[发明专利]一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种盾构下穿既有管线的施工模拟试验装置及方法，属于隧道工程技术领域。

背景技术

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。

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。

本发明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。

发明内容

本发明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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

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；