免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法技术

一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法，其模型，包括试验槽，试验槽顶部后方设有反力架，试验槽顶部中间设有测量架，近测量架与反力架的横杆底端且垂直于测量架与反力架，连接有若干加载杆，每个加载杆底部通过吊杆将多功能管片悬吊于试验槽内；通过多功能管片的特殊构造实现盾构机施工过程中产生的荷载及变形效应，实现盾构施工的缩尺试验，具有结构合理，操作方便，模拟试验精度高，成本低的优点。成本低的优点。成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】
免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法


[0001]本专利技术属于盾构施工工程
，具体涉及一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法。

技术介绍

[0002]近年来，城市建设的不断完善，各个城市都开始了兴建地铁的工程建设。城市地铁建设与山岭隧道不同，地层错综复杂，常伴有地下水位和河道影响，在实际施工中一般采用盾构施工的方法进行建设。由于盾构施工工程规模大，会在不同程度上造成土体的扰动，影响地面建筑的安全使用。在实际工程中，现场试验造价昂贵，计算模拟精度和可行度有限，因此常采用室内缩尺试验作为研究地铁盾构影响的手段。然而由于盾构机模型的复杂性，在大缩尺比下，很难进行盾构机的缩尺模拟，其缩尺试验结果精度也有限。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型及其试验方法，能够利用管片的特殊构造，实现盾构施工的缩尺试验，具有结构合理，操作方便，模拟试验精度高，成本低的优点。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0005]一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，包括试验槽1，所述试验槽1顶部后方设有反力架3，试验槽1顶部中间设有测量架2，测量架2与反力架3的横杆底端且垂直于测量架2与反力架3，连接有若干加载杆4，每个加载杆4底部通过吊杆5将多功能管片6悬吊于试验槽1内。
[0006]所述试验槽1顶部且测量架2前方设有牵引杆7，试验槽1与牵引杆7的同一端设有滑轮组8，滑轮组8上绕有牵引绳9，牵引绳9的一端连接配重块10，牵引绳9的另一端与多功能管片6相连接；测量架2的横杆上设有若干位移计11。
[0007]所述多功能管片6数量与位移计11数量相等。
[0008]所述多功能管片6包括外部支撑结构、刚度调节机构和注浆压力机构；
[0009]所述外部支撑结构包括基础管片12，基础管片12两端中心对称设置有管片连接件13，管片连接件13呈上下布置，管片连接件13外侧且基础管片12两端连接有相互平行的掘进压力片14；
[0010]所述刚度调节机构包括多根等距分布的刚度调节支撑杆15，刚度调节支撑杆15的一端与基础管片12内壁相连接，刚度调节支撑杆15的另一端与中心轴16相连接，刚度调节支撑杆15中部设有松紧调节螺栓17；
[0011]所述注浆压力机构包括基础管片12周壁等距设置的多个压力气孔19，平行的掘进压力片14之间且包裹于基础管片12外周设有注浆压力囊18，注浆压力囊18通过多个与压力气孔19相适配的通气管与基础管片12内轴向设置的进气管20一侧相连通，进气管20的另一侧设有电磁阀21，电磁阀21通过信号线穿出多功能管片6对外连接至控制系统。
[0012]所述若干多功能管片6的进气管20依次相互连通，首尾端多功能管片6的进气管20的游离端对外连接至气压系统。
[0013]所述刚度调节支撑杆15至少为三个。
[0014]所述压力气孔19至少为三个，注浆压力囊18采用包括橡胶的柔性材料。
[0015]所述试验槽1包括外部钢架22及外部钢架22内侧设置的钢化玻璃组成。
[0016]一种盾构机模型的多功能缩尺盾构模型试验方法，具体包括以下步骤：
[0017]Step1管片预安装：将多功能管片6预先组装好，然后通过吊杆5将多功能管片6固定在外部钢架22上，根据试验设计对注浆压力气囊18加压，使气囊膨胀；
[0018]Step2土应力恢复：将多功能管片6预埋进土体中，同时给多功能管片6施加荷载，补偿土体应力损失，具体如下：
[0019]按实际土层分布，将原装土体填入试验槽内，使多功能管片6周围均匀受压；利用位移计11测量土体表面沉降，待沉降稳定后释放固定杆5；利用固定杆5上方的位移计11测量多功能管片6沉降；待多功能管片6沉降完全后，按公式1.1计算，给固定杆5加土应力恢复荷载F0：
[0020][0021]式中
[0022]D：管片直径
[0023]ρ：土体密度
[0024]g：重力加速度
[0025]H：管片宽度
[0026]a：应力分布系数；
[0027]Step3第i节多功能管片6掘进：给第i+1节多功能管片6施加纵向荷载，利用滑轮组8模拟掌子面掘进压力；通过模拟分析，计算不同掘进压力片14直径时与真实值的差距，得到最优的掘进压力片14直径，见公式1.2：
[0028][0029]式中：
[0030]D
Tunnel
为隧道直径；
[0031]β为土应力修正系数；
[0032]Step4管片拼装：管片拼装采用预先设置的管片连接件13依次实现自动拼装，原理如下：管片连接件13呈上下在基础管片12两端中心对称布置，单节多功能管片6与其与前后多功能管片6相连；模拟盾构施工前，所有多功能管片6在土应力恢复后被施加以向下的垂向荷载，处于固定状态，开始盾构后，以连续的三节多功能管片6分别标记为A管片、A
