CN111693675A - 可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置及方法，其将模型箱模块化，由多个上下端分别具有向内延伸的翼缘的环形围板构成，其中位于最下方的环形围板封底，有一个环形围板有一侧或者有相对的两侧设有穿越孔，有多个环形围板的翼缘相对的位置设有贯穿翼缘端壁的避让槽，以供既有隧道模型的两端***环形围板和上下翼缘围成的限位凹槽。试验前，根据环形围板的避让槽以及穿越孔的设置情况，对多个环形围板进行相应的垂向排布叠放并固连后，即可进行相应工况及参数的试验布置，而需要进行其他工况试验时，将多个环形围板重新进行垂向排布并固连即可，从而使一个试验装置可用于进行不同工况和不同试验目的的模拟试验。

Description

可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道非开挖施工试验技术领域，特别涉及一种可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置及方法。

背景技术

最近几年，国内外地下工程与城市地下空间建设如火如荼。越来越多的地下轨道交通***得到发展，相应地，地下空间资源也变得紧缺，而随着地下空间资源的紧缺，穿越既有构筑物(如既有隧道、管廊、桩基、基坑等)的隧道工程就越发常见，并且也往近接距离越来越短的趋势而开展，所以保证新建隧道、既有构筑物的安全就越发重要；相应地，针对保证新建隧道、既有构筑物安全性的相关研究也已经开展了很多。

相关的研究方法包括理论分析、数值模拟、模型试验等。其中，模型试验能够较好的模拟实际工况下的施工概况，对在分析隧道施工过程中的安全性有一定指导意义。但是现有隧道非开挖施工(如盾构施工或者顶管施工等隧道非开挖施工)方面开展的模型试验装置尚有不足，例如，现有的此类试验装置设计之初只能模拟新建隧道上穿或者下穿既有隧道中的其中一种工况，而不能根据需要既可以模拟上穿，又可以模拟下穿；或者有些试验装置只能模拟某一确切参数情况下的施工，比如设计之初固定的新建隧道与既有构筑物之间的距离、空间位置关系(如垂直正交、斜交多少度等空间位置关系)，这些在模型设计之初就已经固定不变，针对多种不同的工况，需要设计多种专用的试验装置，也就是说，现有技术不能通过一个试验装置进行不同工况和不同试验目的的模拟试验，不具有通用性，相应的试验成本高。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置及方法，旨在可根据不同工况和不同试验目的模拟隧道施工对自身安全以及环境(如地层和既有构筑物等)的影响。

为实现上述目的，本发明提出一种可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，包括：

模型箱，所述模型箱包括多个垂向分布的环形围板，每个环形围板的上端和下端分别有水平向内延伸的翼缘，并与环形围板围成限位凹槽，上下相邻的环形围板的相邻翼缘之间可拆卸固连且连接处密封，位于最下方的环形围板封底，使多环形围板和翼缘共同围成一个可填充试验土体的容纳空间，其中一个环形围板有一侧或者有相对的两侧设有穿越孔，其他的所述环形围板中至少有一个环形围板的翼缘设有贯穿翼缘端壁的避让槽，以供既有隧道模型的两端***限位凹槽；

新建隧道模型，所述新建隧道管模型为管状，可活动插装于一穿越孔，并可沿穿越孔轴向移动；

掘进***，所述掘进***可在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型沿预设的路径前进，以模拟非开挖式隧道的掘进以及隧道管片的拼装；以及

监测***，用于获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型的受力扰动数据。

为实现上述目的，本发明还提出一种可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验方法，包括如下步骤：

S1、根据试验需求、环形围板的避让槽以及穿越孔的设置情况，完成试验装置、既有构筑物的安装和试验土体的填充工作；

S2、使掘进***在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型沿预设的路径前进，以模拟非开挖式隧道的掘进以及隧道管片的拼装；

S3、由监测***获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型的受力扰动数据。以供根据不同工况和不同试验目的模拟隧道施工对自身安全以及环境的影响。

