一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型

1.本发明涉及盾构隧道模型试验技术领域，尤其是涉及一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型。


背景技术：

2.盾构工法作为主要的隧道施工方法之一，凭借其自动化作业高、施工速度快以及对周围环境影响小等特点，已经在地铁隧道、给排水隧道和电力隧道等各城市交通市政隧道的施工建设中得到了广泛应用。
3.盾构掘进过程中，掌子面开挖和管片拼装等一系列主体施工工序都将在盾构外壳的保护下逐一完成。同时为了控制地层沉降，壁后注浆也是一大关键步骤。管片衬砌结构在从盾尾脱出后将与壁后同步注浆浆液接触，并被浆液紧密包裹。而由于浆液在未凝固前呈流体状态，管片结构则会受同步注浆浆液的浮力作用而出现一定量的上浮。管片上浮情况的存在一定程度上会影响到盾构隧道的整体结构形态，上浮严重时甚至会进一步引起衬砌结构出现破损、掉块、渗透水等危害，从而危及到隧道的安全与稳定。
4.针对盾构隧道管片上浮这一问题，国内外专家学者已做了大量的研究与分析，但其中利用室内试验手段来观察管片上浮过程的相关研究较少，并且已有的试验研究也仅对隧道结构的整体上浮量与上浮力大小做了测量，并不能展现管片环衬砌的真实上浮形态。为此，亟需提供一种能够较为真实的反映实际盾构隧道管片在同步注浆浆液中所受到的浮力作用状态的管片模型试验装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型，以解决现有技术中存在的管片衬砌结构模型无法真实反映实际管片所受到的浆液浮力状态的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
7.本发明提供的一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型，所述管片衬砌结构模型包括多个管片环，所述管片环与原型管片环具有一定的几何相似比，且所述管片环与原型管片环之间具有相同视比重。
8.根据一种优选实施方式，所述管片环的外径和幅宽是基于所述管片环与原型管片环之间的几何相似比确定的；其中，所述管片环的外径和幅宽是分别按照如下公式确定：
9.r1＝r/c
l
；和
10.l’＝l/c
l
，
11.其中，r1和r分别为管片环和原型管片环的外径，l’和l分别为管片环和原型管片环的幅宽，c
l
为预先设定的管片衬砌结构与原型管片的几何相似比值。
12.根据一种优选实施方式，所述管片环的总质量m
总’和管片环内径是基于所述管片
环与原型管片环之间的相同视比重确定的，其中，所述管片环的总质量m
总’和管片环内径是按照如下方式进行确定：
13.利用公式ρ＝m
总
/v
总
＝4m
总
/πr2l得到原型管片环的视比重ρ；其中，m
总
为原型管片环的总质量，v
总
为原型管片环的总体积；
14.基于所确定的视比重ρ、模型管片环的外径r1和幅宽l’利用公式m
总’＝ρ
·
πr
12
l’/4得到管片环的总质量m
总’；
15.根据公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4得到模型管片环的密度ρ
管片环
和管片环内径r2之间的关系。
16.根据一种优选实施方式，当已知所述管片环的材质时，则管片环的密度ρ
管片环
为已知量，基于所确定的总质量m
总’和公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4得到管片环的内径r2。
17.根据一种优选实施方式，当所述管片环的内径r2为已知量时，基于所确定的总质量m
总’和公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4得到管片环的密度ρ
管片环
，并基于所得到的管片环的密度选择相应的管片环材质。
18.根据一种优选实施方式，在所述管片环的内壁上设置增重物，所述增重物能够在当所述管片环的密度ρ
管片环
和内径r2均为已知量时，增加所述管片环的总质量m
总’使其模拟具有不同视比重的原型管片环。
19.根据一种优选实施方式，所述增重物为在所述管片环内壁间隔设置的砝码或沙袋。
20.根据一种优选实施方式，所述管片衬砌结构模型还包括连接在相邻两个所述管片环之间的柔性连接件，所述柔性连接件允许相邻两个管片环在受到不同浮力作用时发生错台。
