过竖直设置的加固钢管进行固定，所述千斤顶安装于所述斜撑上；所述第二安装组件采用工字钢，所述工字钢的平面固定于所述反力框架上，所述工字钢的斜面上安装有千斤顶。
14.进一步地，设置于反力框架正下方的两个的千斤顶通过连接于同一个液压油泵，所述液压油泵的输出端连接有分流阀。
15.进一步地，数据收集测量组件包括位移传感器、压力传感器和位移数据转换器，每个千斤顶上均设置有一个用于检测顶升位移量的位移传感器，所有位移传感器通过位移数据转换器与控制组件电连接，每个液压油泵的输出端均设置有压力传感器。
16.进一步地，所述安装组件还包括推车和垫板，底部设置于有两个平行设置的千斤顶安装于推车上，所述垫板安装于反力框架的底部。
17.进一步地，所述控制组件选用电子计算机。
18.进一步地，所述防护层选用橡胶垫层。
19.本实用新型实施例具有如下优点：
20.1、本实用新型针对盾构隧道管片病害裂损研究的特殊性，提出了盾构隧道模型实验的创新型反力框架，将原本二维的盾构隧道模型实验转变为了三维模型实验，消除了原本二维模型实验无法探究盾构隧道管片纵向裂缝发展情况及环形接缝处压溃、错台等情况的局限性，完善了管片裂缝各向异性扩展规律的实验基础，为盾构管片裂缝研究提供了实验依据，为实际工程中盾构管片裂缝治理措施提供了参考依据。
21.2、采用立式加载台架的安装组件，省去了卧式加载装置需配备的吊装装置，试验条件得到了简化，试验空间占地能大量的缩减，使得试验操作更加灵活；消除了原本卧式加载实验过程中存在对试验结果产生误差的影响因素，如管片与地面接触，二者的摩擦力无法完全消除，各加载参数设定带来误差。
22.3、采用全周式加载方式，且配备的加载装置相互独立，整套加载系统及数据采集系统由计算机控制，能满足不同的加载试验要求，对不同试验目的都能兼容。
23.4、为使得试验操作简单便捷，节省人力物力，将盾构模型置于推车上，并对推车及反力框架进行优化设计，这样一来不仅能够方便盾构模型的移动操作及测量元件布设，还能便于对管片裂损病害演化进行观察，对试验结果的收集提供了便利。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实
施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
25.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
26.图1为本实用新型实施例提供的盾构机三维模型加载装置的横断面图；
27.图2为本实用新型实施例提供的盾构机三维模型加载装置的纵断面图；
28.图3为本实用新型实施例提供的盾构机三维模型加载装置的系统平面布置图。
具体实施方式
29.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.结合图1
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3所示，本实用新型具体实施例公开了一种盾构机三维模型加载装置，包括安装组件、加载组件、数据收集测量组件和控制组件18，所述安装组件包括反力框架1，所述加载组件安装于所述反力框架1上，所述加载组件中间加载有盾构管片6，所述盾构管片6组成圆桶状，所述加载组件将盾构管片6 分为8块加载区，所述加载组件和盾构管片6之间设置有防护层，所述加载组件和所述收集测量组件相连，所述加载组件和数据收集测量组件均与控制组件18 电连接。本实用新型相对于现有的隧道模型箱，不受尺寸效应的限制，因此可以选择相似比大的模型实验，大比尺的盾构模型局部微观结构损伤可观性强，使得实验过程中产生的效果性与真实性较好，能达到预想的理论效果，实验结果相对而言更有意义。相较于模型箱，省略了围岩材料，减少实验的难度以及劳动量，使得试验周期缩短，测量仪器的埋设更加简单，测量数据不受围岩土体干扰，精确性得以保障。本实用新型相对于现有的盾构隧道直接加载模型实验，将先前的二维盾构模型实验转化为了三维的盾构模型实验，解决了隧道裂缝问题研究中二维模型实验无法解释出盾构管片6纵向裂缝发展情况及环形接缝处压溃、错台等情况等矛盾，本实用新型完善了盾构管片6病害劣化问题各向异性的实验机理，针对盾构隧道管片病害研究的特殊性，将二维模型实验转变为了三维模型试验，使得衬砌管片病害实验结果更具可靠性、全面性以及真实性。
