CN109632606B - 一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验*** - Google Patents
一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***。该***包括模型箱和盾构隧道模型,盾构隧道模型的主体布置在模型箱内,且模型箱内分层填充土样和水样,可移动面板、伸缩直杆和伸缩杆安装座构成隧道开挖面支撑装置;本发明能用变频水泵装置模拟涌潮区江底盾构隧道上方的潮汐荷载,通过设置不同幅值、不同频率的潮汐荷载工况组合,监测开挖面渗流量变化、开挖面附近土体渗流场变化、各测点土样位移变化、各测点支护压力变化,来研究开挖面渗流规律,进而优化盾构施工参数,实现指导设计与施工。
Description
技术领域
本发明属于盾构隧道开挖面渗流试验***领域,特别涉及一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***。
背景技术
盾构法具有施工速度快、对地面交通影响小等优点,目前已广泛应用于国内外的地铁隧道开挖工程中,尤其对于越江隧道施工,盾构法具有独一无二的优势。采用盾构法施工的涌潮区江底隧道,由于潮汐荷载作用导致透水地层承压水变化频繁,因此潮汐荷载对江底盾构隧道施工期间开挖面稳定性的影响较大,容易引起盾构隧道开挖面渗流量过大甚至发生变形破坏。这一问题已经受到了学术界和工程界的普遍关注。
潮汐荷载对盾构隧道施工的影响主要体现在开挖面渗流量和开挖面稳定性两方面,其中开挖面渗流量可以通过仪器直接观测,而开挖面稳定性则需要通过开挖面各个测点土样的位移、支护压力等来体现。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足,提供一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***,该***通过变频水泵装置模拟不同幅值、不同频率的潮汐荷载工况组合,利用土样研究江底盾构隧道开挖面渗流试验,分析研究在潮汐荷载作用下江底盾构隧道开挖面渗流情况。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***,能利用土样研究盾构隧道开挖面渗流试验,包括盾构隧道模型和模型箱,所述模型箱内设有竖直的挡土玻璃板和透水挡土钢板,透水挡土钢板和挡土玻璃板将所述模型箱依次分割成注水腔、试验腔和辅助腔,挡土玻璃板的高度与模型箱的高度相同,挡土玻璃板前端面开有半圆形孔;
试验腔下部填充有透水土层,透水土层上方覆盖不透水土层,所述盾构隧道模型为由半圆环混凝土衬砌构成的半圆环柱形结构,水平设置于所述透水土层内,半圆环混凝土衬砌的一端与挡土玻璃板前端的半圆形孔相连,另一端模拟隧道开挖面,设有可移动面板,长方形的侧面贴于模型箱的前壁。可移动面板通过水平的伸缩直杆与模型箱侧壁相连。
所述可移动面板由半圆形透水石和半圆形刚性合金板构成,所述半圆形透水石设置在试验腔一侧,所述半圆形刚性合金板设置在辅助腔一侧,半圆形透水石和半圆形刚性合金板中间为蓄水槽,蓄水槽中的水通过出水导管引出至一量筒。
所述半圆形透水石的试验腔一侧设置有土压力盒,另一侧设置有LVDT位移传感器。
进一步地,还包括变频水泵、储水容器和输水软管,储水容器通过变频水泵和输水软管向注水腔中注水。
一种所述***的试验方法,该方法为:向注水腔注水,水面高度高于不透水土层的高度,以模拟江底环境,水通过透水挡土钢板渗入到透水土层中,并对可移动面板产生压力,可移动面板压缩伸缩直杆,并往辅助腔方向移动,通过土压力盒和LVDT位移传感器分别获得压力值和位移值;同时透水土层中的水通过半圆形透水石渗入到蓄水槽中,并通过出水导管引出至量筒,获得渗水量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明能用变频水泵装置模拟涌潮区江底盾构隧道上方的潮汐荷载,通过设置不同幅值、不同频率的潮汐荷载工况组合,监测开挖面渗流量变化、开挖面附近土体渗流场变化、各测点土样位移变化、各测点支护压力变化,来研究盾构隧道开挖面渗流规律,进而优化盾构施工参数,实现指导设计与施工。