本发明可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置及方法，将模型箱模块化，由多个上下端分别具有向内延伸的翼缘的环形围板构成，其中位于最下方的环形围板封底，有一个环形围板有一侧或者有相对的两侧设有穿越孔，有多个环形围板的翼缘相对的位置设有贯穿翼缘端壁的避让槽，以供既有隧道模型的两端***环形围板和上下翼缘围成的限位凹槽。试验前，根据环形围板的避让槽以及穿越孔的设置情况，对多个环形围板进行相应的垂向排布叠放并固连后，即可进行相应工况(如上穿或下穿既有隧道等)及参数(如距离和空间位置关系等参数等)的试验布置，而需要进行其他工况试验时，将多个环形围板重新进行垂向排布并固连即可，从而使一个试验装置可用于进行不同工况和不同试验目的的模拟试验，具有有通用性，相应的试验成本低。

附图说明

图1为本发明模拟新建隧道正交穿越上、下两条既有隧道以及切割塑料排水板工况的试验原理主视图；

图2为模拟新建隧道正交穿越上、下两条既有隧道以及切割塑料排水板工况的试验原理侧视图；

图3为本发明模拟新建隧道正交穿越上、下两条既有隧道以及切割塑料排水板工况的试验原理侧视图；

图4为发明模拟新建隧道下穿既有隧道以及水平穿越既有桩基工况的试验原理主视图；

图5为图4为发明模拟新建隧道下穿既有隧道以及水平穿越既有桩基工况的试验原理俯视图；

图6为模拟新建隧道正交穿越上、下两条既有隧道、切割塑料排水板以及水下施工工况的试验原理主视图；

图7为环形围板的示意图；

图8为切削刀头的示意图；

图9为连接杆的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置。

本发明实施例中，如图1至9所示，该可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，包括模型箱100、新建隧道模型6、掘进***、以及监测***。

上述既有构筑物包括既有隧道、管廊、桩基、基坑以及塑料排水板等中的至少一种，模型箱100包括多个垂向分布的环形围板12，每个环形围板12的上端和下端分别有水平向内延伸的翼缘121，并与环形围板12围成限位凹槽122，上下相邻的环形围板12的相邻翼缘121之间可拆卸固连且连接处密封，位于最下方的环形围板12封底(即位于最下方的围的下端封闭)，使多环形围板12和翼缘121共同围成一个可填充试验土体的容纳空间101，其中一个环形围板12有一侧或者有相对的两侧设有穿越孔123(当有相对的两侧设置穿越孔123时，其中一侧的穿越孔123为穿入孔，另一侧的穿越孔123为穿出孔)，其他的(一般指不包括设有所述穿越孔123的环形围板12)所述环形围板12中至少有一个环形围板12的翼缘121设有贯穿翼缘121端壁的避让槽14，以供既有隧道模型15的两端***限位凹槽122，并对既有隧道模型15的两端进行限位，具体地，既有隧道的两端可以插设于同一个环形围板12的限位凹槽122中，也可以插设于上下间隔的环形围板12的限位凹槽122中，以实现对新建隧道和既有隧道多种空间位置关系的模拟。在试验前，可根据环形围板12的避让槽14以及穿越孔123的设置情况，对多个环形围板12进行相应的垂向排布叠放并固连后，即可进行相应工况(如上穿或下穿既有隧道等)及参数(如距离和空间位置关系等参数等)的试验布置，而需要进行其他工况试验时，将多个环形围板12重新进行垂向排布并固连即可，从而使一个试验装置可用于进行不同工况和不同试验目的的模拟试验，具有有通用性，相应的试验成本低。所述新建隧道模型6为管状，具体可由管片拼装而成，材质可以为金属(如钢管)或者其他强度较高的材料(如高分子材料或者碳纤维等)制成，新建隧道模型6可活动插装于一穿越孔123，并可沿穿越孔123轴向移动，新建隧道模型6与穿越孔123的结合处密封，例如在结合处设置密封圈(未图示)，以实现防水。所述掘进***可在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型6沿预设的路径前进(一般为沿穿越孔123的轴向方向移动)，以模拟隧道非开挖掘进以及隧道管片的拼装；监测***用于获取试验土体的变形数据以及新建隧道模型6和既有隧道模型15的受力扰动数据，以供研究隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物(如既有隧道、管廊、桩基、基坑等)和土层的影响。

