CN109342698B - 一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台，通过自由选取所需模拟的实际隧道横剖面的一段弧长来模拟整个圆形盾构隧道，通过在圆弧隧道上部布置不同厚度、不同性质的土层，模拟实际开挖过程中拱顶上方土体，并在底板上部实现开挖注浆，并通过注浆压力和开挖注浆层内卸压情况进行控制模拟盾构开挖。上覆压力均匀，盾构开挖过程中模拟土层上覆土压力不变，模拟更加真实，贴近实际盾构开挖。本发明制作方便、可拆除回收重复利用，进一步探究土体分层沉降规律，更好的进行沉降监测、指导盾构隧道施工。

Description

一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台及试验方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道沉降试验领域，尤其是一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台及试验方法。

背景技术

随着城市地铁的建设，盾构技术得到大力发展。盾构法施工技术是地铁建设工程的关键技术，随着轨道交通建设的不断进行，盾构施工因其施工的快速、安全迅速在城市轨道交通建设中占据了一席之地。但地表沉降已成为不可忽视的问题，尤其是在地铁隧道建设过程中，对土体的沉降控制尤为重要。目前虽然有对地表沉降的相关监测手段，但大多结构复杂，现场监测通常由于施工条件的各种限制而无法有效实施，盾构室内相似模拟难度较大，为了弄清楚在盾构隧道开挖过程中上覆土体的沉降规律，同时模拟注浆对地表沉降控制的影响，设计一种室内1:1的相似模拟实验平台显得至关重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台，按照实际盾构隧道规模尺寸1:1比例设计，并且能够模拟分层沉降，更加真实、更加准确地模拟盾构隧道上覆土体开挖沉降以及注浆对沉降控制的影响，该平台制作组装方便，可拆除重复利用。

本发明首先提供一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台，其包括由圆弧形底板、侧板、端板以及顶板围成的模拟实验箱，在所述模拟试验箱内，所述圆弧形底板的上部设置下部开挖注浆气层，下部开挖注浆气层设置连通箱体外部的注浆孔和泄压孔，下部开挖注浆气层的上部填充模拟试验土体形成土体填充层，土体填充层的上部铺设上部气体恒压层，上部气体恒压层的上部铺设所述顶板，顶板上方设置有加载***。

通过在顶板和土体之间安装上部气体恒压层，使上覆压力更加均匀，盾构开挖过程中，模拟土层上覆土压力不变。

通过设置下部开挖注浆气层，借助注浆和泄压情况控制模拟盾构开挖，如此使得模拟更加真实，贴近实际盾构开挖。

本发明还提供一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验方法，如下步骤：

（1）隧道断面选取：选取所需模拟的实际隧道横剖面的一段弧长模拟整个圆形盾构隧道；

（2）土压力计算：选择需要模拟的一层或几层土体，计算出拱顶上方厚度h范围内土体的土压力及h范围以上土体的土压力；

（3）模拟试验平台组装：

i、安装圆弧形底板、侧板和端板；

ii、将下部开挖注浆气层铺设于所述圆弧形底板上并充气使下部开挖注浆气层内的气压和所要模拟的拱顶上方承受的全部上覆土压力一致；

iii、在所述下部开挖注浆气层上铺设不同性质和厚度的拱顶上覆试验土体形成土体填充层，各土层厚度总和h；

iv、安装上部气体恒压层、顶板和加载***；

（4）加载及上部土压恒压控制：通过加载***初步加载至拱顶上方h范围以上土体的土压力值，调节加载***对顶板施加的压力，以及借助上部气体恒压层的稳压仓，使得上部气体恒压层内的气压和拱顶上方h范围以上土体的土压力一致、均匀，从而实现拱顶上方土体的原状土压力模拟；

（5）隧道开挖注浆模拟：通过泄压孔从下部开挖注浆气层泄压模拟开挖，泄压同时通过注浆孔进行同步注浆，通过注浆压力和下部开挖注浆气层内气体泄压情况进行控制模拟盾构开挖；

（6）盾构推进模拟：一环泄压注浆模拟开挖结束后，间隔一定时间依次调控下一环泄压注浆开挖即可模拟盾构推进过程。

有益效果：本发明的盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台通过自由选取所需模拟的实际隧道横剖面的一段弧长来模拟整个圆形盾构隧道，通过在圆弧隧道上部布置不同厚度、不同性质的土层，模拟实际开挖过程中拱顶上方土体，并在底板上部实现开挖注浆，并通过注浆压力和开挖注浆层内泄压情况进行控制模拟盾构开挖。通过在顶板和土体之间安装上部气体恒压层，使上覆压力更加均匀，盾构开挖过程中，模拟土层上覆土压力不变。设置下部开挖注浆气层，通过注浆和泄压情况控制模拟盾构开挖，如此使得模拟更加真实，贴近实际盾构开挖。本发明制作方便、可拆除回收重复利用，进一步探究土体分层沉降规律，更好的进行沉降监测、指导盾构隧道施工。

