一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，包括模型土箱（1）、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统和开挖卸载系统。本发明专利技术还公开了一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验方法。本发明专利技术提供的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，能够模拟盾构隧道开挖、卸载和注浆过程引起的盾构隧道的隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动工况及对既有管线的影响，可为实际施工提供有价值的参考依据，减少实际施工风险。减少实际施工风险。减少实际施工风险。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，属于隧道工程


技术介绍

[0002]近年来，盾构工程越来越多地应用于公路隧道、城市道路隧道、地铁隧道、输水及排水隧道的建设。随着城市化进程的加快，盾构工程穿越既有地下管线越来越常见，因盾构施工导致既有地下管线过大变形、结构损坏从而影响管线正常使用及盾构施工安全的现象也越来越多。由于盾构开挖直径大于管片外径，不可避免引起土体损失。虽然盾构能够通过壁后注浆充填盾尾间隙，但是壁后注浆浆液从流体状态凝结为稳定的固体状态需要较长一段时间，在此期间内管片处于不稳定状态。而且，由于盾构隧道为一环一环管片通过螺栓拼接而成，隧道纵向成为一个相对柔性结构，处在地层损失引起的空腔内、被流体状态的壁后注浆浆体包裹，管片不可避免地发生上浮及环间错动，从而引起隧道纵向的不均匀变形，进而引起上部管线发生过大位移。因此，如何结合盾构隧道管片上浮、环间错动特性，考虑隧道纵向的不均匀变形，同时考虑地层损失及壁后注浆的影响，来预测盾构施工对既有管线的影响十分重要。
[0003]当前的盾构工程穿越施工的模拟试验装置或方法较多，典型如：ZL201810347418.8提供了一种模拟盾构隧道施工的试验方法，通过与环状橡胶袋相连接的排注装置抽出环状橡胶袋内的注浆液，模拟盾构隧道开挖造成的地层损失；通过与盾构隧道模型相连接的排注装置，模拟卸载效应；通过排注装置向环状橡胶袋中注入注浆液，来模拟同步注浆；通过位移传感器来记录建筑物模型的底部沉降和盾构隧道顶部地表的沉降，通过基桩模型上面设置的应变片的变形情况来记录基桩模型的变形情况。但是该类方法存在的缺陷主要有：（1）仅能一次抽出囊袋中浆液，无法模拟土体损失随着开挖面的移动逐渐向隧道前方发展的规律；（2）同步注浆（即壁后注浆）浆液一次注入囊袋，不能地层中扩散，而实际施工时浆液是逐环注入，并能够在管片与地层之间的间隙中移动、能够向土体中渗透的；（3）未考虑盾构隧道管片上浮、环间错动特性及考虑地层损失、壁后注浆对既有管线沉降变形的综合影响。
[0004]本专利技术能够模拟土体损失随着开挖面的移动逐渐向隧道前方发展的规律，能够模拟壁后注浆浆液在管片与地层之间的间隙中移动、向土体中渗透的现象；能够考虑盾构隧道管片上浮、环间错动特性及考虑地层损失、壁后注浆对既有管线沉降变形的综合影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，能够综合考虑盾构开挖时地层损失、壁后注浆、管片上浮、环间错台、隧道纵向不均匀沉降，同时能够预测盾构施工对既有管线的影响，为盾构工程穿越既有管线的实际工程实施提供参考信息，减小工程风险。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，包括模型土箱、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统和开挖卸载系统；所述模型土箱为透明土箱，材质为有机玻璃；所述地层及加载系统包括地层和加载系统，所述地层采用透明土，所透明土装填于所述模型土箱之中；所述既有管线及监测系统包括管体、预埋于所述管体上的应变片和应力计、以及预埋于所述地层中的土压力盒组成；所述地层损失模拟系统包括透明管、设置于所述透明管尾部的密封圈及设置于所述透明管头部的牵引绳；所述透明管横向贯穿所述模型土箱；所述既有管线及监测系统位于所述透明管上方；所述隧道衬砌系统包括若干彩色管节及连接所述彩色管节的箍环； 所述隧道衬砌系统位于所述地层损失模拟系统内部；所述壁后注浆系统包括设置于所述彩色管节上的若干注浆孔；所述注浆孔与分支输浆管相连，全部所述分支输浆管均与一个总输浆管相连，每个所述分支输浆管上均设置有阀门，所述总输浆管的首端封闭，末端为浆液注入口；所述开挖卸载系统包括带轮小车、放置于所述带轮小车内部的负载及用于牵引所述带轮小车的小车牵引线；所述开挖卸载系统位于所述隧道衬砌系统内部。
[0007]相邻所述彩色管节的颜色不同。
[0008]所述应变片和所述应力计分别通过导线与位于外部的数据采集仪相连，所述数据采集仪与电源连接。
[0009]所述地层损失模拟系统中的所述密封圈密封于所述彩色管节外壁。
[0010]每个所述彩色管节上均设3~5个所述注浆孔。
[0011]所述密封圈和所述箍环均由柔性材料制成。
[0012]所述柔性材料包括橡胶。
[0013]所述负载包括铅块。
