本发明是涉及一种模拟盾构隧道施工的试验方法，属于隧道工程技术领域。
背景技术：
随着城市化进程的加快，地面空间越来越拥挤，发展城市地下交通已经是大势所趋。盾构隧道施工法凭借着其隐蔽性好、机动性高等优点在城市隧道工程中得到了广泛应用，城市隧道不仅包括地铁隧道，还包括城市大动脉的公路隧道(例如：上海的大连路隧道、虹梅南路隧道、以及正在修建的北横通道等)。由于城市隧道多在繁华的市区修建，因此需要侧穿或者下穿多个大型建筑桩基，盾构的直径往往也多达十几米以上，会导致较大的地层损失和土层扰动，同时盾构隧道管片拼装完后，为了填充盾尾间隙、保持管片的稳定，需要在盾尾进行同步注浆，而较大的注浆压力同样也会对周边邻近建筑及其基础产生影响，稍有不慎会导致桩基偏移、建筑地表沉降等危害，因此当盾构隧道穿越密集的建筑群等敏感地带时，对地表建筑和建筑的桩基的变形控制要求极为严格。
如果通过开发模拟盾构隧道施工的试验方法，以在室内模拟出盾构隧道开挖造成的地层损失和土体扰动以及盾构外壁注浆对地表建筑物及其桩基的变形影响，为现场施工提供数据参考依据，则可以有效减少现场施工的危险。目前关于盾构隧道施工对邻近建筑及其桩基影响的研究方法通常为数值模拟方法，多为使用有限元软件建模来模拟，不仅参数难以获取，且建模计算复杂，而室内模型试验则能够避免这些困难，并且有着较强的说服力。虽然中国专利cn201310539782.1中公开了一种盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，但是该室内模型试验装置是通过模拟不同注浆率条件下，注浆施工对邻近桩基以及土体表面的影响，仅仅能够模拟注浆对桩基的影响，没有考虑到盾构的开挖即土体卸去造成的地层损失和对地层的扰动造成地层应力的重新分布，也没有考虑到桩基上的荷载，即建筑物本身的荷载，不能准确模拟桩基的受力状态，无法考虑到扰动对桩基可能造成失稳，对实际工程的参考价值有限。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种模拟盾构隧道施工的试验方法，以模拟研究大直径盾构隧道施工对邻近建筑及其桩基的影响，为实际工程提供全面有价值的参考信息，避免风险发生。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟盾构隧道施工的试验方法，包括如下操作：
a)布置模拟盾构隧道施工的试验装置：首先模拟实际施工的土层分布，将原状土厚度按照一定的比例模拟缩小，得到模拟土体；然后在模拟土体的表面布置建筑物模型，同时在建筑物模型的底部周围分布有若干位移传感器；接着布置盾构隧道模型，盾构隧道模型包括管状的隧道衬砌模型，隧道衬砌模型的外部设有环状橡胶袋，隧道衬砌模型和环状橡胶袋均分别设有注浆孔，所述注浆孔分别连接有排注装置，并向盾构隧道模型中的隧道衬砌模型的内部和环状橡胶袋的内部分别注入与原状土等重的溶液；接着布置基桩模型，并在桩基模型上安装有若干应变片；最后将模拟土体、建筑物模型、盾构隧道模型、基桩模型共同放置于模型箱内，其中桩基模型竖直设于建筑物模型的底部，盾构隧道模型设于桩基模型的邻近区域且与桩基模型垂直，即布置好试验装置；
b)进行模拟施工：首先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，来模拟盾构隧道开挖造成的地层损失；接着通过与盾构隧道模型相连接的排注装置，逐步抽出盾构隧道模型内的模拟土体重度的溶液，从而模拟盾构隧道开挖过程中土体被挖走的卸载效应；通过排注装置向环状橡胶袋中注入注浆液，来模拟盾构施工过程中的同步注浆；通过位移传感器来记录隧道施工过程中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隧道施工过程中基桩模型的变形情况，从而可以模拟出隧道实际施工过程中对邻近建筑物及其基桩变形的影响。
作为优选方案，所述模型箱的内侧壁设有刻度。
作为优选方案，所述模拟土体为分层放置的原状土。
