一种盾构法隧道综合试验平台及其试验方法与流程

本发明涉及一种隧道综合试验平台及试验方法，尤其是涉及一种盾构法隧道综合试验平台及试验方法。

背景技术：

城市轨道交通两条单线区间隧道之间应设置联络通道，软土地区联络通道施工一般采用冻结法加固后使用矿山法开挖的方法，但该方法具有冻融对周边环境影响大、施工期长、施工成本高等缺点。机械法联络通道施工是指利用顶管或盾构切削隧道管片和土体，并拼装管节或管片形成联络通道的方法，其具有安全度高，对周边环境影响小，施工速度快等一系列优点，具有广阔的工程应用前景，但针对机械法联络通道施工过程主隧道结构的受力变化、机械始发接收过程的切削效率等，只能采用现场试验的方法，但是现场试验约束性比较大，无法实现变化参数的有效模拟。

传统的盾构法隧道试验平台，均采用水平加载方式，通过对称张拉自平衡体系来加载，探究隧道的力学性能，但该方法中隧道管片无法“站立”，进而无法模拟隧道自身重力的影响及土层压缩变形的影响，不能真实反映隧道结构的受力情况，另一方面，采用对称张拉自平衡加载方式，无法考虑隧道管片切削等非对称荷载的情况。中国专利cn106501014a公开了一种用于整环隧道结构的竖直加载试验装置，只针对单环立式管片隧道结构的力学性能进行探究，无法反映环环之间纵向内力的传递与重分配，且对于盾构机切削管片的模拟无法胜任；因此，现有的盾构法隧道试验平台都无法真实模拟机械法联络通道施工过程，亟需一种能同时实现多环管片同步运输和托举，模拟真实隧道形态对多环管片施加土压力载荷、纵向载荷和模拟地层土体环境的盾构法隧道综合试验平台及试验方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能同时实现多环管片同步运输和托举，模拟真实隧道形态对多环管片施加土压力载荷、纵向载荷和模拟地层土体环境的盾构法隧道综合试验平台及试验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种盾构法隧道综合试验平台，其特征在于：包括多环管片试验单元、多环管片同步运输系统、多环管片同步托举系统、多环管片液压伺服土压力模拟系统、多环管片纵向载荷模拟系统和多环管片地层模拟系统；

所述的多环管片试验单元由管片拼接形成，用于模拟真实隧道管片结构状态；

所述的多环管片同步运输系统，用于将所述的多环管片试验单元整体运输到所述的多环管片同步托举系统中；

所述的多环管片同步托举系统位于所述的多环管片液压伺服土压力模拟系统内，用于将所述的多环管片试验单元同步托举至所述的多环管片液压伺服土压力模拟系统内模拟土压力加载位置；

所述的多环管片液压伺服土压力模拟系统，用于模拟真实隧道形态对所述的多环管片试验单元施加土压力载荷；

所述的多环管片纵向载荷模拟系统，用于模拟真实隧道形态对所述的多环管片试验单元施加纵向载荷；

所述的多环管片地层模拟系统，用于模拟联络通道机械法施工过程中所述的多环管片试验单元所受的地层土体环境；

所述的多环管片同步运输系统包括同步运输平台底座，所述的同步运输平台底座上设置有两根相互平行的水平支撑梁，所述的水平支撑梁的底部通过若干根支撑柱固定在所述的同步运输平台底座上，所述的水平支撑梁内沿其长度方向设置有导向槽，所述的导向槽内设置有可沿所述的导向槽向前滑动的运输梁，所述的导向槽的侧壁上均布有若干组由两个滚轮组成的v型滚轮对，所述的运输梁倾斜设置且其v型底部贴合支撑在所述的滚轮上，所述的运输梁的尾端设置有用于推动所述的运输梁向前运动的第一液压伺服油缸，两根所述的运输梁之间形成多环管片试验单元置放区。

所述的水平支撑梁由两根凹槽横梁按v形拼接形成，两根所述的凹槽横梁之间形成所述的导向槽；所述的凹槽横梁的两侧凸沿上对称设置有供所述的滚轮的中心轴卡嵌固定的卡槽；所述的运输梁为棱型空心梁体，所述的运输梁的中心设置有一道用于与所述的第一液压伺服油缸的顶杆碰触的中心横梁，所述的第一液压伺服油缸的底座上固定设置有卡板，所述的卡板可横跨卡嵌在两根所述的凹槽横梁外侧凸沿的卡槽中。该伺服油缸可安装于卡槽内，先把该处的滚轮卸掉，装上伺服油缸，通过伺服液压站提供动力推动伺服油缸，从而推动整个运输梁往前滑。

所述的第一液压伺服油缸上设置有用于监测所述的第一液压伺服油缸顶杆水平移动距离的水平位移传感器，所述的运输梁上设置有用于监测所述的运输梁倾斜角度的第一电子倾角仪，所述的第一液压伺服油缸连接伺服液压站。多环管片同步运输系统保证多环管片试验单元无损、平稳地运输进入多环管片同步托举系统中，并有效实现超大尺寸混凝土薄壁构件水平方向的精确移位，能够有效避免多环管片隧道试验单元在同步运输过程中的意外变形及损坏。

所述的多环管片同步托举系统包括一个用于承接支撑所述的多环管片试验单元的托举框架和四个用于推动所述的托举框架向上移动的第二液压伺服油缸，所述的托举框架位于所述的多环管片同步运输系统正前方且所述的托举框架的上表面与所述的多环管片试验单元的底部可贴合重叠，所述的第二液压伺服油缸均布在所述的托举框架的底面四周。第一液压伺服油缸推动运输梁向前运动，运输梁带动多环管片试验单元逐步向前移动进入托举框架中直至所述的多环管片试验单元的重心与托举框架的中心重合，第二液压伺服油缸推动托举框架向上移动直至多环管片试验单元移动到模拟土压力加载位置。

