可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用，该设备包括箱体以及隧道模型，箱体内部形成有模拟腔，模拟腔具有沿竖直向延伸的安装侧壁，且模拟腔的顶部腔壁设置为可上下活动的活动件，以使得模拟腔的容积可调节，隧道模型沿水平向延伸，隧道模型包括待开挖管段及连接在待开挖管段端部的成型管段，成型管段远离待开挖管段的一端与安装侧壁之间设有滑轨结构，隧道模型通过滑轨结构沿竖直向可滑动地安装于安装侧壁。本发明专利技术提供的试验设备能够实现对隧道模型边界处位移的自由度控制，避免因模型尺寸限制，导致隧道模型的靠近安装侧壁的末端受到过度约束或欠约束，影响隧道模型竖向位移的测定，从而消除设备的试验误差。设备的试验误差。设备的试验误差。

【技术实现步骤摘要】
可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用


[0001]本专利技术涉及盾构隧道
，特别涉及一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用。

技术介绍

[0002]随着道路交通的快速发展，隧道建设迎来了高峰期。盾构法以其地质条件适应性强、施工速度快、受环境影响小等优点成为目前隧道掘进工程中最主要的施工方法。盾构隧道施工时，挖去土方的同时，通过管片拼装，形成隧道外壁。由于挖去土方的容重相比拼装后管片在该空间内的平均容重要大得多，成型后的隧道必然会受到一定的浮力作用。此外，盾构隧道施工时，由于盾壳直径比管片直径大，脱离盾尾的管片与地层间会形成盾尾空隙，该空隙会导致地层产生位移。采用壁后注浆可以有效地填充盾尾空隙。当管片脱出盾尾后，同步注浆的浆液达到初凝和早期强度需要一定的时间，因此，隧道管片在浮力的作用下会产生上浮现象。
[0003]现阶段针对盾构隧道管片上浮现象，学者们从理论分析、数值模拟、物理试验角度进行了深入研究。从模型尺寸角度，该类型隧道一般尺寸很大(直径可达到15～16m)，埋深可达到百米，赋存环境水压极大，导致很难进行真实尺度的仿真模拟，一般考虑缩尺试验。然而，现有的盾构隧道缩尺试验对隧道模型端部与箱体之间的连接形式没有深入分析，或采用固接，或不做处理，仅分析隧道模型中间部分的上浮情况，其结果存在一定误差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提出一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备及其应用，旨在解决现有技术中模拟盾构隧道管片上浮现象结果存在误差的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出的一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，包括：
[0006]箱体，内部形成有模拟腔，所述模拟腔具有沿竖直向延伸的安装侧壁，且所述模拟腔的顶部腔壁设置为可上下活动的活动件，以使得所述模拟腔的容积可调节；以及，
[0007]隧道模型，沿水平向延伸，所述隧道模型包括待开挖管段及连接在所述待开挖管段端部的成型管段，所述成型管段远离所述待开挖管段的一端与所述安装侧壁之间设有滑轨结构，所述隧道模型通过所述滑轨结构沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁。
[0008]可选地，所述滑轨结构包括外滑轨、内滑座及滚珠保持架，所述外滑轨固定在所述安装侧壁，所述外滑轨沿竖直向延伸，所述内滑座固定在所述成型管段背离所述待开挖管段的一端，所述内滑座滑动安装于所述外滑轨，以使所述隧道模型沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁，所述滚珠保持架设于所述外滑轨和所述内滑座之间，所述滚珠保持架具有靠近所述外滑轨的第一壁和靠近所述内滑座的第二壁，所述滚珠保持架的第一壁和第二壁分别安装有第一滚珠和第二滚珠，所述第一滚珠用以在所述内滑座沿所述外滑轨滑动时与所述内滑座滚动接触，所述第二滚珠用以在所述内滑座沿所述外滑轨滑动时与所述外滑
轨滚动接触。
[0009]可选地，所述安装侧壁上设有沿上下向延伸的凹槽，所述滑轨结构容设于所述凹槽内。
[0010]可选地，所述模拟腔的上侧形成安装口，所述安装口内活动安装有推板，所述推板构成所述活动件。
[0011]可选地，所述隧道模型包括沿水平方向依次接合的多个管片环。
[0012]可选地，各所述管片环的材质为铝合金材料；和/或，
[0013]相邻两个所述管片环相互拼接设置，且各所述管片环的中部的厚度大于其两端的厚度。
[0014]可选地，还包括：
[0015]外水囊体，套设在所述待开挖管段外；
[0016]内水囊体，填充在所述待开挖管段内；以及，
[0017]抽水装置，所述抽水装置用以抽出所述外水囊体和所述内水囊体中的水。
[0018]可选地，所述待开挖管段包括沿水平方向依次接合的多个前管片环；
[0019]所述外水囊体设有多个，多个所述外水囊体与多个所述前管片环一一对应；
[0020]所述内水囊体设有多个，多个所述内水囊体与多个所述前管片环一一对应。
[0021]可选地，还包括注浆装置，所述注浆装置用以向所述待开挖管段的外侧注浆；和/或，
