研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置及方法

1.本发明涉及一种实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置及方法，属室内模型试验技术领域。


背景技术：

2.随着城市地下轨道交通线路的持续建设、完善，紧邻既有地铁线路的建筑工程施工也越来越多，而此类工程施工均不可避免地为已运营地铁隧道带来诸多安全隐患。其中，外部荷载因其突发性与不确定性的特点，对下部地铁隧道的安全影响问题尤为突出。外部荷载作用下地铁隧道病害产生的直接原因在于其围压及管片受荷状态的改变。盾构隧道掘进施工过程中，由于地层损失，会在土体内部形成土拱效应。在其作用下隧道上部荷载向两侧传递，隧道上覆竖向土压力减小，而侧向水平土压力增大，隧道管片处于一个较为合理和稳定的受荷状态。而外部荷载的作用将破坏土体中的土拱效应，打破管片结构原有的受荷平衡状态，导致隧道横截面变形增大，从而诱发管片混凝土开裂、螺栓失效、接缝张开、管片渗水等病害，进而威胁到地铁列车的运营安全。因此，有必要通过室内模型试验的方式研究外部荷载对隧道土拱效应的影响。目前盾构隧道试验技术无法实现对土拱效应作用的考虑，而现有室内试验技术中对土拱效应的实现方式，如活动挡板下落和气囊抽气，又无法模拟真实的隧道开挖工况，无法获得实际隧道管片土压力分布。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置及方法。
4.为解决上述问题，本发明的技术方案是，实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置，包括试验箱、模型隧道、及控制模块；
5.所述试验箱为长方体结构，所述试验箱正面板及背板中部开口，用于安置模型隧道；所述模型隧道安置在模型箱中部，通过控制模块控制模型隧道直径的改变，模拟盾构隧道掘进过程中的地层损失，从而在土体中形成土拱效应；
6.所述模型隧道由互相咬合的多环管片错缝拼接而成，所述多环管片咬合方式为，奇数环管片两端开有圆弧形凹槽，偶数环管片两端各有两根棒状凸起，棒状凸起插入两片奇数环管片相邻的圆弧形凹槽内，并沿圆弧方向自由滑动，从而带动两环管片发生相对环向转动；所述模型隧道管片外径相同，内径则由隧道中部向两端线性增大；
7.所述控制模块共两套，分别安装在隧道两端；所述控制模块包括变截面导杆和减速电机；所述变截面导杆放置在隧道内部，长度为隧道长度的一半，截面尺寸与隧道内表面尺寸一致；所述减速电机与导杆相连，并通过控制导杆的移动改变模型隧道的直径：导杆往隧道中部移动，隧道直径增大，导杆往隧道两端移动，隧道直径减小。
8.进一步地，所述试验箱正面为透明钢化玻璃面板，其余侧板、背板及底板为不锈钢板。
9.进一步地，所述模型隧道外部套有一橡胶套，橡胶套内径与模型隧道最小外径相同。
10.进一步地，所述多环管片中的每环管片由四块互相独立的小管片组成，小管片外表面粘贴薄膜压力传感器。
11.进一步地所述模型隧道通过橡胶套与试验箱的正面板及背板中部开口连接，并对模型隧道和试验箱间的孔隙进行密封。
12.本发明实施例还提供了一种试验装置的外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验方法，包括以下步骤：
13.(1)试验准备：放置试验装置并清理试验箱，并对其内壁进行润滑。优选地，对透明钢化玻璃面板内壁采用凡士林乳液或透明硅油进行润滑，对其它钢板内壁则粘贴特氟龙薄膜；
14.(2)填筑第一层土体：将试验用砂性土分层倒入试验箱，并夯实至最大密实度，第一层土体厚度等于模型隧道最大直径；
15.(3)安装模型隧道：拼接隧道管片，粘贴薄膜压力传感器，并将拼装好的隧道套入橡胶套中，将两套控制模块的变截面导杆分别从隧道两端插入隧道内部，使得隧道管片带动橡胶套外扩。模型隧道直径达到最大后，安装在试验箱的正面板及背板中部开口处，并通过橡胶套与试验箱的开口连接密封；
16.(4)填筑第二层土体：将砂性土与同级配的橡胶颗粒按不同比例配置不同压缩性能的试验土体，采用砂雨法分层填筑至隧道顶部标高处；
17.(5)填筑第三层土体：采用砂雨法将砂性土填筑至该次试验的设计地表标高处；
18.(6)盾构掘进模拟：通过减速电机控制两根变截面导杆沿隧道轴线向隧道两端移动，使得隧道直径减小，模拟盾构掘进过程造成的地层损失，并形成土拱效应；通过数码相机拍照自动观测并记录土体位移变化，通过薄膜压力传感器记录土压力变化
19.(7)施加外部荷载：在土样表面铺设一块钢板，在钢板上通过不同重量的质量块进行堆载；通过数码相机拍照自动观测并记录土体位移变化，通过薄膜压力传感器记录土压力变化。
20.本发明的有益效果在于，所采用的技术方案不仅可以实现外部荷载作用下，多环拼装盾构隧道土压力分布的模拟，还可以通过控制管片移动，改变隧道直径，考虑盾构掘进过程中产生的土拱效应，研究外部荷载对这一土拱效应的影响，弥补了现有盾构隧道室内试验手段的缺陷。
附图说明
21.图1为本发明试验装置结构示意图；
22.图2为本发明模型隧道及控制模块纵剖面(1-1)示意图；
23.图3为本发明模型隧道及控制模块横剖面(2-2)示意图；