[0014]一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验方法，包括以下步骤：A、安装盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置：将彩色管节用箍环连接，并在彩色管节的注浆孔安装分支输浆管和总输浆管；将安装好的隧道衬砌系统装入地层损失模拟系统的透明管中，使透明管尾部的密封圈封住第一节彩色管节的外壁，并在透明管头部安装牵引绳；在第一节彩色管节中放入装有负载的带轮小车，负载重量与隧道体积相应的土体重量相同，隧道体积为与彩色管节长度等长的透明管体积，并给带轮小车安装小车牵引线；在既有管线及监测系统的管体上预埋应变片和应力计；将上述装配好的透明管装入模型土箱；在模型土箱内装入透明土和既有管线及监测系统；B、开挖第1节彩色管节：匀速拉动牵引绳1个彩色管节距离，透明管尾部的密封圈到达第2个彩色管节处，模拟第1节彩色管节开挖引起的地层损失；因彩色管节直径小于透明管直径，通过透明管横断面积与彩色管节横断面积之差模拟第1节彩色管节开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线1个彩色管节距离，装有负载的带轮小车到达第2个彩色管节处，模拟第1节彩色管节开挖引起的卸载效应；因带轮小车重量与第一段透明管体积相等
的土体重量相同，当带轮小车离开第1节彩色管节后，相当于第1节彩色管节内发生了卸载；关闭除第1节彩色管节外的全部阀门，打开第1节彩色管节的阀门，在浆液注入口注入透明凝胶材料，模拟壁后注浆，注浆完毕后，关闭第1节彩色管节的阀门；C、开挖第2节彩色管节：匀速拉动牵引绳1个彩色管节距离，透明管尾部的密封圈到达第3个彩色管节处，模拟第2节彩色管节开挖引起的地层损失；匀速拉动小车牵引线1个彩色管节距离，装有负载的带轮小车到达第3个彩色管节处，模拟第2节彩色管节开挖引起的卸载效应；打开第2节彩色管节的阀门，在浆液注入口注入透明凝胶材料，模拟壁后注浆，注浆完毕后，关闭第2节彩色管节的阀门；D、依照步骤C依次开挖后续彩色管节，通过对透明管的牵引移动，释放透明管与彩色管节之间的土体，实现隧道开挖过程中地层损失量和动态发展过程的模拟；通过控制放置的带轮小车移动，实现模拟隧道开挖引起的卸载效应；通过总输浆管向彩色管节外注入透明凝胶材料、结合透明管尾部的密封圈来模拟壁后注浆过程；通过箍环连接的彩色管节用来模拟隧道上浮、隧道纵向不均匀变形、相邻管节错动；通过设置于既有管线上的应变片、应力计来记录隧道开挖过程中既有管线的变形、内力情况，从而模拟出隧道实际施工过程中对既有管线的影响。
[0015]所述透明管直径D1大于所述彩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，包括模型土箱（1）、地层及加载系统、既有管线及监测系统、地层损失模拟系统、隧道衬砌系统、壁后注浆系统和开挖卸载系统；所述模型土箱（1）为透明土箱；所述地层及加载系统包括地层（2）和加载系统，所述地层（2）采用透明土，所透明土装填于所述模型土箱（1）之中；所述既有管线及监测系统包括管体（31）、预埋于所述管体（31）上的应变片（32）和应力计（33）、以及预埋于所述地层（2）中的土压力盒（34）组成；所述地层损失模拟系统包括透明管（41）、设置于所述透明管（41）尾部的密封圈（42）及设置于所述透明管（41）头部的牵引绳（43）；所述透明管（41）横向贯穿所述模型土箱（1）；所述既有管线及监测系统位于所述透明管（41）上方；所述隧道衬砌系统包括若干彩色管节（51）及连接所述彩色管节（51）的箍环（52）；所述隧道衬砌系统位于所述地层损失模拟系统内部；所述壁后注浆系统包括设置于所述彩色管节（51）上的若干注浆孔（61）；所述注浆孔（61）与分支输浆管相连，全部所述分支输浆管均与一个总输浆管（62）相连，每个所述分支输浆管上均设置有阀门（63），所述总输浆管的首端封闭，末端为浆液注入口（64）；所述开挖卸载系统包括带轮小车（71）、放置于所述带轮小车（71）内部的负载（73）及用于牵引所述带轮小车（71）的小车牵引线（74）；所述开挖卸载系统位于所述隧道衬砌系统内部。2.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，相邻所述彩色管节（51）的颜色不同。3.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述应变片（32）和所述应力计（33）分别通过导线与位于外部的数据采集仪相连，所述数据采集仪与电源连接。4.采用权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述地层损失模拟系统中的所述密封圈（42）密封于所述彩色管节（51）外壁。5.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，每个所述彩色管节（51）上均设3~5个所述注浆孔（61）。6.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述密封圈（42）和所述箍环（52）均由柔性材料制成。7.根据权利要求6所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述柔性材料包括橡胶。8.根据权利要求1所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置，其特征在于，所述负载（73）包括铅块。9.根据权利要求1~8任意一项所述的一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：A、安装盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置：将彩色管节（51）用箍环（52）连接，并在彩色管节（51）的注浆孔（61）安装分支输浆管和总输浆管（62）；将安装好的隧道衬砌系统装入地层损失模拟系统的透明管（41）中，使透明管（41）尾部的密封圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锟，张炎，苏逢彬，魏文义，戴叶谦，魏俊，闵凡路，
申请(专利权)人：河海大学中铁二十一局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：