[0022]还包括监测系统，所述监测系统包括应变计、压力计、位移计及孔压计，所述应变计用于检测所述隧道模型的内力，所述压力计用于检测所述隧道模型受到的注浆压力，所述位移计用于检测所述隧道模型的位移，所述孔压计用于检测所述隧道模型周围的孔隙水压力。
[0023]本专利技术还提出一种盾构隧道开挖同步注浆试验方法，包括以下步骤：
[0024]制备土样，再向模拟腔内填入所述土样，以形成土体层；
[0025]向所述土体层注满水，再通过推板对所述土体层施加载荷，以模拟高水压环境；
[0026]通过抽水装置抽出外水囊体和内水囊体中的水，同时通过注浆装置向待开挖管段的外侧注浆，以分别模拟开挖和同步注浆过程；
[0027]通过PIV技术获取注浆时的浆液扩散情况，并通过应变计检测隧道模型的内力，通过压力计检测所述隧道模型受到的注浆压力，通过位移计检测所述隧道模型的位移，通过孔压计检测所述隧道模型周围的孔隙水压力。
[0028]本专利技术的技术方案中，通过在成型管段远离待开挖管段的一端与安装侧壁之间设置滑轨结构，使得隧道模型在安装侧壁上可沿竖直向滑动，进而在本装置使用过程中隧道模型能够发生竖直向上滑动，以模拟实际的盾构隧道在一定长度范围内存在的持续上浮现象，并实现对隧道模型边界处位移的自由度控制，避免因模型尺寸限制，导致隧道模型的靠近安装侧壁的末端受到过度约束或欠约束，影响隧道模型竖向位移的测定，从而消除设备的试验误差；此外，相对于以往研究中采用的将隧道模型的末端或两端直接固定在箱体上，本装置可以实现在有限长度的隧道模型模拟过程中，避免由于隧道模型的末端过度约束引起的上浮量和内力测定不准确，或隧道模型的两端固定约束无法测定隧道模型上浮的情况；本装置使用过程中会在模拟腔内填入注满水的土样，而通过可上下活动的活动件的设
置，活动件向下活动以对土样加压，从而模拟高水压大埋深环境。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术提供的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的一实施例的结构示意图；
[0031]图2为图1中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的滑轨结构的结构示意图；
[0032]图3为图1中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的抽水装置和注浆装置的布置示意图；
[0033]图4为图3中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的隧道模型处的截面示意图；
[0034]图5为图1中可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备的监测系统的布置示意图；
[0035]图6为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，其特征在于，包括：箱体，内部形成有模拟腔，所述模拟腔具有沿竖直向延伸的安装侧壁，且所述模拟腔的顶部腔壁设置为可上下活动的活动件，以使得所述模拟腔的容积可调节；以及，隧道模型，沿水平向延伸，所述隧道模型包括待开挖管段及连接在所述待开挖管段端部的成型管段，所述成型管段远离所述待开挖管段的一端与所述安装侧壁之间设有滑轨结构，所述隧道模型通过所述滑轨结构沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁。2.如权利要求1所述的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，其特征在于，所述滑轨结构包括外滑轨、内滑座及滚珠保持架，所述外滑轨固定在所述安装侧壁，所述外滑轨沿竖直向延伸，所述内滑座固定在所述成型管段背离所述待开挖管段的一端，所述内滑座滑动安装于所述外滑轨，以使所述隧道模型沿竖直向可滑动地安装于所述安装侧壁，所述滚珠保持架设于所述外滑轨和所述内滑座之间，所述滚珠保持架具有靠近所述外滑轨的第一壁和靠近所述内滑座的第二壁，所述滚珠保持架的第一壁和第二壁分别安装有第一滚珠和第二滚珠，所述第一滚珠用以在所述内滑座沿所述外滑轨滑动时与所述内滑座滚动接触，所述第二滚珠用以在所述内滑座沿所述外滑轨滑动时与所述外滑轨滚动接触。3.如权利要求1所述的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，其特征在于，所述安装侧壁上设有沿上下向延伸的凹槽，所述滑轨结构容设于所述凹槽内。4.如权利要求1所述的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，其特征在于，所述模拟腔的上侧形成安装口，所述安装口内活动安装有推板，所述推板构成所述活动件。5.如权利要求1所述的可控自由度的盾构隧道开挖同步注浆试验设备，其特征在于，所述隧道模型包括沿水平方向依次接合的多个管片环。6.如权利要求5所述的可控自由度的盾构隧道开挖...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，李洁涛，刘鎏，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：