本發(fā)明涉及了一種地鐵盾構(gòu)施工擾動模型試驗裝置及其試驗方法，屬于地下建筑工程技術(shù)領(lǐng)域，用于地鐵盾構(gòu)施工擾動室內(nèi)模擬試驗研究。

背景技術(shù)：

盾構(gòu)法施工過程中，隨著盾構(gòu)機(jī)不斷掘進(jìn)管片也在盾尾不斷安裝，由于管片外徑小于盾殼外徑，盾尾空隙不斷產(chǎn)生。由于隧道周圍軟粘土自穩(wěn)能力差，盾尾空隙若不能及時填充會導(dǎo)致周圍地層坍塌變形。其中注漿壓力、注漿量等注漿參數(shù)控制技術(shù)是關(guān)鍵。注漿壓力和注漿量過小，不能滿足填充盾尾空隙的要求，將導(dǎo)致隧道周邊土體主動破壞，土體出現(xiàn)坍塌變形；變形過大，又會造成土體的被動擠壓破壞和漿液的浪費。因此，了解地鐵盾構(gòu)施工擾動的機(jī)理至關(guān)重要。

現(xiàn)場原位試驗具有檢測成本高、人工投入大、測量周期長、現(xiàn)場條件復(fù)雜、土體不均勻性大、施工參數(shù)不穩(wěn)定等特點，現(xiàn)場試驗得到的數(shù)據(jù)離散性較大。模型試驗是一種科學(xué)研究的重要手段，對與隧道工程相關(guān)的地層位移等研究非常有幫助。相較于現(xiàn)場原位試驗，模型試驗有模型地基密度、均勻性可控，邊界條件可控、施工參數(shù)精確可控、響應(yīng)可實時監(jiān)測等優(yōu)點。模型試驗可以嚴(yán)格控制各種無關(guān)變量的影響，同時可以設(shè)定各種試驗工況。此外，模型試驗試驗周期短、成本低，便于進(jìn)行大量的試驗，獲得大量數(shù)據(jù)，適合于對擾動原理的研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供了一種地鐵盾構(gòu)施工擾動模型試驗裝置及其試驗方法，能模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對土體產(chǎn)生擾動的過程，可模擬不同掘進(jìn)速度與不同注漿壓力等工況，為盾構(gòu)施工擾動機(jī)理研究提供一個平臺。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一、一種地鐵盾構(gòu)施工擾動模型試驗裝置：

裝置包括用于容置土體的模型槽、模擬掘進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，模型槽裝有內(nèi)用于模擬地鐵盾構(gòu)施工環(huán)境的土體，土體內(nèi)裝有模擬掘進(jìn)系統(tǒng)，注漿系統(tǒng)連接模擬掘進(jìn)系統(tǒng)控制注漿，監(jiān)測系統(tǒng)安裝于模型槽的土體，用于采集土體試驗擾動前后的參數(shù)。

所述的模擬掘進(jìn)系統(tǒng)包括水平置于模型槽中的模擬盾殼和模擬襯砌、填充在模型槽中的模型土體以及置于模型槽外的模擬盾構(gòu)推進(jìn)器，模擬盾殼采用無縫不銹鋼管作為外管，模擬襯砌采用不銹鋼管作為內(nèi)管，模擬盾殼從模型槽一側(cè)的側(cè)壁孔穿入安裝，模擬襯砌從模型槽另一側(cè)的側(cè)壁孔穿入安裝，模擬盾殼套在模擬襯砌外，模擬盾殼和模擬襯砌之間的間隙中沿軸向間隔設(shè)有多根注漿管，注漿管沿模擬盾殼軸向布置，注漿管連接注漿系統(tǒng)，模擬盾構(gòu)推進(jìn)器連接模擬盾殼位于模型槽外的一端，通過其電動電機(jī)運行帶動模擬盾殼向外推動。

所述模型槽是一個一側(cè)帶有觀測功能有機(jī)玻璃檔板的長方形鋼框架結(jié)構(gòu)，在短邊側(cè)壁上開圓形口安裝模擬掘進(jìn)系統(tǒng)。

所述的注漿管外端連接注漿系統(tǒng)，注漿管內(nèi)端延伸到模擬盾殼位于模型槽內(nèi)端部的邊緣，并在模擬盾殼位于模型槽內(nèi)的端部邊緣的內(nèi)側(cè)壁與模擬襯砌外側(cè)壁之間設(shè)有管密封圈，管密封圈上開有用于注漿管穿出的槽，注漿管內(nèi)端延伸到槽口把漿料注到模擬襯砌周圍的盾尾空隙中。