21.根据一种优选实施方式，所述柔性连接件为沿所述管片环的侧面均匀设置的软管结构，所述软管结构为采用pvc材质的软管。
22.基于上述技术方案，本发明的用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型至少具有如下技术效果：
23.本发明的用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型包括多个管片环，管片环与原型管片环具有一定的几何相似比，且管片环与原型管片环之间具有相同视比重。从而使得管片衬砌结构模型在研究盾构隧道上浮试验中更为真实的反映出实际管片结构的上浮特性，保证了试验的可靠性。
24.另一方面，本发明实施例的用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型可通过在管片环内壁设置增重物以通过改变管片环总质量进而改变管片环的视比重使其模拟不同工程中的管片参数，具有较强的适应性。
25.另一方面，本发明实施例的用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型在相邻两个管片环之间的柔性连接件，柔性连接件允许相邻两个管片环在受到的浮力效应不同时发生错台。从而使得该管片衬砌结构模型可以直观的观测到盾构隧道沿轴向长度上管片上浮姿态变化情况和各管片环间的上浮差异。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明一示例性实施例的管片衬砌结构模型中管片环的结构示意图；
28.图2是本发明另一示例性实施例的管片衬砌结构模型中管片环的结构示意图；
29.图3是本发明一示例性实施例的用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型的结构示意图；
30.图4是本发明一示例性实施例的管片衬砌结构模型中带有柔性连接件的管片环结构示意图。
31.图中：1-管片环；2-外径；3-内径；4-幅宽；5-增重物；6-管片衬砌结构区间；7-柔性连接件；8-软管结构。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
33.下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明。
34.如图1和图3所示，本发明提供的一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型包括多个管片环1，管片环1与原型管片环具有一定的几何相似比，且管片环1与原型管片环之间具有相同视比重。本发明的管片衬砌结构模型为实际管片的相似模型。且管片环与实际管片环具有相等的视比重，视比重＝总质量/总体积，即，管片衬砌结构模型和管片衬砌结构模型内空腔的总质量与总体积之比等于实际管片及其内部空腔的总质量与总体积之比。从而利用该管片衬砌结构模型进行上浮相关试验时，能够在最大程度上模拟出实际管片所受到的浆液浮力作用效果，根据浮力计算公式可知f
浮
＝ρgv，利用该模型所测得的管片上浮力和上浮量均能按照相似比换算得到真实原型管片所受的上浮力和上浮量大小。从而更为真实的反映出实际管片的上浮特性，保证了试验的可靠性。
35.优选的，管片环1的外径2和幅宽4是基于管片环1与原型管片环之间的几何相似比确定的。具体的，为了便于进行室内试验，首先根据实际原型管片的外径r、幅宽l的大小确定一个合适的相似比值，以便再按照该相似比计算模型中管片环的外径r1和幅宽l’。
36.优选的，管片环1的外径2和幅宽4是分别按照如下公式确定：r1＝r/c
l
；和l’＝l/c
l
，
37.其中，r1和r分别为管片环1和原型管片环的外径，l’和l分别为管片环1和原型管片环的幅宽，c
l
为预先设定的管片衬砌结构与原型管片的几何相似比值。
38.进一步优选的，管片环1的总质量m
总’和内径3是基于管片环1与原型管片环之间的相同视比重确定的。其中，管片环1的总质量m
总’和内径3是按照如下方式进行确定：
39.步骤1：利用公式ρ＝m
总
/v
总
＝4m
总
/πr2l得到原型管片环的视比重ρ。其中，ρ为视比重，m
总
为原型管片环的总质量，v
总
为原型管片环的总体积。
40.步骤2：基于所确定的视比重ρ、管片环1的外径r1和幅宽l’利用公式m
总’＝ρ
·
πr12
l’/4得到管片环4的总质量m