附图说明
图1为本发明中模型箱的正面透视图。
图2为本发明中模型箱的侧面透视图。
图3为本发明中盾构隧道模型的示意图。
图4为本发明中可移动挡板的正反面示意图。
图5为本发明中透水挡土钢板的示意图。
图中的附图标记为:1.模型箱;2.盾构隧道模型;3.透水土层;4.不透水土层;5.水样;6.变频水泵;7.储水容器;8.加肋钢板;9.挡土玻璃板;10.透水挡土钢板;11.有机玻璃板;12.伸缩杆安装座;13.输水软管;14.伸缩直杆;15.半圆环混凝土衬砌;16.可移动面板;17.半圆形透水石;18.半圆形刚性合金板;19.LVDT位移传感器;20.土压力盒;21.蓄水槽;22.出水口;23.出水导管;24.量筒。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步阐述:
为了明确涌潮区江底盾构隧道在不同幅值、不同频率的潮汐荷载作用下的开挖面渗流规律,提供一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***,能通过变频水泵装置进行不同幅值、不同频率的潮汐荷载工况组合,监测开挖面渗流量变化、开挖面附近土体渗流场变化、各测点土样位移变化、各测点支护压力变化,来实现这一目的。
如附图1、2和3所示的一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***,能利用土样研究盾构隧道开挖面渗流试验,包括盾构隧道模型2和模型箱1,所述模型箱1内设有竖直的挡土玻璃板9和透水挡土钢板10,透水挡土钢板10和挡土玻璃板9将所述模型箱1依次分割成注水腔、试验腔和辅助腔,挡土玻璃板9的高度与模型箱1的高度相同,挡土玻璃板9前端面开有半圆形孔;
试验腔下部填充有透水土层3,透水土层3上方覆盖不透水土层4,所述盾构隧道模型2为由半圆环混凝土衬砌15构成的半圆环柱形结构,水平设置于所述透水土层3内,半圆环混凝土衬砌15的一端与挡土玻璃板9前端的半圆形孔相连,另一端模拟隧道开挖面,设有可移动面板16,长方形的侧面贴于模型箱1的前壁。可移动面板16通过水平的伸缩直杆14与模型箱1侧壁相连。
所述可移动面板16由半圆形透水石17和半圆形刚性合金板18构成,所述半圆形透水石17设置在试验腔一侧,所述半圆形刚性合金板18设置在辅助腔一侧,半圆形透水石17和半圆形刚性合金板18中间为蓄水槽21,蓄水槽21中的水通过出水导管23引出至一量筒24。
所述半圆形透水石17的试验腔一侧设置有土压力盒20,另一侧设置有LVDT位移传感器19。
进一步地,还包括变频水泵6、储水容器7和输水软管13,储水容器7通过变频水泵和输水软管13向注水腔中注水。变频水泵6可以通过调节工作频率和工作时间来控制抽水速率和水位高低,从而模拟不同幅值、不同频率的潮汐荷载工况组合。
所述***的试验方法为:向注水腔注水,水面高度高于不透水土层4的高度,以模拟江底环境,水通过透水挡土钢板10渗入到透水土层3中,并对可移动面板16产生压力,可移动面板16压缩伸缩直杆14,并往辅助腔方向移动,通过土压力盒20和LVDT位移传感器19分别获得压力值和位移值;同时透水土层3中的水通过半圆形透水石17渗入到蓄水槽21中,并通过出水导管23引出至量筒24,获得渗水量。
实施例1
施工顺序:第一步,制备具有一定配合比的水泥砂浆,并通过浇筑、养护、拆模、安装等步骤完成半圆环混凝土衬砌15的制作;
第二步,在模型箱1中相应位置安装挡土玻璃板9、透水挡土钢板10、伸缩杆安装座12和量筒24,并在模型箱1内壁涂抹凡士林,避免土体与模型箱之间摩擦导致的边界效应。所述透水挡土钢板10的滤水孔直径需小于透水土层土样颗粒的中值粒径,以免透水土层的土颗粒大量进入水样中导致的地层损失。透水挡土钢板10如附图5所述。然后将输水软管13、水泵6、储水容器7连接,实现工况模拟。
第三步,为在模型箱1中构建盾构隧道模型2,在挡土玻璃板9上设有与盾构隧道模型2同直径的半圆开口,先向模型箱1内依次填充透水土层3、不透水土层4和水样5至一定高度,并在透水土层3中有机玻璃板11一侧布置与透水土层3试验用土物理力学性质相近的白色细砂作为标记点,在试验过程中,使用摄影设备进行实时拍摄可以更清晰地捕捉开挖面附近土体渗流场的变化过程。然后通过挡土玻璃板9上的半圆开口开挖透水土层3,同时将事先制备好的半圆环混凝土衬砌15安装至盾构隧道模型2开挖完成部分的内壁上;
