[发明专利]一种盾构隧道施工环境模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道施工环境模拟装置。

背景技术

采用盾构隧道施工环境模拟装置进行盾构掘进模型试验，是分析复杂地层环境与盾构隧道施工的相互影响和隧道衬砌结构的力学行为以及盾构隧道病害的产生和发展的一种重要手段。

盾构隧道就是在地层中推进，一边防止土砂崩坍，一边在其内部进行开挖、衬砌作业的一种修建隧道的方法。盾构隧道施工方法通常适用于软弱地层中，其与周围地层环境的相互影响非常大。施工中需根据穿越地层的工程水文地质特点，辅以各种辅助施工措施。盾构既要求承受地层压力，又要保证安全经济地进行隧道掘进。因此，采用盾构隧道施工环境模拟装置模拟地层环境与盾构隧道施工的相互影响以及盾构隧道病害的产生和发展，对盾构隧道的设计和施工提供实验依据，具有十分重要的意义。

现有的盾构隧道施工环境模拟装置并不多，且存在一些不足之处。盾构隧道的施工环境是复杂多变的，常常遇到软弱富水、破碎等地层环境，现有的模拟系统主要采用在模型土箱添加相似材料进行缩小比例的地层环境模拟试验，模型土箱容量小，只能通过更换相似材料来模拟不同的地层环境，能模拟的地层环境简单；无法模拟偏压、高应力场等复杂的地层环境；同时，小容量模型土箱能够模拟的盾构断面形式单一，掘进路线固定，适用面窄；只能用于盾构掘进过程的模拟，忽略了盾尾管片拼装和盾尾脱环、注浆等过程的模拟，没有模拟出完整意义上的掘进全过程。当然，更无法模拟盾构隧道处于复杂三维空间应力形态下的施工过程和配合施工的辅助工法。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道施工环境模拟装置，该装置能够模拟盾构隧道施工所在的各种复杂地层环境，实现真实地层条件下盾构掘进全过程的模拟，以得出盾构隧道施工与周围地层环境的相互影响和盾构隧道病害的影响因素，为盾构隧道的设计和施工提供更加可靠的试验依据，更好地保证隧道的经济和安全。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种盾构隧道施工环境模拟装置，包括基槽、液压加载装置、控制装置，其特征在于：所述的基槽为长方体状的下沉式钢筋混凝土基槽，基槽左、右侧壁的顶部设有槽道，移动式反力架两侧立柱的脚轮安装于槽道内，移动式反力架下表面设有多个千斤顶。

所述的基槽沿纵向方向被隔墙分割为环境模拟场和始发井，隔墙上开有盾构入口，环境模拟场的左、右侧壁及前壁均安装有固定式反力格架，固定式反力格架上均匀布置多个水平方向的千斤顶，千斤顶的前方设有滑动式挡墙单元，滑动式挡墙单元通过滑轨安装于环境模拟场底部。

所述的固定式反力格架上的千斤顶和移动式反力架下表面的千斤顶均与液压加载装置相连接。

本发明的工作过程和原理是：

根据试验需求，在环境模拟场中布置真实地层材料模拟盾构隧道复杂的施工环境，如需模拟盾构隧道近接施工环境，则将预制的既有局部地面和地中建(构)物模型按试验设计埋设在地层相应位置。同时在地层材料中设置土压力盒、应变片、位移传感器、温度传感器等测量元器件。将移动式反力架沿纵向方向调整到加力点位置。控制装置控制液压加载装置按照预定的加载量和加载顺序选择移动式反力架和固定式反力格架上的千斤顶组合出力，以模拟盾构隧道施工环境的初始三维地应力场。再按设定的盾构隧道施工模拟方案，选择相应的盾构机种类和盾构掘进路线开始掘进。

开始掘进后，盾构从始发井出发，经隔墙上的盾构入口进入环境模拟场，完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进，管片拼装和盾尾脱环、注浆及辅助工法等掘进全过程的模拟。

掘进过程中，还可对盾构隧道病害进行模拟：管片拼装时，用开裂的管片模拟衬砌裂缝，用管环间横向缝隙模拟管片错台；注浆时，用衬砌后的空洞模拟注浆不密实等。分析其对隧道结构和周围地层环境的影响。

掘进过程中，土压力盒、应变片、位移传感器、温度传感器等测量元器件动态监测相应的数据。

试验完成后，对各阶段测量元器件反馈的数据进行分析和判断，即可得出既定的试验条件下盾构隧道掘进全过程对地层环境的扰动影响和稳定性，以及盾构隧道病害的影响因素，研究分析隧道结构的受力形态和变化，为盾构隧道的设计和施工提供试验依据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、环境模拟场为开放式大空间结构，材料容量大，模拟的地层环境丰富，可进行大尺度相似模型试验，能够有效消除边界效应，更真实反映复杂的盾构隧道施工环境，适用面广，可靠性好。