所述的注漿管和管密封圈均固定在模擬盾殼的內(nèi)側(cè)壁。

所述的模擬襯砌位于模型槽外的一端設(shè)有凸緣，模擬襯砌通過凸緣軸向限位在模型槽側(cè)壁。

所述的模擬盾殼與模型槽的側(cè)壁孔之間設(shè)有用于密封的槽密封圈。

所述的注漿系統(tǒng)包括儲漿桶、流量計、壓力計、注漿泵和主送漿管，儲漿桶與注漿泵的輸入端連接，注漿泵的輸出端經(jīng)主送漿管與注漿管連接，注漿泵上設(shè)有流量計和壓力計，主送漿管內(nèi)設(shè)置有控制開閉的球閥。

所述的監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在土體中的百分表、壓電彎曲元、土壓盒、孔壓計、微型測斜儀、微型十字板和微型觸探。

二、一種地鐵盾構(gòu)施工擾動模型試驗方法，包括如下步驟：

1)采用所述裝置，向模型槽中填入作為模擬地鐵盾構(gòu)施工環(huán)境的模型土體，然后依次壓實、加水后靜置；

2)將模擬盾殼和模擬襯砌穿過模型槽完全套接后埋在模型土體中，再填入模型土體并填實，使模擬盾殼和模擬襯砌均與模型土體緊密接觸，繼續(xù)填入模型土體到預(yù)設(shè)高度，填土?xí)r埋置監(jiān)測系統(tǒng)；

3)調(diào)制漿液并置于注漿系統(tǒng)的儲漿桶內(nèi)，按照模擬工況盾構(gòu)速度緩慢水平抽出模擬盾殼，抽出模擬盾殼的同時通過注漿泵注入漿液到模擬襯砌周圍；

4)在抽出模擬盾殼過程中通過監(jiān)測系統(tǒng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；

5)在模擬盾殼完全抽出模型槽后停止注漿，從模型土體中取出監(jiān)測系統(tǒng)，將模型土體取出后沿垂直于模擬盾殼軸向的平面在模型土體中部截斷，通過觀察土體截斷面獲得漿液在土體中擴(kuò)散范圍的試驗結(jié)果。

所述的模型土體與地鐵盾構(gòu)施工環(huán)境的土體相同。

所述漿液的調(diào)制，嚴(yán)格按照漿液重度、初始屈服強(qiáng)度、初始粘度、泌水率與凝結(jié)時間對應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用旋轉(zhuǎn)粘度計配制復(fù)核相似比要求的模型漿液；模型漿液的主要原料為石灰、粉煤灰、中細(xì)砂、膨脹土、添加劑、水。

所述步驟3)中通過控制電動電機(jī)的傳動齒輪比的變化，實現(xiàn)不同盾構(gòu)掘進(jìn)速度下的施工擾動試驗；通過計量泵活塞位移控制，實現(xiàn)不同注漿量下的施工擾動試驗。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明中使用的試驗裝置均可以重復(fù)使用，而且一次實驗周期約為一周左右。因此，可以通過控制注漿壓力和注漿量的不同，以較小的成本反復(fù)模擬不同工況下的同步注漿工藝。

2.一個周期可以進(jìn)行多個施工段，每個施工段中可以實時監(jiān)測土壓、孔壓、地表沉降、剪切波速、測斜、土體密度、土體強(qiáng)度等施工參數(shù)，測定數(shù)據(jù)較為全面，可以完成對地鐵盾構(gòu)施工擾動物理模擬的全過程監(jiān)測。

3.在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)詳細(xì)的研究地鐵盾構(gòu)施工中注漿工藝對周圍土體擾動影響的機(jī)制和原理，并探究擾動范圍與地表沉降量的同注漿工藝的一般規(guī)律。進(jìn)而研究、驗證現(xiàn)有的注漿抬升技術(shù)，為實際施工提供參考，并提出改進(jìn)方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為監(jiān)測斷面布置示意圖；