可以理解地，试验土体的组成以及制作方法均可采用现有技术，其根据试验需求而制定，这里不再对其具体组成以及制作方法进行赘述。

在本发明实施例中，环形围板12可以为圆环形或者方环形等，优选圆环形，其可采用钢或者其他高强度的材料(如高分子材料或者碳纤维等)制成，优选槽钢制成。上下相邻的环形围板12的相邻翼缘121分别设有相对应的锁栓孔13并通过螺栓可拆卸固连，且相邻翼缘121之间设有密封垫圈21，以实现防水，密封垫圈21优选遇水膨胀垫圈(如环氧树脂胶制成的密封垫圈)。

在本发明实施例中，本发明试验装置的各个组成部件的数量和尺寸可根据试验的实际需求而设定。示例性地，环形围板12有5～10个，优选8个，环形围板12的外径为2米，环形围板12和其翼缘121的厚度为2厘米(相应地，环形围板12的内径为1.96米)，限位凹槽122的高度为20厘米，既有隧道模型15的外径为18厘米、长度1.90米，翼缘121的径向宽度为10厘米，穿越孔123的直径为18厘米，新建隧道模型6与穿越孔123间隙配合，外径同样可为18厘米或略小于18厘米。

在本发明实施例中，掘进***可以有多种实施方式，如可以采用现有技术，也可以采用如下实施方式：如图1～9所示，掘进***包括设于新建隧道模型6前端处的切削刀头1、设于新建隧道模型内部接近切削刀头1的泥水仓20、与泥水仓20通连的排渣机构、装于反力结构19(如反力架或者反力墙)上并与新建隧道模型的后端相对的顶进装置4(如千斤顶、油缸或者气缸)、以及与顶进装置4的驱动端相连的电机3(优选步进电机)，电机3的旋转驱动端连接有传动轴2，传动轴2的前端沿新建隧道模型6的内部轴向延伸并穿过泥水仓20后与刀具相连并可驱动切削刀头1旋转，顶进装置4的驱动端伸出时，可驱使电机3和新建隧道模型6同步前进，而电机3工作时，则可通过传动轴2驱使切削刀头1旋转并切削试验土体，同时，切削试验土体产生的渣土进入泥水仓20，并由排渣机构将进入泥水仓20的渣土向外排出。应当说明地是，所述泥水仓20、切削刀头1、以及排渣机构的设置可以参照现有技术，以盾构施工为例，可以参照现有的盾构机的相应零部件的设置方式，在此实施例中，新建隧道模型6可同时视作盾构机的加长盾壳。

示例性地，如图8所示，所述切削刀头1包括与传动轴2的前端连接的刀盘110以及安装(如焊接)于刀盘前端的刀具16，所述刀具16包括刮刀和滚刀等刀具的至少一种。

具体地，所述排渣机构包括排浆泵10、通连排浆泵10的入口端和泥水仓20的排浆管9以及与排浆泵10的出口端通连的废浆池(未图示)，试验过程中，进入泥水仓20的渣土在排浆泵10的作用下，经排浆管9进入排浆泵10，并由排浆泵10排入废浆池。排浆管9优选软管，如采用橡胶、塑料或者防水帆布等制成。

可以理解地，如顶进装置4的顶进行程不足一次完成模拟隧道施工，可将新建隧道模型6和传动轴2设计为拼接式结构，即在顶进装置4在完成一个行程的顶进后，解除电机3的旋转驱动端与传动轴2的联接后，由顶进装置4驱使电机3后退，并在新建隧道模型6和传动轴2的后端分别拼接新建隧道模型延长段和传动轴延长段后，再将电机3的旋转驱动端与延长后的传动轴2连接，然后再通过顶进装置4和电机3的配合，继续驱使新建隧道模型6和切削刀头1掘进，并按此步骤重复操作至完成隧道的模拟施工。

在发明实施例中，将电机3与顶进装置4的驱动端连接的方式有多种，在一较佳实施例中，所述电机3的机体固连有连接杆5，所述连接杆5的前端有向顶进装置4的驱动端延伸的弯折部51，弯折部51与电机3的驱动端固连。具体地，所述连接杆5至少有两个，绕电机3的机体的中心线分布，每个连接杆5的后部夹持并固定于电机3的机体外侧，后端有弯折延伸至与电机3的机体后端壁相接触的限位部52，以提高连接杆5与电机3的连接强度。