总’。
41.步骤3：根据公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4得到管片环1的密度ρ
管片环
和管片环内径r2之间的关系。
42.需要说明的是，本发明的管片衬砌结构模型对管片材质无具体要求。
43.因此，当已知管片环1的材质时，则管片环1的密度ρ
管片环
为已知量，基于所确定的总质量m
总’和公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4得到管片环的内径r2。进而可得到管片衬砌结构模型的厚度，从而确定了管片衬砌结构模型的尺寸大小。
44.而当对模型管片环的厚度有一定要求或管片环内径需严格满足相似比条件时，也即，当管片环1的内径r2为已知量时，基于所确定的总质量m
总’和公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4得到管片环1的密度ρ
管片环
，然后基于所得到的管片环1的密度选择相应的管片环材质，用于制作匀质的管片环结构。
45.为了便于说明本发明的管片衬砌结构模型管片环的参数确定过程，提供了如下示例：
46.例如：已知某一实际盾构隧道管片结构外径r为15.4m，内径r为14.1m，幅宽l为2m，单环管片衬砌的重量m
总
为150600kg。为了研究其在施工过程中的上浮效应，以该盾构隧道为原型制作基于视比重一致原则的管片衬砌模型过程如下：
47.首先根据试验条件确定几何相似比为c
l
＝30，故计算得到模型管片环的外径r1＝r/c
l
＝513mm，幅宽l’＝l/c
l
＝67mm。
48.然后在实际原型管片环与模型管片环视比重相等的情况下，根据公式ρ＝4m
总
/πr2l＝4m
总
'/πr
12
l'可以计算得到模型管片环的总质量m'
总
＝m
总
/c
l3
＝5.58kg。
49.进一步地，在本实施例中采用有机玻璃制作管片衬砌结构模型，此时ρ
管片环
＝1200kg/m3，进而根据公式m
总’＝ρ
管片环
π(r
12-r
22
)l’/4，计算得到模型管片环的内径r2为418mm，则模型管片环的厚度为47.5mm。
50.根据所确定的管片环的各项参数，将用以制作管片的基础材料按照模具浇筑或切割拼接的方式形成用于研究盾构隧道上浮的管片衬砌结构模型。
51.进一步优选的，如图3所示，管片衬砌结构模型还包括连接在相邻两个管片环1之间的柔性连接件7，柔性连接件7允许相邻两个管片环1在不同浮力作用时发生错台。当需要观测区间管片结构上浮情况变化的试验时，可通过柔性连接件将多个管片环拼装起来形成一段盾构隧道管片衬砌结构区间6，柔性连接件用于当不同管片环的上浮量出现差异时允许管片环之间发生错台。以便直观的观测纵向上各管片环之间的上浮量差异。
52.优选的，柔性连接件7为沿管片环1的侧面均匀设置的软管结构8。优选的，软管结构8为采用pvc材质的软管。
53.优选的，为了组合模型中的多个管片环，将柔性连接件例如pvc软管的一部分放入模具中再注入有机玻璃材料以形成整体。待有机玻璃硬化凝固后脱模形成带有柔性连接件的匀质管片环结构，如图4所示。然后移动模具将pvc软管剩余部分放入模具中进行下一环管片环的浇筑制作，最终形成一段盾构隧道管片衬砌结构区间6。
54.进一步优选的，如图2所示，在管片环1的内壁上设置增重物5，增重物5用于当管片环1的密度ρ
管片环
和内径r2均为已知量时，增加管片环1的总质量m
总’使其模拟具有不同视比重的原型管片环。优选的，增重物5为在管片环1内壁间隔设置的砝码或沙袋。增重物用于当
模型管片环的尺寸已经构建完成后，为了研究具有不同视比重的其他原型管片的上浮姿态，可通过在管片环内壁上间隔设置砝码或沙袋，通过改变管片环总质量进而改变管片环的视比重使其模拟不同工程中的管片参数，具有较强的适应性，从而满足实际工程中不同的管片结构或施工情况。
55.本发明的管片衬砌结构模型设计简单，便于操作，能够最大程度上模拟出实际管片所受到的浆液浮力作用效果。同时，通过连接多个管片环形成一段盾构隧道管片衬砌结构区间，能够反映管片衬砌结构沿隧道轴向长度上的上浮情况以及各管片环之间的上浮形态差异和错台现象。
56.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
57.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。