圖3為本實施實例B處盾尾空隙局部放大示意圖；

圖4為本實施實例C處局部放大示意圖；

圖5為本實施實例D處局部放大示意圖；

圖6為本實施實例監(jiān)測斷面布置示意圖；

圖中：模型槽1、模擬盾殼2、注漿管3、模型土體4、模擬襯砌5、儲漿桶6、流量計7、壓力計8、注漿泵9、主送漿管10、模擬盾構(gòu)推進(jìn)器11、監(jiān)測系統(tǒng)12、盾尾空隙13、百分表14、壓電彎曲元15、土壓盒16、孔壓計17、微型測斜儀18、微型十字板19、微型觸探20、管密封圈21、槽密封圈22。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括用于容置土體的模型槽1、模擬掘進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)12，模型槽1裝有內(nèi)用于模擬地鐵盾構(gòu)施工環(huán)境的土體，土體內(nèi)裝有模擬掘進(jìn)系統(tǒng)，注漿系統(tǒng)連接模擬掘進(jìn)系統(tǒng)控制注漿，監(jiān)測系統(tǒng)12安裝于模型槽1的土體采集試驗數(shù)據(jù)。

模擬掘進(jìn)系統(tǒng)包括水平置于模型槽1中的模擬盾殼2和模擬襯砌5、填充在模型槽1中的模型土體4以及置于模型槽1外的模擬盾構(gòu)推進(jìn)器11，模擬盾殼用于模擬實際地鐵施工的盾構(gòu)機(jī)，模擬盾殼2采用無縫不銹鋼管作為外管，模擬襯砌5采用不銹鋼管作為內(nèi)管，模擬盾殼2從模型槽1一側(cè)的側(cè)壁孔穿入安裝，模擬襯砌5從模型槽1另一側(cè)的側(cè)壁孔穿入安裝，模擬盾殼2套在模擬襯砌5外。模擬盾殼2和模擬襯砌5相套接后，如圖2所示，模擬盾殼2和模擬襯砌5之間的間隙中沿軸向間隔設(shè)有多根注漿管3，注漿管3沿模擬盾殼2軸向布置，注漿管3連接注漿系統(tǒng)，模擬盾構(gòu)推進(jìn)器11連接模擬盾殼2位于模型槽1外的一端，通過其電動電機(jī)運行帶動模擬盾殼2向外推動。所述的模擬盾構(gòu)推進(jìn)器可實現(xiàn)位移精確控制，可通過控制電動電機(jī)的傳動齒輪比的變化，模擬不同的盾構(gòu)掘進(jìn)速度。

注漿管3外端連接注漿系統(tǒng)，注漿管3內(nèi)端延伸到模擬盾殼2位于模型槽1內(nèi)端部的邊緣，并在模擬盾殼2位于模型槽1內(nèi)的端部邊緣的內(nèi)側(cè)壁與模擬襯砌5外側(cè)壁之間設(shè)有管密封圈21，如圖3和圖5所示，管密封圈21上開有用于注漿管3穿出的槽，注漿管3內(nèi)端延伸到槽口把漿料注到模擬襯砌5周圍的盾尾空隙13中。

注漿管3和管密封圈21均固定在模擬盾殼2的內(nèi)側(cè)壁，可采用焊接方式固定。

模擬襯砌5位于模型槽1外的一端設(shè)有凸緣，模擬襯砌5通過凸緣軸向限位在模型槽1側(cè)壁，使得模擬盾殼2向外端軸向移動時模擬襯砌5不會跟隨移動。

如圖4所示，模擬盾殼2與模型槽1的側(cè)壁孔之間設(shè)有用于密封的槽密封圈22。

注漿系統(tǒng)包括儲漿桶6、流量計7、壓力計8、注漿泵9和主送漿管10，儲漿桶6與注漿泵9的輸入端連接，注漿泵9的輸出端經(jīng)主送漿管10與注漿管3連接，注漿泵9上設(shè)有流量計7和壓力計8，主送漿管10內(nèi)設(shè)置有控制開閉的球閥。注漿泵9為能精確控制注漿量的計量泵。