作为优选方案，所述盾构隧道模型的正上方位于模拟土体的地表部分设有位移传感器。
作为优选方案，所述桩基模型有多个，均匀分布于建筑物模型的底部。
作为优选方案，若干应变片自上而下均匀分布于桩基模型的外壁上。
作为进一步优选方案，若干应变片自上而下均匀分布于桩基模型的左右两侧外壁上，且在桩基模型的左右两侧外壁上呈对称分布。
作为优选方案，所述隧道衬砌模型为端部密封的空心圆管，所述空心圆管的内部沿圆管的延伸方向纵向设有若干与圆管相适配的隔板，所述隔板将空心圆管分为多段互相独立的圆管。
作为进一步优选方案，每段圆管上都分别设有注浆孔。
作为进一步优选方案，所述隔板纵向均匀分布于空心圆管内。
作为优选方案，所述排注装置为排注液缸，排注液缸通过导管分别与隧道衬砌模型和环状橡胶袋上设有的注浆孔相连接。
作为进一步优选方案，导管上设有开关阀门。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的试验方法能够模拟盾构隧道特别是大直径盾构隧道开挖和注浆过程对对邻近建筑及其桩基所产生的影响,能够有效模拟实际施工，可为实际施工提供有价值的数据依据，以供实际施工参考，从而减少实际施工的风险；并且，本发明试验方法中使用的试验装置还具有结构简单，使用方便等优点，具有极强的实用价值。
附图说明
图1是本发明提供的一种模拟盾构隧道施工的试验方法中使用的试验装置的结构示意图；
图2是本发明提供的试验装置中的盾构隧道模型的结构示意图；
图3是本发明提供的试验装置中的建筑物模型与桩基模型和盾构隧道模型的布置结构图。
图中标号示意如下：1-模型箱；2-模拟土体；3-建筑物模型；4-位移传感器；41-位移传感器的感应部分；42-位移传感器的接收部分；5-桩基模型；6-盾构隧道模型；61-隧道衬砌模型；611-隔板；62-环状橡胶袋；63-排注装置；64-导管；65-开关阀门；7-应变片。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。
实施例
请结合图1至图3所示：本发明提供的一种模拟盾构隧道施工的试验方法，包括如下操作：
a)布置模拟盾构隧道施工的试验装置：首先模拟实际施工的土层分布，将原状土厚度按照一定的比例模拟缩小，得到模拟土体2；然后在模拟土体2的表面布置建筑物模型3(建筑物模型3，可以模拟出建筑物本身的载荷情况和建筑物对地表和基桩的载荷情况，本实施例中的建筑物模型3的整体形状可以为一方形的铁盒，铁盒内加放有等比例重的配重块，从而模拟实际建筑物对桩基和地面的载荷情况)，同时在建筑物模型3的底部周围分布有若干位移传感器4(可以模拟出隧道施工过程中建筑物的底部沉降)；接着布置盾构隧道模型6，盾构隧道模型6包括管状的隧道衬砌模型61，隧道衬砌模型61的外部设有环状橡胶袋62，隧道衬砌模型61和环状橡胶袋62均分别设有注浆孔(图中没有显示出来)，所述注浆孔分别连接有排注装置63，并向盾构隧道模型6中的隧道衬砌模型61的内部和环状橡胶袋62的内部分别注入与原状土等重的溶液；接着布置基桩模型5，并在桩基模型5上安装有若干应变片7；最后将模拟土体2、建筑物模型3、盾构隧道模型6、基桩模型5共同放置于模型箱1内(本实施例中的模型箱1设定为长方形，其材质可以为常见的金属或合金)，其中桩基模型5竖直设于建筑物模型3的底部，盾构隧道模型6设于桩基模型5的邻近区域且与桩基模型5垂直，即布置好试验装置(如图1至图3所示)；
b)进行模拟施工：首先通过与环状橡胶袋62相连接的排注装置63抽出环状橡胶袋62内的注浆液，来模拟盾构隧道开挖造成的地层损失；接着通过与盾构隧道模型6相连接的排注装置63，逐步抽出盾构隧道模型内的模拟土体重度的溶液，从而模拟盾构隧道开挖过程中土体被挖走的卸载效应；由于盾构隧道的开挖和注浆是同时进行，因此同时通过排注装置63向环状橡胶袋62中注入注浆液，来模拟盾构施工过程中的同步注浆；在模拟施工的同时，分别通过位移传感器4来记录隧道施工过程中建筑物模型3的底部沉降和盾构隧道顶部地表的沉降，通过基桩模型5上面设置的应变片7的变形情况来记录隧道施工过程中基桩模型5的变形情况，从而可以模拟出隧道实际施工过程中对邻近建筑物及其基桩变形的影响。