进一步地，本发明试验装置还包括注浆***，用以模拟隧道非开挖施工过程中的同步注浆，同时起润滑作用。

可以理解地，注浆***有多种实施例，在一较佳实施例中，注浆***包括注浆泵7以及输送管，新建隧道模型6的管壁设有注浆孔11，输送管一端与注浆泵7相连，另一端伸入新建隧道模型6并与注浆孔11相连，工作过程中，注浆泵7将浆液经进浆管8和注浆孔11注入新建隧道模型6外周与试验土体所形成的空隙中。

进一步地，注浆***还可包括装于输送管的压力计和流量计，压力计和流量计(未图示)分别用于监测注浆***的注浆压力和注浆量，同时便于根据试验需求调节注浆泵7注浆压力和注浆量，以研究在不同注浆压力和不同注浆量下，隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响，具体如何对试验获得的数据进行分析和研究，可参照现有技术，这里不再进行赘述。

在本发明实施例中，监测***包括数据采集装置(未图示)、设置于新建隧道模型6和/或既有隧道模型15外壁的应变片24、设于地表(即试验土体的顶部)处的地表监测仪17(如位移计等)，所述应变片24和地表监测仪17与数据采集装置数据连接(包括数据线连接或者无线通信连接)，应变片24用于监测新建隧道模型6和/或既有隧道模型15的受力和变形，地表监测仪17用于监测地表的变形(如沉降)，具体而言，当试验土体发生变形(或称扰动)时，其地表(即试验土体的顶面)会随试验土体沉降，不同位置的地表监测仪17检测到的数据会发生变化。数据采集装置则可获取地表监测仪17监测到的地表的变形数据以及应变片24监测到的新建隧道模型6和/或既有隧道模型15的受力和变形数据，以供研究隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响。

进一步地，所述监测***还包括埋设于试验土体的孔压计30、设于既有隧道模型15外壁的位移计25、装于切削刀头1前端的压力传感器22和设于传动轴2的扭矩传感器23中的至少一种，所述孔压计30、位移计25、压力传感器22和扭矩传感器23均与数据采集装置数据连接。其中，孔压计30用于监测新建隧道模型6周围试验土体的孔隙压力、位移计25用于监测既有隧道模型15的位移、压力传感器22用于监测切削刀头1前方的土压力和水压力、扭矩传感器23用于监测传动轴2的扭矩、转速和功率，数据采集装置获取新建隧道模型6周围试验土体的孔隙压力、既有隧道模型15的位移数据、切削刀头1前方的土压力和水压力数据、传动轴2的扭矩、转速和功率数据中的至少一种后，供与地表的变形数据以及隧道模型和/或既有隧道模型15的受力和变形数据等参数结合，以更全面地研究隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响。

在本发明实施例中，本发明试验装置还包括水源(如装有水的水箱27或者自来水等)，位于地表以上的环形围板12的侧壁设有进水口，水源和进水口之间通过进水管28通连，进水管28优选软管，如采用橡胶、塑料或者防水帆布等制成，试验过程中，水源经进水管28往容纳空间101注入水，以模拟隧道非开挖施工过程的河水的冲刷和渗流，从而模拟研究水下隧道非开挖施工过程中，河水的冲刷和渗流对隧道施工的自身安全以及地层和既有构筑物的影响。具体地，所述水源为水箱27，其内部装有水，所述反力结构19装有升降装置31(如气缸或者油缸等)，升降装置31的升降驱动端与水箱27相连并可驱动水箱27升降，以调节水箱27的高度、出水量以及出水速度。

进一步地，为研究并判断隧道非开挖施工过程中渗流水的主要来源，可在位于最下方的环形围板12开设出水口(未标示)，同时将出水口通过出水管(未标示)与一容器29(如量杯)通连以收模型箱100中流出的水，并设置空白组和对照组试验分别进行试验，其中，对照组的水箱27的水中添加有氯化钠(NaCl)溶液，空白组则不添加，在分别进行空白组和对照组的模拟试验前，均先分别往试验土体加入蒸馏水以使试验土体浸水饱和，这样，在试验过程中，试验土体中的水主要来自水箱27输入(模拟河水冲刷)和地层中浸入的蒸馏水(模拟地下水)，试验结束后，对水箱27中水的氯离子浓度和容器29中水的氯离子浓度进行测量和比对，以判断隧道非开挖施工过程中渗流水的主要来源。

