[发明专利]研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种研究外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置及方法。试验装置包括试验箱、模型隧道和控制模块。模型隧道由多环相互咬合，且可以发生相对运动的管片拼装而成。模型隧道安装在试验箱中部，四周填筑试验土体。控制模块由一组减速电机和一根变截面导杆组成，变截面导杆插入模型隧道内部，可使模型隧道的直径减小，造成地层损失从而产生土拱效应；通过土样表面的钢板和质量块施加外部荷载，实现不同荷载作用位置、作用范围、作用大小等外部荷载工况对盾构隧道土拱效应及土压力变化的影响；通过改变实验土样中砂性土及橡胶颗粒的配比，可以研究不同地层软硬程度下外部荷载对盾构隧道土拱效应的影响，从而为实际工程提供借鉴。

技术领域

本发明涉及一种实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置及方法，属室内模型试验技术领域。

背景技术

随着城市地下轨道交通线路的持续建设、完善，紧邻既有地铁线路的建筑工程施工也越来越多，而此类工程施工均不可避免地为已运营地铁隧道带来诸多安全隐患。其中，外部荷载因其突发性与不确定性的特点，对下部地铁隧道的安全影响问题尤为突出。外部荷载作用下地铁隧道病害产生的直接原因在于其围压及管片受荷状态的改变。盾构隧道掘进施工过程中，由于地层损失，会在土体内部形成土拱效应。在其作用下隧道上部荷载向两侧传递，隧道上覆竖向土压力减小，而侧向水平土压力增大，隧道管片处于一个较为合理和稳定的受荷状态。而外部荷载的作用将破坏土体中的土拱效应，打破管片结构原有的受荷平衡状态，导致隧道横截面变形增大，从而诱发管片混凝土开裂、螺栓失效、接缝张开、管片渗水等病害，进而威胁到地铁列车的运营安全。因此，有必要通过室内模型试验的方式研究外部荷载对隧道土拱效应的影响。目前盾构隧道试验技术无法实现对土拱效应作用的考虑，而现有室内试验技术中对土拱效应的实现方式，如活动挡板下落和气囊抽气，又无法模拟真实的隧道开挖工况，无法获得实际隧道管片土压力分布。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置及方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案是，实现外部荷载对盾构隧道土拱效应影响研究的试验装置，包括试验箱、模型隧道、及控制模块；

所述试验箱为长方体结构，所述试验箱正面板及背板中部开口，用于安置模型隧道；所述模型隧道安置在模型箱中部，通过控制模块控制模型隧道直径的改变，模拟盾构隧道掘进过程中的地层损失，从而在土体中形成土拱效应；

所述模型隧道由互相咬合的多环管片错缝拼接而成，所述多环管片咬合方式为，奇数环管片两端开有圆弧形凹槽，偶数环管片两端各有两根棒状凸起，棒状凸起插入两片奇数环管片相邻的圆弧形凹槽内，并沿圆弧方向自由滑动，从而带动两环管片发生相对环向转动；所述模型隧道管片外径相同，内径则由隧道中部向两端线性增大；

所述控制模块共两套，分别安装在隧道两端；所述控制模块包括变截面导杆和减速电机；所述变截面导杆放置在隧道内部，长度为隧道长度的一半，截面尺寸与隧道内表面尺寸一致；所述减速电机与导杆相连，并通过控制导杆的移动改变模型隧道的直径：导杆往隧道中部移动，隧道直径增大，导杆往隧道两端移动，隧道直径减小。

进一步地，所述试验箱正面为透明钢化玻璃面板，其余侧板、背板及底板为不锈钢板。

进一步地，所述模型隧道外部套有一橡胶套，橡胶套内径与模型隧道最小外径相同。

进一步地，所述多环管片中的每环管片由四块互相独立的小管片组成，小管片外表面粘贴薄膜压力传感器。

进一步地所述模型隧道通过橡胶套与试验箱的正面板及背板中部开口连接，并对模型隧道和试验箱间的孔隙进行密封。

本发明实施例还提供了一种试验装置的外部荷载对盾构隧道土拱效应影响的试验方法，包括以下步骤：