[发明专利]盾构隧道结构模型综合试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道结构模型综合试验系统。

背景技术

在盾构隧道的施工过程中，隧道结构受到周围地层的力及其与周围地层的相互作用关系是十分复杂的，因此需要研究隧道结构与地层土体之间的相互作用关系，为盾构隧道的安全、顺利施工进行提供保障。

现有的隧道结构与土体间关系的研究，如日本早稻田大学理工部土木工程系结构实验室、日本土木研究所进行的地铁单线区间盾构隧道-土层复合体的模拟试验，该试验将圆环状的盾构隧道模型竖直放置(模型隧道的中轴线与水平面平行)在一个密封的舱室中，并在舱室中充满模型试验土，最后在舱内加带压水，并用千斤顶对内部土体加压来实现加载。其测试数据为地铁盾构隧道模型的应变。但是在这一试验中，试验装置没有也不能对模型隧道的纵向(中轴线)方向进行约束，模型隧道在加载时不是平面应变状态，不能体现隧道的平面应变特性。另外，由于模型隧道垂直放置，加载舱为垂向的扁平状，装卸模型隧道时都需先将顶部土体挖出，更换隧道模型不方便；且密封舱造价昂贵，尺寸有限，模型隧道的大小受到限制，只能对小尺寸的隧道模型进行试验；同时由于舱内进出不便，在更换模型试验土时也很麻烦；并且由于带压水与模型试验土混合，导致实验材料只能一次性使用，造成浪费。此外，加带压水会影响模型土体材料的配比，使得土体材料的物理性质难以保证，而且实际作用在模型管片上的水压大小难以准确控制。由下地下水文地质条件的影响，某些盾构隧道受到地下水的作用很大，而现有的模型试验系统均无法准确模拟出水荷载的影响。

发明内容

本发明的目的就是提供一种盾构隧道结构模型综合试验系统，该系统可以模拟隧道结构在不同地层条件、不同断面形式隧道及不同的地质水文条件下与地层间的相互作用，并测试出隧道结构的受力情况；能更真实地模拟隧道结构的环境条件，测试数据更精确可靠，且其操作方便，为盾构隧道施工的安全顺利进行提供更加可靠的保障。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种盾构隧道结构模型综合试验系统，其构成是：

土层模拟及土压加载装置由四条钢板围成一正方形的模拟土体腔，土体腔的外侧设置正方形的水平反力框架，反力框架的每一边与土体腔的对应边之间连接有水平土压千斤顶；

附带均匀水压加载装置及非均匀水压加载装置的隧道结构模型轴向垂直地置于土体腔中心；隧道结构模型表面上还安装应变片、位移计及测缝计；隧道结构模型与土体腔之间填充有模拟试验土，模拟试验土中放置有土压力盒；应变片、位移计、测缝计及土压力盒均与分析处理计算机相连；

土体腔的上部覆盖钢盖板，钢盖板上对应于隧道结构模型的位置开孔，土体腔上方还设有垂直反力龙门架，垂直反力龙门架的梁的下部与钢盖板之间连有垂向土压千斤顶。

本发明的工作过程和工作原理是：隧道结构轴向垂直于地面，水平土压千斤顶从水平方向将荷载作用在四条钢板上，再通过钢板向土体传递载荷，以模拟土体将荷载传递给隧道结构，对隧道结构施加力作用；垂向土压千斤顶及钢盖板则限制其纵向变形，实现隧道结构卧式加载。通过改变千斤顶的作用力，可模拟不同土压对隧道结构的作用；更换土体腔中的土体，可以实现地层条件的变换，从而模拟出不同的地层条件下土体对隧道结构的作用；隧道结构模型上带有的均匀水压加载装置及非均匀水压加载装置可以模拟出在不同的地下水条件下，隧道结构所受的水压的作用；再通过安装的应变片、位移计测缝计、及土压力盒等各种测试仪，记录隧道结构所受力的作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、在隧道纵向(即垂直加载方向)设置钢盖板及垂向土压千斤顶，当隧道结构及周围土体受到水平土压千斤顶的作用而产生延隧道纵向(即垂直地面方向)的变形时，通过垂向千斤顶作用在钢盖板上的压力限制其纵向变形，保持隧道和周围土体处于平面应变状态，并且由于通过土体受压将荷载传递给隧道结构模型，而不是直接向隧道结构加压，从而更真实模拟出隧道结构的所受地层压力的情况，使试验数据更准确、可靠。

二、由于采用卧式加载，土体腔呈扁平状态，较之立式加载的高薄土体腔，其更换土体及加载操作均更加方便、简单。

三、将不同断面形式的隧道结构置于土体腔内，即可完成不同断面隧道结构的模拟试验，其应用范围广。

四、均匀、非均匀水压加载装置可模拟不同的地质水文环境下，水压对隧道结构的力的作用，从而使本试验系统对盾构隧道结构的模拟更加真实，尤其适用于地层湿润多水的环境的隧道结构的模拟试验。