‑
管片和B管片，其中A管片被施加与纵向荷载与上一节A
‑
管片，通过预紧力牢靠连接，此时后面一节B管片相当于土体，由于单向支撑的作用不会对A管片产生向下的约束，使B管片能够自由活动；同时拼装B管片时，A管片可以为B管片提供向上的约束，使两者牢靠的连接；
[0033]Step5盾构机荷载：盾构机位于第i节多功能管片6处，第i
‑
n节到第i节外部土层由盾构机外壳承担，将第i
‑
n节到第i节的竖向荷载修改为盾构机自重荷载F
T
，其中n为盾构机所占多功能管片6个数；
[0034]Step6盾尾注浆：第i
‑
n
‑
1节多功能管片6位于盾尾，刚从盾构机内部出来，此时周围土体临空，需要多功能管片6注浆承担和稳定周围土体；释放第i
‑
n
‑
1节注浆压力囊18，模拟周围土体临空情况，注浆压力囊18释放完毕后，再进行注浆压力囊18增压，使注浆压力囊18压力达到注浆压力值；
[0035]Step7设备荷载：当盾构机刀头通过后，盾构刀头后面还有长m节多功能管片6的设备机械，在i
‑
n
‑
m节到i
‑
n
‑
1节多功能管片6将竖向荷载修改为设备荷载F
E
；
[0036]Step8设备荷载：当盾构机刀头通过后，盾构刀头后面还有长m节多功能管片6的设备机械，在i
‑
n
‑
m节到i
‑
n
‑
1节多功能管片6将竖向荷载修改为设备荷载F
E
；
[0037]所述试验中土体采用原位土体，土体密度相似比采用1：1，荷载相似比根据场地土体总重比确定，如下式：
[0038][0039]式中：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，包括试验槽(1)，其特征在于：所述试验槽(1)顶部后方设有反力架(3)，试验槽(1)顶部中间设有测量架(2)，测量架(2)与反力架(3)的横杆底端且垂直于测量架(2)与反力架(3)，连接有若干加载杆(4)，每个加载杆(4)底部通过吊杆(5)将多功能管片(6)悬吊于试验槽(1)内。2.根据权利要求1所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述试验槽(1)顶部且测量架(2)前方设有牵引杆(7)，试验槽(1)与牵引杆(7)的同一端设有滑轮组(8)，滑轮组(8)上绕有牵引绳(9)，牵引绳(9)的一端连接配重块(10)，牵引绳(9)的另一端与多功能管片(6)相连接；测量架(2)的横杆上设有若干位移计(11)。3.根据权利要求1或2所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述多功能管片(6)数量与位移计(11)数量相等。4.根据权利要求1或2所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述多功能管片(6)包括外部支撑结构、刚度调节机构和注浆压力机构；所述外部支撑结构包括基础管片(12)，基础管片(12)两端中心对称设置有管片连接件(13)，管片连接件(13)呈上下布置，管片连接件(13)外侧且基础管片(12)两端连接有相互平行的掘进压力片(14)；所述刚度调节机构包括多根等距分布的刚度调节支撑杆(15)，刚度调节支撑杆(15)的一端与基础管片(12)内壁相连接，刚度调节支撑杆(15)的另一端与中心轴(16)相连接，刚度调节支撑杆(15)中部设有松紧调节螺栓(17)；所述注浆压力机构包括基础管片(12)周壁等距设置的多个压力气孔(19)，平行的掘进压力片(14)之间且包裹于基础管片(12)外周设有注浆压力囊(18)，注浆压力囊(18)通过多个与压力气孔(19)相适配的通气管与基础管片(12)内轴向设置的进气管(20)一侧相连通，进气管(20)的另一侧设有电磁阀(21)，电磁阀(21)通过信号线穿出多功能管片(6)对外连接至控制系统。5.根据权利要求4所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述若干多功能管片(6)的进气管(20)依次相互连通，首尾端多功能管片(6)的进气管(20)的游离端对外连接至气压系统。6.根据权利要求4所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述刚度调节支撑杆(15)至少为三个。7.根据权利要求4所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述压力气孔(19)至少为三个；所述注浆压力囊(18)采用包括橡胶的柔性材料。8.根据权利要求1所述的一种免盾构机模型的多功能缩尺盾构模型，其特征在于：所述试验槽(1)采用外部钢架(22)与外部钢架(22)内侧设置的钢化玻璃组成。9.一种盾构机模型的多功能缩尺盾构模型试验方法，包括以下步骤：Step1管片预安装：将多功能管片(6)预先组装好，然后通过吊杆5将多功能管片(6)固定在外部钢架(22)上，根据试验设计对注浆压力气囊(18)加压，使注浆压力气囊(18)膨胀；Step2土应力恢复：将多功能管片(6)预埋进土体中，同时给多功能管片(6)施加荷载，补偿土体应力损失，具体如下：按实际土层分布，将原装土体填入试验槽内，使多功能管片(6)周围均匀受压；利用位移计()11测量土体表面沉降，待沉降稳定后释放固定杆(5)；利用固定杆(5)上方的位移计
(11)测量多功能管片(6)沉降；待多功能管片(6)沉降完全...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文枭，马建勋，张义磊，程丹，闫洪祥，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：