附图说明

图1为本发明模拟试验平台第一实施例的整体结构示意图；

图2为第一实施例的A-A剖面图；

图3为第一实施例的B-B剖面图；

图4为本发明模拟试验平台第二实施例的整体结构示意图；

图5为第二实施例的A-A剖面图；

图6为第二实施例的B-B剖面图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。其中附图标记为：

1、圆弧形底板，2、侧板，2’、侧板单元，3、端板，4、顶板，4’、顶板单元，5、下部开挖注浆气层，6、注浆孔，7、泄压孔，8、填充土层，9、上部气体恒压层，10、环间隔板，11、支架，12、液压千斤顶，13、锁扣，14、侧板支撑架，15、底板横撑，16、稳压仓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

本发明的盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台，其实验原理是：

自由选取所需模拟的实际隧道横剖面的一段弧长来模拟整个圆形盾构隧道，通过在圆弧隧道上部布置不同厚度、不同性质的土层，模拟实际开挖过程中拱顶上方土体，并在下弧线底板上部实现开挖注浆，并通过注浆压力和开挖注浆层内泄压情况进行控制模拟盾构开挖。

如图1-图3所示，本发明一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台的一个具体实施方式，包括由圆弧形底板1、侧板2、端板3以及顶板4围成的模拟实验箱，在所述模拟试验箱内，所述圆弧形底板1的上部设置下部开挖注浆气层5，下部开挖注浆气层5设置连通箱体外部的注浆孔6和泄压孔7，下部开挖注浆气层5的上部填充模拟试验土体形成土体填充层8，土体填充层8的上部铺设上部气体恒压层9，上部气体恒压层9的上部铺设所述顶板4，顶板上方设置有加载***。

本发明模拟试验平台在试验开始前，首先自由选取所需模拟的实际隧道的一段弧长来模拟整个圆形盾构隧道，本发明选取的一段弧长的弧形两端点间宽度d，采用圆弧形底板作为该模拟试验平台的下部支撑和模拟管片，并在圆弧形底板底部两端设置底板横撑15，侧板可采用矩形钢板，底板与侧板铰接，通过调整侧板与竖直方向的夹角来模拟不同直径盾构隧道，通过加载***对顶板施加压力，顶板通过压缩上部气体恒压层对土体加压，模拟拱顶上方厚度h范围以上的土体的上覆土压力。

本发明中，参见附图2，作为一种优选实施方式，上部气体恒压层9厚度h1，具体结构可采用一种横截面矩形的密封充气袋，其上表面与所述顶板的下表面贴合，下表面与所述土体填充层的上表面贴合铺设。

作为一种优选实施方式，参见附图1，上部气体恒压层9还包括与所述密封充气袋连通的稳压仓16，稳压仓16作为上部气体恒压层9的恒压补充，即使下部开挖沉降，稳压仓和上部气体恒压层气压一致，始终不会发生变化。

稳压仓16可以是一个体型较大的密封储气罐，其中装满气体随时补充上部气体恒压层，保证上部气体恒压层在任何时候都能够维持压力不变。

通过在顶板和土体之间安装上部气体恒压层，使上覆压力更加均匀，同时进一步用充满恒压气体的稳压仓接入上部气体恒压层，随着隧道开挖，土体下沉，上部气体恒压层气压会降低，此时稳压仓内的气体会对上部气体恒压层进行补充，使得盾构开挖过程中，模拟土层上覆土压力不变。

本发明中，参见附图2，作为一种优选实施方式，下部开挖注浆气层5厚度h2，具体结构可采用横截面圆弧形的密封充气袋，其形状与圆弧形底板1一致，其上表面与所述土体填充层的下表面贴合，下表面与所述圆弧形底板的上表面贴合铺设。

需要说明的是，上述上部气体恒压层9厚度h1，以及下部开挖注浆气层5厚度h2，都可以根据现场实际情况灵活设计，如充分考虑上覆土压力，密封充气袋的最大承载压强等因素，设计合适的厚度。

开挖导致土体损失和注浆进行土体补偿都是研究沉降规律的重要考量因素，下部开挖注浆气层5开挖前充满气体支撑土体，用于维持土体平衡，通泄压孔泄压开始模拟开挖，泄压同时通过注浆孔进行同步注浆，注浆到一定程度会把土层向上反推，向外泄压和向内注浆的进出量不同，并可以控制，通过注浆压力和泄压情况控制模拟盾构开挖，如此使得模拟更加真实，贴近实际盾构开挖。