在介绍了本发明可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置的实施方式之后，接下来将对本发明可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验方法的实施方式进行介绍。可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置的具体结构见上述实施例，重复之处可不作赘述。

在本发明实施例中，如图1至9所示，该可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验方法，包括如下步骤：

S1、根据试验需求(包括工况和参数需求等)、环形围板12的避让槽14以及穿越孔123的设置情况，完成试验装置、既有构筑物模型的安装和试验土体的填充工作。

具体地，试验装置的具体结构以及工作原理参见上述实施例，这里不再进行赘述。所述既有构筑物模型包括既有隧道模型15、既有管廊模型(未图示)、既有桩基模型26、既有基坑模型(未图示)、既有塑料排水板18模型等中的至少一种。

所述工况包括上穿既有隧道、下穿既有隧道或者从上、下两条既有隧道之间穿过等，其中，模拟下穿既有隧道时，将设有穿越孔123的环形围板12排布于插设既有隧道模型15的环形围板12的上方；模拟上穿既有隧道时，将设有穿越孔123的环形围板12排设于插设既有隧道模型15的环形围板12的下方；模拟穿越下两条既有隧道时，则将设有穿越孔123的环形围板12设于两个插设既有隧道模型15的环形围板12之间。参数主要包括与既有构筑物之间的距离以及空间位置关系(如垂直正交、斜交多少度等空间位置关系)等。

S2、使掘进***在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型6沿预设的路径前进，以模拟隧道非开挖掘进以及隧道管片的拼装。

具体地，在步骤S2中，使掘进***在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型6沿预设的路径前进，包括通过顶进装置4的驱动端驱使电机3和新建隧道模型6同步前进，并由电机3的传动轴2驱使切削刀头1转动以切削试验土体，以及通过排渣机构将因切削试验土体产生并进入泥水仓20的渣土向外排出的过程。

更具体地，如顶进装置4的顶进行程不足一次完成模拟隧道施工，在顶进装置4在完成一个行程的顶进后，还包括解除电机3的旋转驱动端与传动轴2的联接后，由顶进装置4驱使电机3后退，并在新建隧道模型6和传动轴2的后端分别拼接新建隧道模型延长段和传动轴延长段后，再将电机3的旋转驱动端与延长后的传动轴2连接，然后再通过顶进装置4和电机3的配合下，继续驱使新建隧道模型6和切削刀头1掘进，并按此步骤重复操作至完成隧道的模拟施工的过程。

进一步地，在步骤S2中，还包括经位于地表上方的进水口往容纳空间101注入水，以模拟隧道非开挖施工过程的河水的冲刷和渗流的过程。

更进一步地，在步骤S2中，还包括在试验前，往试验土体加入蒸馏水以使试验土体浸水饱和，并在对照组往水箱27的水添加氯化钠溶液；在试验过程中，通过容器29收集模型箱100中流出的水；以及在试验后，对水箱27中水的氯离子浓度和容器29中水的氯离子浓度进行测量和比对，以判断隧道非开挖施工过程中渗流水的主要来源的过程。

S3、由监测***获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型15的受力扰动数据。以供研究基于不同工况和不同试验目的隧道施工对自身安全以及地层和既有构筑物等的影响。

具体而言，在步骤S3中，由监测***获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型15的受力扰动数据，包括通过数据采集装置获取地表监测仪17监测到的地表的变形数据、应变片24监测到的新建隧道模型6和/或既有隧道模型15的受力和变形数据的过程。

进一步地，在步骤S3中，还包括通过数据采集装置获取孔压计30监测到的新建隧道模型6周围试验土体的孔隙压力、位移计25监测到的既有隧道模型15的位移、压力传感器22监测到的切削刀头1前方的土压力和水压力、扭矩传感器23监测到的传动轴2的扭矩、转速和功率等数据中的至少一种的过程，以供与地表的变形数据以及隧道模型和/或既有隧道模型15的受力和变形数据等参数结合，以更全面地研究隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响。