所述模拟土体2为按比例分层放置的原状土，依据实际的土体分布设置相应的模拟土体2，例如：本实施例中的模拟土体2要模拟的隧道部分的土体自上而下依次包括人工填土、粉质粘土和砂层，那么本实施例中的模拟土体2也就相应的自上而下依次设有人工填土层、粉质粘土层和砂层，同时放置模拟土体2的模型箱1的内侧壁设有刻度11，用以测量各模拟土层的厚度，以使各模拟土层之间的厚度比例与实际土体各土层之间的厚度比例相一致，使模拟土体2接近实际土体，使得试验装置的模拟数据更接近实际施工数据。
所述盾构隧道模型6的正上方位于模拟土体2的地表部分设有位移传感器4，以便记录盾构隧道顶部地表的沉降情况。
所述桩基模型5有多个，均匀分布于建筑物模型3的底部，具体的数量根据实际建筑物和桩基的情况按照一定的比例进行调节，例如本实施例中将桩基模型5简化成四个，在保障对建筑物模型3的稳定支撑下，按照比例简化桩基模型5的数量，在保障模拟数据准确的基础上，以简化试验装置的结构，节约成本。
请参阅图1和图3所示，若干应变片7自上而下均匀分布于桩基模型5的外壁上，具体的说，若干应变片7自上而下均匀分布于桩基模型5的左右两侧外壁上，且在桩基模型5的左右两侧外壁上呈对称分布，以便精确的模拟出实际隧道施工对桩基变形的影响。
请再参阅图2所示，所述隧道衬砌模型61为端部密封的空心圆管(从图2可见，圆管的前后两端均被密封)，所述空心圆管的内部沿圆管的延伸方向纵向设有若干与圆管相适配的隔板611，将空心圆管分为多段互相独立的圆管(隔板611的数量根据模拟需要灵活设置，本实施例的图2中设有3块隔板611将空心圆管即隧道衬砌模型61分为四段)，具体的说，所述隔板611纵向均匀分布于空心圆管内，用来模拟盾构隧道的分段开挖。每段圆管上都分别设有注浆孔(图中没有显示出来)，实验前通过注浆孔将与隧道所处土体等重的溶液注入隧道衬砌模型61的内部，并随着原状土一起放入模型箱，实验过程中将该溶液分段排出，从而可以模拟盾构隧道开挖过程中土体被挖走的卸载效应。
所述排注装置63为排注液缸，排注液缸通过导管64分别与隧道衬砌模型61和环状橡胶袋62上设有的注浆孔相连接，通过该排注装置63和导管64(图2中导管64与隧道衬砌模型61和环状橡胶袋62相连接的部分即为注浆孔的位置所在)，从而可以向隧道衬砌模型61的内部注入和排出与隧道所处土层等重的溶液和向环状橡胶袋62内注入或抽出注浆液，不仅可以模拟出盾构隧道开挖过程中土体被挖走的卸载效应，还可以模拟出盾构隧道开挖造成的的地层损失和盾构隧道施工过程中的同步注浆情况，使得模拟数据更接近实际施工数据。
导管64上设有开关阀门65，开关阀门65可以为自动开关的电磁阀们，以便自动控制注浆液的注入或排出，其中每个导管64上的开关阀门65都互相独立运行。模拟施工时，是通过打开与环状注浆层63相连接的导管64上设有的开关阀门65，进而使得排注装置63对环状橡胶袋62进行抽浆处理，来模拟盾构隧道开挖造成的地层损失；模拟施工时，是根据隧道开挖顺序，逐个打开与盾构隧道模型6相连接的开关阀门65，进而通过导管64和排注装置63逐步排放出盾构隧道模型6内相应的注浆液，来模拟盾构隧道开挖过程中土体被挖走的卸载效应。
位移传感器4包括感应部分41和接收部分42，感应部分41分别设在建筑物模型3的底部周围部分和盾构隧道模型6的正上方位于模拟土体2的地表部分。
综上所述，本发明提供的试验方法，可以模拟出盾构隧道施工过程中地层损失以及开挖和注浆效应，从而模拟出盾构隧道施工过程中建筑物的底部沉降、盾构隧道顶部地表的沉降以及基桩模型的变形情况，进而可以模拟出隧道实际施工过程中对邻近建筑物及其基桩变形的影响，可为实际施工提供有价值的分析数据，以供实际施工参考，从而减少实际施工的风险，相对于现有技术，具有显著性进步，具有推广应用价值。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。