参见附图2，本发明注浆孔6的一种具体设置方式，设置于模拟试验箱两侧面的侧板2，对应所述下部开挖注浆气层5位置处。参见附图5，本发明注浆孔6的另一种具体设置方式，设置于模拟试验箱底面的圆弧形底板1，位于或靠近所述圆弧形底板的弧形两端最低位置处。如此设置，是为了确保注浆从最低位置开始，防止无法均匀注浆，确保浆液能够均匀分散地充填满下部开挖注浆气层5。

泄压孔7设置于模拟试验箱底面的圆弧形底板1，位于或靠近所述圆弧形底板的弧形顶点位置处。如此设置，是为了确保排气从最高位置开始，排气更彻底。

进一步参见附图3、图6，作为一种优选实施方式，侧板2为矩形钢板，由若干个矩形的侧板单元2’组成，侧板单元的宽度与模拟管片的宽度一致，相邻的侧板单元之间可采用锁扣13或铰链连接，如此便于组装和拆卸，能够重复利用。

侧板单元2’与所述圆弧形底板1可采用锁扣13或铰链铰接，通过铰接的方式，能够调整侧板与竖直方向的夹角来模拟不同直径的盾构隧道。

进一步参见附图3、图6，作为一种优选实施方式，顶板4也由若干个矩形的顶板单元4’组成，顶板单元的宽度与模拟管片的宽度一致，顶板单元与所述侧板单元铰接。

管片宽度a常见的有1.2m、1.6m，通过不同数量的上板和侧板的拼装，实现灵活选择需要模拟的实际环数，以满足各种不同的试验需求，且拆卸方便。

本发明中，进一步在相邻的顶板单元4’之间设置环间隔板10。在盾构推进模拟时，前一环模拟推进时，上部气体恒压层9膨胀会对临近的恒压层产生侧向挤压，通过在相邻的顶板单元4’之间设置环间隔板10，能够起到隔断这种侧向挤压的作用，一环泄压注浆模拟开挖结束后，间隔一定时间依次调控下一环泄压注浆开挖层，如此模拟盾构推进过程，并且能够有效避免相邻环间的相互干扰。

本发明的加载***可采用支架11和布置于支架11和顶板4之间的若干个液压千斤顶12，液压千斤顶结构简单，便于布置和加载操作。

本发明可在模拟试验箱的两侧设置侧板支撑架14，确保试验箱的整体稳定性，防止加载过程中结构破坏或整体失稳。

本发明的另一个具体实施方式，提出了一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验方法，包括如下步骤：

（1）隧道断面选取：选取所需模拟的实际隧道横剖面的一段弧长模拟整个圆形盾构隧道；

（2）土压力计算：选择需要模拟的一层或几层土体，计算出拱顶上方厚度h范围内土体的土压力及h范围以上土体的土压力；

（3）模拟试验平台组装：

i、安装圆弧形底板、侧板和端板；

ii、将下部开挖注浆气层铺设于所述圆弧形底板上并充气使下部开挖注浆气层内的气压和所要模拟的拱顶上方承受的全部上覆土压力一致；

iii、根据实际勘察情况，在所述下部开挖注浆气层上铺设不同性质和厚度的拱顶上覆试验土体形成土体填充层，各土层厚度总和h；

iv、安装上部气体恒压层、顶板和加载***；

（4）加载及上部土压恒压控制：

通过加载***初步加载至拱顶上方h范围以上土体的土压力值，调节加载***对顶板施加的压力，以及借助上部气体恒压层的稳压仓，使得上部气体恒压层内的气压和拱顶上方h范围以上土体的土压力一致、均匀，从而实现拱顶上方土体的原状土压力模拟；