下面对本发明试验装置基于不同工况和参数的模拟试验进行示例性说明：

实施例1：

以模拟新建隧道正交穿越上、下两条既有隧道以及切割塑料排水板18为工况进行说明，如图1、图2所示，新建隧道模型6位于上、下两条既有隧道模型15的垂向中间位置，上、下两条既有隧道模型15的两端分别水平***位于新建隧道模型6的上、下方的两个环形围板12的限位凹槽122中，并均与新建隧道模型6正交，试验土***于新建隧道模型6的前方位置还预埋有塑料排水板18，试验过程中，掘进***在试验土体中掘进并中途切割塑料排水板18，同时驱使新建隧道模型6同步前进，以模拟试验土体开挖以及隧道管片的拼装，而监测***的数据集采装置则获取多种监测仪器(如应变片24、孔压计30、地表监测仪17器以及位移计25等)监测到的相应数据，以研究在正交穿越上、下两条既有隧道以及切割塑料排水板18的工况下，隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响

实施例2：

如图3所示，新建隧道模型6位于上、下两条既有隧道模型15的垂向中间位置，位于下方的既有隧道模型15水平***一个环形围板12的限位凹槽122中并与新建隧道模型6正交，位于上方的既有隧道模型15的两端则分别倾斜***上下相邻的两个环形围板12的限位凹槽122中并与新建隧道模型6斜交，以模拟新建隧道斜交穿越上、下两条既有隧道的工况下，隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响。具体试验过程参照实施例1，这里不再进行赘述。

实施例3:

如图4、图5所示，试验土体中预埋有一根位于新建隧道模型6上方的既有隧道模型15，该既有隧道模型15的两端水平***一个环形围板12的限位凹槽122中并与新建隧道正交，且试验土***于新建隧道模型6水平两侧的位置预埋有既有桩基模型26，以模拟正交下穿既有隧道和桩基的工况下，隧道非开挖施工对新建隧道自身安全以及既有构筑物和地层的影响。具体试验过程参照实施例1，这里不再进行赘述。

实施例4：

如图6所示，在实施例1的基础上增加了对河水的冲刷和渗流的模拟，具体而言，本实施例4在反力结构19安装有升降装置31，将装于升降装置31的升降驱动端的水箱27通过进水管28与位于地表以上的环形围板12的进水口连接，并将开设于最下方的环形围板12的出水口通过出水管与一容器29通连。试验过程中，通过升降装置31的升降驱动端与水箱27相连并可驱动水箱27升降，以调节水箱27的高度、出水量以及出水速度，从而模拟研究水下隧道非开挖施工过程中，河水的冲刷和渗流对隧道施工的自身安全以及环境(如地层和既有构筑物等)的影响。并可在对照组中，往水箱27的水加入氯化纳溶液，试验结束后，对水箱27中水的氯离子浓度和容器29中水的氯离子浓度进行测量和比对，以判断隧道非开挖施工过程中渗流水的主要来源。

应当说明的是，除了上述实施例之外，本发明还可以模拟穿越具有孤石的地层、具有溶洞的地层、上软下硬的地层等特殊地层工况下的隧道非开挖施工，其中，具有孤石的地层可通过在试验土体的相应区域预埋孤石实现，具有溶洞的地层可通过在试验土体的相应区域预埋气球实现现，上软下硬的地层可通过不同组份的土料来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，其特征在于，包括：

模型箱，所述模型箱包括多个垂向分布的环形围板，每个环形围板的上端和下端分别有水平向内延伸的翼缘，并与环形围板围成限位凹槽，上下相邻的环形围板的相邻翼缘之间可拆卸固连且连接处密封，位于最下方的环形围板封底，使多环形围板和翼缘共同围成一个可填充试验土体的容纳空间，其中一个环形围板有一侧或者有相对的两侧设有穿越孔，其他的所述环形围板中至少有一个环形围板的翼缘设有贯穿翼缘端壁的避让槽，以供既有隧道模型的两端***限位凹槽；

新建隧道模型，所述新建隧道管模型为管状，可活动插装于一穿越孔，并可沿穿越孔轴向移动；

掘进***，所述掘进***可在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型沿预设的路径前进，以模拟非开挖式隧道的掘进以及隧道管片的拼装；以及

