一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法，其技术方案为：包括衬砌围岩模型、压实装置、模型转向装置、反力加载装置，衬砌围岩模型用于盛装围岩材料；压实装置用于将衬砌围岩模型内部的围岩材料压实；模型转向装置连接于衬砌围岩模型侧面，用于改变衬砌围岩模型的状态；其包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型相连；反力加载装置在衬砌围岩模型竖直设置时反力加载装置用于提供竖向支撑，衬砌围岩模型水平时反力加载装置用于提供反力加载。本发明专利技术能够研究衬砌管片脱盾前后应力状态、衬砌与浆层的结构关系及荷载作用机制及结构失效机制。层的结构关系及荷载作用机制及结构失效机制。层的结构关系及荷载作用机制及结构失效机制。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法


[0001]本专利技术涉及模型试验
，尤其涉及一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法。

技术介绍

[0002]深层地下空间利用，深山、海底隧道的建设都亟需开展深隧的结构安全研究。深地地质条件良好，已形成持力拱，相比水压一般可以忽略；但地下水的静水压力随深度增加而变大，对结构安全起着关键作用。此外，盾构隧道一般采用混凝土管片，通过螺栓连接形成拼装式衬砌，施工过程注浆及长期服役期间地下变化对结构影响需要研究。
[0003]目前针对大埋深下对盾构隧道管片的影响的室内相似模型试验不能很好地研究衬砌管片脱盾前后应力状态、衬砌与浆层的结构关系，并且由于盾构隧道在建设与运营过程中衬砌结构承受的水土压力很高，传统的衬砌结构不能满足其复杂的结构形式。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统及方法，能够研究衬砌管片脱盾前后应力状态、衬砌与浆层的结构关系及荷载作用机制及结构失效机制。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0006]第一方面，本专利技术的实施例提供了一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，包括：
[0007]衬砌围岩模型，用于盛装围岩材料；
[0008]压实装置，用于将衬砌围岩模型内部的围岩材料压实；
[0009]模型转向装置，连接于衬砌围岩模型侧面，用于改变衬砌围岩模型的状态；其包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型相连；
[0010]反力加载装置，衬砌围岩模型竖直设置时反力加载装置用于提供竖向支撑，衬砌围岩模型水平时反力加载装置用于提供反力加载。
[0011]作为进一步的实现方式，还包括设置于衬砌围岩模型侧面的高水压加载装置、注浆装置和监测装置。
[0012]作为进一步的实现方式，所述衬砌围岩模型一侧安装模型支座。
[0013]作为进一步的实现方式，所述衬砌围岩模型包括套设在一起且同心设置的第一压力管、第二压力管，且第一压力管的直径大于第二压力管的直径。
[0014]作为进一步的实现方式，所述第一压力管表面设置若干排气孔、高压注水孔，第一压力管环向布置若干注浆孔；第二压力管端部连接橡胶垫层。
[0015]作为进一步的实现方式，所述压实装置包括横梁、液压千斤顶、环形压实板，横梁通过若干液压千斤顶与环形压实板相连。
[0016]作为进一步的实现方式，所述反力加载装置包括加载组件和反力墙，在衬砌围岩
模型水平放置时，加载组件与反力墙相连。
[0017]作为进一步的实现方式，所述加载组件包括圆板、千斤顶、垫片，千斤顶设置多个，并连接于圆板一侧；所述千斤顶设置内、外两侧，其中，外层千斤顶端部连接垫片。
[0018]作为进一步的实现方式，所述升降机构关于衬砌围岩模型两侧对称安装，升降机构包括液压千斤顶、连接于液压千斤顶底部的支撑板；转动机构包括电机，所述电机与衬砌围岩模型侧壁相连。
[0019]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种盾构隧道结构力学性能模型试验方法，采用所述的模型试验系统，包括：
[0020]将围岩材料倒入衬砌围岩模型中,通过压实装置将围岩材料压实,利用环形钢板进行密封封顶；
[0021]将衬砌围岩模型调整至平行地面方向，降低高度至模型支座接触地面；
[0022]调整反力加载装置使第二压力管与橡胶垫层产生相对轴向位移；
[0023]调整高水压加载装置及注浆装置，模拟无水与高压水条件下的注浆对围岩渗透及衬砌管片包裹情况；
[0024]待第二压力管结构稳定后，调整高水压加载装置，提高水压直至第二压力管发生破坏，并观察第二压力管的渗漏及破坏状态；
[0025]在整个试验过程中利用应变光纤测量装置监测围岩及浆液应变及变形，利用三维激光扫描仪监测衬砌管片变形。