如圖6所示，監(jiān)測系統(tǒng)12包括安裝在土體中的用于測量土體沉降的百分表14、用于測量剪切波速的壓電彎曲元15、用于測量土壓力的土壓盒16、用于測量孔隙水壓力的孔壓計17、用于測量土體內(nèi)部水平位移的微型測斜儀18、用于測量土體抗剪強(qiáng)度的微型十字板19和用于測量密實度和強(qiáng)度的微型觸探20，百分表14、壓電彎曲元15、土壓盒16、孔壓計17、微型測斜儀18、微型十字板19和微型觸探20分別安裝于監(jiān)測斷面。百分表14安裝于監(jiān)測斷面土體表面距豎對稱軸0R、2/3R、4/3R、2R、3R處；壓電彎曲元15對稱斜45度安裝于距模擬襯砌圓心2R處；土壓盒16安裝于水平對稱軸上，距豎對稱軸2R、3R處；孔壓計17安裝于模擬襯砌圓心上方2R、左側(cè)1.5R/2R、下方2R/3R、右方2.5R處；微型測斜儀為與土體深度等長，寬2cm厚2mm的有機(jī)薄玻璃片，貼有應(yīng)變片，分別安裝于距豎對稱軸1.5R、2R、3R處；微型測十字板19與微型觸探20可移動。上述R為模擬襯砌內(nèi)徑。

監(jiān)測系統(tǒng)12可精確測量模型土體擾動前后的變形、孔壓、土壓、剛度和強(qiáng)度等參數(shù)，實現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)施工擾動物理模擬的全過程監(jiān)測。

本發(fā)明實驗裝置的具體試驗過程如下：

1)固定模型槽和驅(qū)動裝置，向模型槽1中填入作為模擬地鐵盾構(gòu)施工環(huán)境的模型土體4，模型土體4與地鐵盾構(gòu)施工環(huán)境的土體相同，具有相似的含水率和液塑限，將模型土體以10cm的厚度分4層填入模型槽1，依次分層壓實、加水，填土?xí)r埋置監(jiān)測系統(tǒng)12的各個監(jiān)測器件，三層填完后以模型槽壁上的開口圓周為限填入下半圓兩側(cè)的土并壓實加水；

2)將φ219mm模擬盾殼2和φ203mm模擬襯砌5穿過模型槽1完全套接后埋在模型土體4中，再填入模型土體4并填實，使模擬盾殼2和模擬襯砌5均與模型土體4緊密接觸，繼續(xù)填入模型土體4到距模擬盾殼外壁18cm處，填土?xí)r埋置監(jiān)測系統(tǒng)12的各個監(jiān)測器件；

3)調(diào)制漿液，向儲漿桶6中放入足量模型漿液，漿液的調(diào)制嚴(yán)格按照漿液重度、初始屈服強(qiáng)度、初始粘度、泌水率與凝結(jié)時間對應(yīng)的相似比進(jìn)行換算，利用旋轉(zhuǎn)粘度計配制復(fù)核相似比要求的模型漿液。

具體實施的模型漿液的主要原料為石灰100kg/m³、粉煤灰400kg/m³、中細(xì)砂600kg/m³、膨脹土50kg/m³、添加劑3kg/m³、水320kg/m³。

4)為模擬盾構(gòu)推進(jìn)器11設(shè)置合適的齒輪比，通過滑動裝置拉動模擬盾殼2以相同速度向左移動，按照模擬工況盾構(gòu)速度20cm/h緩慢水平抽出模擬盾殼2，以模擬實際地鐵盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)，抽出模擬盾殼2的同時控制注漿泵9流量使其滿足相似比1:30并通過注漿管3注入盾尾空隙13，注漿壓力9kpa、12kpa，注漿量3.27cm³/s、3.92cm³/s；

5)在抽出模擬盾殼2過程中通過監(jiān)測系統(tǒng)12采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；

試驗中，一方面通過控制電動電機(jī)的傳動齒輪比的變化，實現(xiàn)不同盾構(gòu)掘進(jìn)速度下的施工擾動試驗，另一方面通過計量泵活塞位移控制，實現(xiàn)不同注漿量下的施工擾動試驗。

6)在模擬盾殼2完全抽出模型槽1后停止注漿，從模型土體4中取出監(jiān)測系統(tǒng)12的各個監(jiān)測器件，將模型土體4取出后沿垂直于模擬盾殼2軸向的平面在模型土體4中部截斷，通過觀察土體截斷面獲得漿液在土體中擴(kuò)散范圍的試驗結(jié)果。

本實例模擬了地鐵1號線U型試驗段的工況，得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場原位剪切波速、測斜、孔壓、沉降數(shù)據(jù)較為一致，能較好的對地鐵盾構(gòu)施工擾動進(jìn)行全過程模擬與監(jiān)測。