（5）隧道开挖注浆模拟：

开挖前下部开挖注浆气层充满气体，维持土体平衡。

通过泄压孔从下部开挖注浆气层泄压模拟开挖，泄压同时通过注浆孔进行同步注浆，通过注浆压力和下部开挖注浆气层内气体泄压情况进行控制模拟盾构开挖；

随着隧道开挖，土体下沉，上部气体恒压层气压会降低，此时稳压仓内的气体会对上部气体恒压层进行补充，使得盾构开挖过程中，模拟土层上土压力不变。

（6）盾构推进模拟：

一环泄压注浆模拟开挖结束后，间隔一定时间依次调控下一环泄压注浆开挖即可模拟盾构推进过程。

可进一步设置环间隔板10，隔断相邻环间的侧向挤压，有效避免相邻环间的相互干扰。

需要说明的是，本发明在平台组装过程中，在土层中布置监测装置，如根据想监测的位置在土层中布置土压力盒监测隧道开挖过程中不同土层土压力变化，根据想监测的方向在土层中不同方向布置单点位移计监测竖向沉降和其他方向的位移，这些都可以灵活布置，也可以选择其他监测手段，可以用分布光纤测位移、应力应变，或者将每层土染色，盾构隧道挖完后打开取模拟试验平台横截面观察，这都属于本领域的常用监测原理和手段，不是本发明的改进重点，在此不作重点阐述。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种盾构隧道上覆土体沉降模拟试验平台，其特征在于：其包括由圆弧形底板、侧板、端板以及顶板围成的模拟试验箱，在所述模拟试验箱内，所述圆弧形底板的上部设置下部开挖注浆气层，下部开挖注浆气层设置连通箱体外部的注浆孔和泄压孔，下部开挖注浆气层的上部填充模拟试验土体形成土体填充层，土体填充层的上部铺设上部气体恒压层，上部气体恒压层的上部铺设所述顶板，顶板上方设置有加载***；其中，所述下部开挖注浆气层为横截面圆弧形的密封充气袋，其上表面与所述土体填充层的下表面贴合，下表面与所述圆弧形底板的上表面贴合铺设；所述注浆孔设置于模拟试验箱两侧面的侧板，对应所述下部开挖注浆气层位置处；或者设置于模拟试验箱底面的圆弧形底板，位于或靠近所述圆弧形底板的弧形两端最低位置处；所述泄压孔设置于模拟试验箱底面的圆弧形底板，位于或靠近所述圆弧形底板的弧形顶点位置处；所述侧板由若干个矩形的侧板单元组成，侧板单元的宽度与模拟管片的宽度一致；所述顶板由若干个矩形的顶板单元组成，顶板单元的宽度与模拟管片的宽度一致。

2.根据权利要求1所述的模拟试验平台，其特征在于：所述上部气体恒压层为横截面矩形的密封充气袋，其上表面与所述顶板的下表面贴合，下表面与所述土体填充层的上表面贴合铺设。

3.根据权利要求2所述的模拟试验平台，其特征在于：所述上部气体恒压层还包括与所述密封充气袋连通的稳压仓。

4.根据权利要求1所述的模拟试验平台，其特征在于：所述侧板单元与所述圆弧形底板铰接。

5.根据权利要求4所述的模拟试验平台，其特征在于：所述顶板单元与所述侧板单元铰接。

6.根据权利要求5所述的模拟试验平台，其特征在于：相邻的所述顶板单元之间设置有环间隔板。

7.根据权利要求1所述的模拟试验平台，其特征在于：所述加载***包括支架和布置于所述支架和顶板之间的若干个液压千斤顶。

8.根据权利要求1所述的模拟试验平台，其特征在于：所述模拟试验箱的两侧设置有侧板支撑架。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述模拟试验平台的盾构隧道上覆土体沉降模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）隧道断面选取：选取所需模拟的实际隧道横剖面的一段弧长模拟整个圆形盾构隧道；

（2）土压力计算：选择需要模拟的一层或几层土体，计算出拱顶上方厚度h范围内土体的土压力及h范围以上土体的土压力；

（3）模拟试验平台组装：

i、安装圆弧形底板、侧板和端板；

ii、将下部开挖注浆气层铺设于所述圆弧形底板上并充气使下部开挖注浆气层内的气压和所要模拟的拱顶上方承受的全部上覆土压力一致；

iii、在所述下部开挖注浆气层上铺设不同性质和厚度的拱顶上覆试验土体形成土体填充层，各土层厚度总和h；

iv、安装上部气体恒压层、顶板和加载***；

（4）加载及上部土压恒压控制：通过加载***初步加载至拱顶上方h范围以上土体的土压力值，调节加载***对顶板施加的压力，以及借助上部气体恒压层的稳压仓，使得上部气体恒压层内的气压和拱顶上方h范围以上土体的土压力一致、均匀，从而实现拱顶上方土体的原状土压力模拟；

（5）隧道开挖注浆模拟：通过泄压孔从下部开挖注浆气层泄压模拟开挖，泄压同时通过注浆孔进行同步注浆，通过注浆压力和下部开挖注浆气层内气体泄压情况进行控制模拟盾构开挖；

（6）盾构推进模拟：一环泄压注浆模拟开挖结束后，间隔一定时间依次调控下一环泄压注浆开挖即可模拟盾构推进过程。