24.图4为本发明模型隧道管片拼接状态示意图；
25.图5为本发明试验方法流程示意图；
26.图中，1为试验箱，2为透明玻璃面板，3为模型隧道，4为控制模块，5为钢板，6为质量块，31为隧道管片，32为橡胶套，41为减速电机，42为变截面导杆。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作详细描述。
28.如图1所示，本实施例提供了一种实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置，包括试验箱1、模型隧道3、及控制模块4；所述模型隧道3安置在模型箱1中部，与控制模块4相连，通过控制模块4控制模型隧道直径的改变，模拟盾构隧道掘进过程中的地层损失，从而在土体中形成土拱效应。
29.如图1所示，试验箱1为长方体结构，其正面为透明钢化玻璃面板2，其余侧板、背板及底板为不锈钢板；所述试验箱透明玻璃面板2及背板中部开口，用于安置模型隧道3；
30.如图2和图3所示，所述模型隧道3由互相咬合的多环隧道管片31错缝拼接而成，每环管片由四块互相独立的小管片组成，小管片外表面粘贴薄膜压力传感器，用于测试实验过程中管片土压力的变化情况；所述模型隧道管片外径相同，内径则由隧道中部向两端线性增大；所述模型隧道外部套有一橡胶套32，橡胶套32在自然状态下，其内径与模型隧道3的最小外径相同；所述模型隧道3两端安置在试验箱透明钢化玻璃面板2及背板的开口处，通过橡胶套32与试验箱连接并对模型隧道和试验箱间的孔隙进行密封；
31.如图4所示，隧道管片32分奇数环管片及偶数环管片，两者形状各不相同。其中，奇数环管片两端开有圆弧形凹槽，偶数环管片两端各有两根棒状凸起。拼装过程中，将偶数环管片的棒状凸起插入两片奇数环管片相邻的圆弧形凹槽内，通过该种连接方式使得偶数环管片与奇数环管片间可沿圆弧方向发生环向的相对转动；
32.如图2、图3和图4所示，控制模块2包括变截面导杆42和减速电机41，共两套，分别安置在隧道的两端；变截面导杆42放置在隧道内部，长度为隧道长度的一半，其截面为圆形，尺寸变化与隧道内表面尺寸变化一致；所述减速电机41与变截面导杆42相连，可控制导杆沿隧道轴线移动，从而改变模型隧道的直径：
33.1)当减速电机41控制变截面导杆42沿隧道轴线向隧道中部移动时，剖面1-1的状态从图2(b)变成图2(a)，隧道管片31在变截面导杆42的推动下，通过环与环之间的转动带动橡皮套32一起沿隧道径向向外移动，剖面2-2的状态从图3(b)变成图3(a)，管片间的拼接状态从图4(a)变成图4(b)，从而使得隧道直径增大；
34.2)当减速电机41控制变截面导杆42沿隧道轴线向隧道两侧移动时，剖面1-1的状态从图2(a)变成图2(b)，隧道管片31在外部土体荷载及橡皮套32的挤压下，沿隧道径向向内移动，剖面2-2的状态从图3(a)变成图3(b)，管片间的拼接状态从图4(b)变成图4(a)，使得隧道直径缩小。
35.如图5所示，本实施例一种实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验方法，包括以下步骤：
36.(1)试验准备：放置试验装置并清理试验箱1，并对其内壁进行润滑：对透明钢化玻璃面板2内壁采用凡士林乳液或透明硅油进行润滑，对其它钢板内壁则粘贴特氟龙薄膜；
37.(2)填筑第一层土体：将试验用砂性土分层倒入试验箱1，并夯实至最大密实度，使得模型隧道3具有一刚度较大的下卧持力层，持力层厚度为0.5m，与模型隧道3最大直径相同；
38.(3)安装模型隧道3：拼接隧道管片31，粘贴薄膜压力传感器，并将拼装好的模型隧
道3套入橡胶套32中，将两套控制模块4的变截面导杆41分别从模型隧道3两端插入模型隧道3内部，使得隧道管片31带动橡胶套32外扩。两根变截面导杆42均插入至模型隧道3中部后，模型隧道3直径达到最大。将模型隧道3安装在试验箱1的预留位置，既透明钢化玻璃面板2及试验箱1背板的圆形开口处，通过橡胶套32与试验箱连接并对模型隧道和试验箱间的孔隙进行密封；
39.(4)填筑第二层土体：将砂性土与同级配的橡胶颗粒按1∶1配置试验土体，采用砂雨法，按50cm落距分层填筑至隧道顶部标高处；
40.(5)填筑第三层土体：采用砂雨法，按50cm落距将砂性土填筑至该次试验的设计地表标高处；
41.(6)盾构掘进模拟：通过减速电机控制两根变截面导杆沿隧道轴线向隧道两端移动，使得隧道直径减小，模拟盾构掘进过程造成的地层损失，并形成土拱效应；
42.(7)施加外部荷载：在土样表面铺设一块钢板5，在钢板上通过不同重量的质量块6进行堆载；
43.盾构掘进模拟及施加外部荷载过程中，通过数码相机拍照自动观测并记录土体位移变化，通过薄膜压力传感器记录土压力变化。试验结束后，清空试验箱内土体，移出模型隧道，改变试验参数，重复步骤(2)开始进行下一组试验。
44.通过改变填土高度、钢板位置、钢板大小、质量块重量，可以研究不同隧道埋深、不同外部荷载作用位置、作用范围、作用大小等复杂外部荷载工况对盾构隧道土拱效应及土压力变化的影响；通过改变步骤(4)中不同砂性土及橡胶颗粒的配比，可以研究不同地层软硬程度下外部荷载对盾构隧道土拱效应的影响。综合以上技术手段及研究方法，可为实际工程提供借鉴。