监测***，用于获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型的受力扰动数据。

2.如权利要求1所述的可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，其特征在于：掘进***包括设于新建隧道模型前端处的切削刀头、设于新建隧道模型内部接近切削刀头的泥水仓、与泥水仓通连的排渣机构、装于反力结构上并与新建隧道模型的后端相对的顶进装置、以及与顶进装置的驱动端相连的电机，电机的旋转驱动端连接有传动轴，传动轴的前端沿新建隧道模型的内部轴向延伸并穿过泥水仓后与刀具相连并可驱动切削刀头旋转，顶进装置的驱动端伸出时，可驱使电机和新建隧道模型同步前进。

3.如权利要求2所述的可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，其特征在于：还包括注浆***，注浆***包括注浆泵以及输送管，新建隧道模型的管壁设有注浆孔，输送管一端与注浆泵相连，另一端伸入新建隧道模型并与注浆孔相连。

4.如权利要求1所述的可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，其特征在于：监测***包括数据采集装置、设置于新建隧道模型和/或既有隧道模型外壁的应变片、设于地表处的地表监测仪，所述应变片和地表监测仪与数据采集装置数据连接，应变片用于监测新建隧道模型和/或既有隧道模型的受力和变形，地表监测仪用于监测地表的变形，数据采集装置可获取地表监测仪监测到的地表的变形数据以及应变片监测到的新建隧道模型和/或既有隧道模型的受力和变形数据。

5.如权利要求4所述的可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，其特征在于：所述监测***还包括埋设于试验土体的孔压计、设于既有隧道模型外壁的位移计、装于切削刀头前端的压力传感器和设于传动轴的扭矩传感器中的至少一种，所述孔压计、位移计、压力传感器和扭矩传感器均与数据采集装置数据连接，其中，孔压计用于监测新建隧道模型周围试验土体的孔隙压力、位移计用于监测既有隧道模型的位移、压力传感器用于监测切削刀头前方的土压力和水压力、扭矩传感器用于监测传动轴的扭矩、转速和功率。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置，其特征在于：还包括水源，位于地表以上的环形围板的侧壁设有进水口，水源和进水口之间通过进水管通连，水源可经进水管往容纳空间注入水，以模拟隧道非开挖施工过程的河水的冲刷和渗流。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的可模拟穿越既有构筑物的隧道非开挖施工试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据试验需求、环形围板的避让槽以及穿越孔的设置情况，完成试验装置、既有构筑物的安装和试验土体的填充工作；

S2、使掘进***在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模型沿预设的路径前进，以模拟非开挖式隧道的掘进以及隧道管片的拼装；

S3、由监测***获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型的受力扰动数据。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于：在步骤S2中，使掘进***在试验土体中掘进，并驱动新建隧道模沿预设的路径前进，包括通过顶进装置的驱动端驱使电机和新建隧道模型同步前进，并由电机的传动轴驱使切削刀头转动以切削试验土体，以及通过排渣机构将因切削试验土体产生并进入泥水仓的渣土向外排出的过程；如若顶进装置的顶进行程不足一次完成模拟隧道施工，在顶进装置在完成一个行程的顶进后，还包括解除电机的旋转驱动端与传动轴的联接后，由顶进装置驱使电机后退，并在新建隧道模型和传动轴的后端分别拼接新建隧道模型延长段和传动轴延长段后，再将电机的旋转驱动端与延长后的传动轴连接，然后再通过顶进装置和电机的配合下，继续驱使新建隧道模型和切削刀头掘进，并按此步骤重复操作至完成隧道的模拟施工的过程。

9.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于：在步骤S3中，由监测***获取试验土体的变形数据以及新建隧道和既有隧道模型的受力扰动数据，包括通过数据采集装置获取地表监测仪监测到的地表的变形数据、应变片监测到的新建隧道模型和/或既有隧道模型的受力和变形数据的过程。

10.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于：在步骤S2中，还包括在试验前，往试验土体加入蒸馏水以使试验土体浸水饱和，并在对照组往水箱的水添加氯化钠溶液；在试验过程中，将水箱经进水口往容纳空间注入水，以模拟隧道非开挖施工过程的河水的冲刷和渗流的过程，并通过容器收集模型箱中流出的水；以及在试验后，对水箱中水的氯离子浓度和容器中水的氯离子浓度进行测量和比对，以判断隧道非开挖施工过程中渗流水的主要来源的过程。

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