第四步,将半圆形透水石17和半圆形刚性合金板18安装形成可移动面板16,半圆形透水石17设置在试验腔一侧,半圆形刚性合金板18设置在辅助腔一侧,如附图4所示。并在相应测点安装LVDT位移传感器19和土压力盒20,将安装完成的可移动面板16牢牢贴在开挖面上;
第五步,将伸缩直杆14一端安装在可移动面板16上,另一端安装在伸缩杆安装座12上,位于半圆形透水石17和半圆形刚性合金板18中间的蓄水槽21中的水通过出水导管23引出至量筒24。
试验***安装调试完成后,通过变频水泵6调节工作频率和工作时间来控制抽水速率和水位高低,在不同的试验组别中设置不同频率、不同幅值的潮汐荷载组合,得到不同工况下渗水量以及土压力盒20和LVDT位移传感器19获得的压力值和位移值,得到大量详细的监测数据,通过对数据的对比分析,可以得到不同潮汐荷载工况下,盾构隧道开挖面渗流规律,进而优化盾构施工参数,实现指导设计与施工。
本发明的合理性和适用性已经通过杭州地铁8号线一期工程SG8-2标大直径泥水盾构隧道下穿钱塘江施工这一工程实例得到验证,将本发明模拟得出的盾构隧道开挖面渗流规律和该工程中利用数值模拟得出的结果进行对比,发现误差较小。
最后,需要注意的是,以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种江底盾构隧道施工在潮汐荷载作用下的开挖面渗流试验***,能利用土样研究盾构隧道开挖面渗流试验,其特征在于,包括盾构隧道模型(2)和模型箱(1),所述模型箱(1)内设有竖直的挡土玻璃板(9)和透水挡土钢板(10),透水挡土钢板(10)和挡土玻璃板(9)将所述模型箱(1)依次分割成注水腔、试验腔和辅助腔,挡土玻璃板(9)的高度与模型箱(1)的高度相同,挡土玻璃板(9)前端面开有半圆形孔;
试验腔下部填充有透水土层(3),透水土层(3)上方覆盖不透水土层(4),所述盾构隧道模型(2)为由半圆环混凝土衬砌(15)构成的半圆环柱形结构,水平设置于所述透水土层(3)内,半圆环混凝土衬砌(15)的一端与挡土玻璃板(9)前端的半圆形孔相连,另一端模拟隧道开挖面,设有可移动面板(16),长方形的侧面贴于模型箱(1)的前壁;可移动面板(16)通过水平的伸缩直杆(14)与模型箱(1)侧壁相连;
所述可移动面板(16)由半圆形透水石(17)和半圆形刚性合金板(18)构成,所述半圆形透水石(17)设置在试验腔一侧,所述半圆形刚性合金板(18)设置在辅助腔一侧,半圆形透水石(17)和半圆形刚性合金板(18)中间为蓄水槽(21),蓄水槽(21)中的水通过出水导管(23)引出至一量筒(24)。
2.根据权利要求1所述的开挖面渗流试验***,其特征在于,所述半圆形透水石(17)的试验腔一侧设置有土压力盒(20),另一侧设置有位移传感器(19)。
3.根据权利要求2所述的开挖面渗流试验***,其特征在于,所述位移传感器(19)为LVDT位移传感器。
4.根据权利要求1所述的开挖面渗流试验***,其特征在于,还包括变频水泵(6)、储水容器(7)和输水软管(13),储水容器(7)通过变频水泵和输水软管(13)向注水腔中注水。
5.一种权利要求1所述***的试验方法,其特征在于,该方法为:向注水腔注水,水面高度高于不透水土层(4)的高度,以模拟江底环境,水通过透水挡土钢板(10)渗入到透水土层(3)中,并对可移动面板(16)产生压力,可移动面板(16)压缩伸缩直杆(14),并往辅助腔方向移动,通过土压力盒(20)和位移传感器(19)分别获得压力值和位移值;同时透水土层(3)中的水通过半圆形透水石(17)渗入到蓄水槽(21)中,并通过出水导管(23)引出至量筒(24),获得渗水量。
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GR01 | Patent grant | ||
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