31.加载组件包括千斤顶3、弹簧5、加压板8和电动油压泵14，所述千斤顶 3的数量采用9个且分别用于加载盾构管片6的8个方向，所述千斤顶3安装于反力框架1上，盾构管片6的底部设置于有两个平行设置的千斤顶3，所述千斤顶3远离所述反力框架1的一端通过弹簧5与加压板8固定连接，所述加压板8通过防护层与盾构管片6相贴合，所述防护层的数量与加压板8的数量相同，电动液压泵站16内设置有油压泵14，所述千斤顶3与油压泵14相连，所述电动液压泵站16与控制组件18电连接。千斤顶3和加压板8相互靠近的一端均设置榫头
4，所述弹簧5固定安装于两个榫头4之间。安装于上侧部的两个千斤顶3通过第一安装组件安装于反力框架1上，安装于下侧部的两个千斤顶3通过第二安装组件安装于反力框架1上，安装于正上部的1个千斤顶3 直接安装于反力框架1上，安装于正下部的两个千斤顶3均直接安装于安装组件上。第一安装组件包括垫块201、加固钢管202和斜撑203，所述垫块201 固定于反力框架1的斜角处，所述斜撑203固定于反力框架1的斜角处远离所述垫块201的一端，所述垫块201和斜撑203之间通过竖直设置的加固钢管 202进行固定，所述千斤顶3安装于所述斜撑203上；所述第二安装组件采用工字钢9，所述工字钢9的平面固定于所述反力框架1上，所述工字钢9的斜面上安装有千斤顶。设置于反力框架1正下方的两个的千斤顶通过连接于同一个液压油泵，所述液压油泵的输出端连接有分流阀15。数据收集测量组件包括位移传感器12、压力传感器13和位移数据转换器17，每个千斤顶上均设置有一个用于检测顶升位移量的位移传感器12，所有位移传感器12通过位移数据转换器17与控制组件18电连接，每个液压油泵的输出端均设置有压力传感器13。
32.安装组件还包括推车10和垫板11，底部设置于有两个平行设置的千斤顶安装于推车10上，所述垫板11安装于反力框架1的底部，为使得试验操作简单便捷，节省人力物力，将盾构模型置于推车10上，并对推车10及反力框架 1进行优化设计，这样一来不仅能够方便盾构模型的移动操作及测量元件布设，还能便于对管片裂损病害演化进行观察，对试验结果的收集提供了便利。控制组件18选用电子计算机，采用全周式加载方式，且配备的加载装置相互独立，整套加载系统及数据采集系统由计算机控制，能满足不同的加载试验要求，对不同试验目的都能兼容，防护层选用橡胶垫层7。
33.加载组件可以采用气垫式的气压加载系统，整体的原理是相同的，传力效果是一致的，但是液压加载系统能够更好控制操作，输出的压力更加平稳以及精确。
34.本发明能够模拟盾构隧道结构在各地层环境中(不考虑水压力的情况)的受力特性，适用于以下情况(举例说明)：
35.1、模拟探究盾构隧道的极限承载能力，用1#～3#千斤顶模拟竖向土压力， 4#与5#千斤顶模拟侧向土压力，采用数控系统对模型进行分级加载，在保持侧压力系数不变的情况下，加载至隧道结构破坏失效，此时的荷载输出值即为盾构隧道的承载能力；
36.2、模拟盾构隧道在某一地层中所受偏压荷载的作用的情况，控制4#与5# 千斤顶的液压输出值为相应的侧压力值保持不变，底部6#～9#千斤顶不加载施压，通过控制调节顶部1#～3#千斤顶的压力值来模拟偏压地层中的荷载情况；
37.3、模拟几何形状不规则的管片衬砌背后空洞的情况，加压钢板与管片模型之间夹着的橡胶圈层能在盾构隧道全周或是沿隧道纵向任意部位根据空洞的设计工况进行相应的裁剪，裁剪后的区域由于与钢板失去了接触从而达到模拟空洞的目的；
38.4、模拟盾构隧道由于注浆压力过大或围岩膨胀造成仰拱上拱的情况，设定隧道为某一埋深，1#～3#千斤顶模拟竖向土压力，4#与5#千斤顶模拟侧向土压力，加载至既定地层对应的土压力，保持压力不变，通过提升8#与9#千斤顶的荷载值来模拟仰拱上拱的情况。
39.本实用新型针对盾构隧道管片病害裂损研究的特殊性，提出了盾构隧道模型实验的创新型反力框架1，将原本二维的盾构隧道模型实验转变为了三维模型实验，消除了原本二维模型实验无法探究盾构隧道管片纵向裂缝发展情况及环形接缝处压溃、错台等情况的局限性，完善了管片裂缝各向异性扩展规律的实验基础，为盾构管片6裂缝研究提供了实验
依据，为实际工程中盾构管片6 裂缝治理措施提供了参考依据。
40.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。