[0026]上述本专利技术的实施例的有益效果如下：
[0027](1)本专利技术的一个或多个实施方式设置压实装置，能够最大程度模拟围岩材料，提高试验数据的准确性；
[0028](2)本专利技术的一个或多个实施方式设置模型转向装置，能够实现先压实围岩材料，后变改衬砌围岩模型状态以进行试验研究，提高了试验的科学性，同时节约了时间成本及劳动力成本；
[0029](3)本专利技术的一个或多个实施方式设置反力加载装置，根据盾构隧道实际施工过程，环向布置千斤顶，通过控制各个千斤顶状态模拟衬砌管片脱盾过程，提高了试验的真实性；
[0030](4)本专利技术的一个或多个实施方式通过设置橡胶垫层，使衬砌管片与围岩材料之间柔性接触，使衬砌管片在模拟脱盾过程中可以产生少量的轴向位移，提高了试验的合理性；
[0031](5)本专利技术的一个或多个实施方式通过透明PC压力管模拟管片模型，基于等效抗弯刚度完全相似，通过降低壁厚模拟纵向接头，提高了试验的科学性；
[0032](6)本专利技术的一个或多个实施方式设计了无水与高水压条件下的注浆试验，高水压加载系统及注浆系统共同作用，还原真实的注浆环境，提高试验数据的准确性；
[0033](7)本专利技术的一个或多个实施方式采用三维激光扫描仪及应变光纤测量装置实时监测试验数据，保证了试验数据的准确性。
附图说明
[0034]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示
意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0035]图1为本专利技术一个或多个实施方式的竖向压实围岩材料示意图；
[0036]图2为本专利技术一个或多个实施方式的整体示意图；
[0037]图3为本专利技术一个或多个实施方式的压实装置示意图；
[0038]图4为本专利技术一个或多个实施方式的衬砌围岩模型示意图；
[0039]图5为本专利技术一个或多个实施方式的衬砌围岩模型剖面示意图；
[0040]图6为本专利技术一个或多个实施方式的模型转向装置示意图；
[0041]图7为本专利技术一个或多个实施方式的模型支座示意图；
[0042]图8为本专利技术一个或多个实施方式的监测装置示意图；
[0043]图9为本专利技术一个或多个实施方式的反力加载装置；
[0044]其中，1-1压实装置，1-2衬砌围岩模型，1-3模型转向装置，1-4加载组件，1-5模型支座，2-1反力加载装置，2-2高水压加载装置，2-3注浆装置，2-4监测装置，3-1横梁，3-2液压千斤顶，3-3环形压实板，4-1第一压力管，4-2监测仪器线路孔，4-3排气孔，4-4高压注水孔，4-5注浆孔，4-6橡胶垫层，4-7第二压力管，4-8钢板，6-1电机轴，6-2电机，6-3液压千斤顶，6-4支撑板，7-1钢板底座，7-2第一支撑件，7-3第二支撑件，8-1反力墙，8-2圆板，8-3千斤顶，8-4垫片，8-5螺栓，9-1计算机，9-2三维激光扫描仪，9-3应变光纤测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，包括：衬砌围岩模型，用于盛装围岩材料；压实装置，用于将衬砌围岩模型内部的围岩材料压实；模型转向装置，连接于衬砌围岩模型侧面，用于改变衬砌围岩模型的状态；其包括升降机构和转动机构，所述升降机构通过转动机构与衬砌围岩模型相连；反力加载装置，衬砌围岩模型竖直设置时反力加载装置用于提供竖向支撑，衬砌围岩模型水平时反力加载装置用于提供反力加载。2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，还包括设置于衬砌围岩模型侧面的高水压加载装置、注浆装置和监测装置。3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述衬砌围岩模型一侧安装模型支座。4.根据权利要求1或3所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述衬砌围岩模型包括套设在一起且同心设置的第一压力管、第二压力管，且第一压力管的直径大于第二压力管的直径。5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述第一压力管表面设置若干排气孔、高压注水孔，第一压力管环向布置若干注浆孔；第二压力管端部连接橡胶垫层。6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构力学性能模型试验系统，其特征在于，所述压实装置包括横梁、液压千斤顶、环形压实板，横梁通过若干液压千斤顶与环形压实板相连。7.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王剑宏，鞠慧，刘健，解全一，左志武，王凯，吕高航，
申请(专利权)人：山东高速集团有限公司，
类型：发明
国别省市：