所述的托举框架的上表面设置有用于分散所述的多环管片试验单元应力的厚度为8-10mm的橡胶垫，所述的第二液压伺服油缸上设置有用于监测所述的第二液压伺服油缸顶杆垂直移动距离的垂直位移传感器，所述的托举框架上设置有用于监测所述的托举框架倾斜角度的第二电子倾角仪。能够实现超大尺寸混凝土薄壁构件垂直方向的精确移位，能够有效避免目标升降物体多环管片隧道试验单元的意外变形及损坏；增设橡胶垫有利于增大多环管片试验单元与托举框架之间的接触面积，分散托举框架受到的应力。

所述的多环管片液压伺服土压力模拟系统包括若干个环向加载框架，相邻的所述的环向加载框架通过法兰依次相连形成多环加载框架，所述的多环加载框架的底部设置有多环加载框架底座，所述的多环加载框架的内环面设置有油缸安装板，所述的油缸安装板上均布有24*n个第三液压伺服油缸，其中n为所述的环向加载框架的数量，24为每个所述的环向加载框架上环向均布的第三液压伺服油缸的数量。

所述的多环管片纵向载荷模拟系统包括两根相互平行的纵向拉杆、两块横向夹板，两块所述的横向夹板分别通过锁紧螺母与所述的纵向拉杆的端部连接形成一个用于向多环管片试验单元的管片施加纵向载荷的口字型构件，所述的纵向拉杆由若干根纵向标准杆和一根纵向调节杆通过连接套筒依次连接而成，所述的纵向标准杆上设置有用来测定所述的纵向标准杆轴向受力的膜式应变片；所述的锁紧螺母上且位于所述的横向夹板的外侧设置有用于向所述的锁紧螺母提供扭转力的伺服液压动力旋转机构，所述的锁紧螺母上设置有用于测定所述的锁紧螺母所受扭转力大小的扭矩传感器；所述的横向夹板的内侧面与所述的多环管片试验单元的管片的环向侧壁之间设置有用于将施加于所述的多环管片试验单元的管片环向侧壁的集中力进行环向分配的应力分散块，所述的应力分散块内均布有若干个用于向所述的多环管片试验单元的管片环向侧壁施力的补偿油缸，所述的补偿油缸的顶部设置有用于测定所述的多环管片试验单元的管片环向侧壁所受压力大小的压力传感器，所述的压力传感器埋设在所述的多环管片试验单元的管片的环向侧壁表面；所述的多环管片试验单元的管片的环向接缝之间设置有用于测定所述的多环管片试验单元的管片接缝之间压力大小的环缝压力应变片；所述的膜式应变片、所述的扭矩传感器、所述的压力传感器和所述的环缝压力应变片分别连接控制器，所述的控制器反馈控制连接所述的伺服液压动力旋转机构和所述的补偿油缸。

所述的多环管片地层模拟系统包括矩形固定框架，所述的矩形固定框架的底部设置有平衡支架，所述的矩形固定框架的上边沿和下边沿分别通过连接件与所述的多环管片液压伺服土压力模拟系统的多环加载框架一体连接，所述的矩形固定框架的两侧边沿分别固定设置有弧形管片支撑架，所述的弧形管片支撑架上焊接连接有用于模拟联络通道另一侧隧道管片结构的钢砼复合管片，所述的钢砼复合管片、所述的多环管片试验单元以及上、下两个所述的连接件之间设置有钢质耐压囊体，所述的钢质耐压囊体的一端与所述的钢砼复合管片焊接连接且其另一端与所述的多环管片试验单元焊接连接，所述的钢质耐压囊体的上部设置有注浆管，所述的钢质耐压囊体的下部设置有出浆管。

一种盾构法隧道综合试验方法，包括以下步骤：

（1）将多环管片试验单元通过管片拼接形成，用于模拟真实隧道管片结构状态；

（2）将多环管片试验单元整体通过多环管片同步运输系统运输到多环管片同步托举系统中；

（3）将多环管片试验单元同步通过多环管片同步托举系统托举至多环管片液压伺服土压力模拟系统内模拟土压力加载位置；

（4）通过多环管片液压伺服土压力模拟系统模拟真实隧道形态对多环管片试验单元施加土压力载荷；通过多环管片纵向载荷模拟系统模拟真实隧道形态对多环管片试验单元施加纵向载荷；通过多环管片地层模拟系统模拟联络通道机械法施工过程中多环管片试验单元所受的地层土体环境。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了一种盾构法隧道综合试验平台及试验方法，包括用于模拟真实隧道管片结构状态的多环管片试验单元、用于将多环管片试验单元整体运输到多环管片液压伺服土压力模拟系统内的多环管片同步运输系统、用于将多环管片试验单元同步托举至多环管片液压伺服土压力模拟系统内模拟土压力加载位置的多环管片同步托举系统、用于模拟真实隧道形态对多环管片试验单元施加土压力载荷的多环管片液压伺服土压力模拟系统、用于模拟真实隧道形态对多环管片试验单元施加纵向载荷的多环管片纵向载荷模拟系统、用于模拟联络通道机械法施工过程中多环管片试验单元所受的地层土体环境的多环管片地层模拟系统，该平台能保证多环管片试验单元无损、平稳地运输进入多环管片土压力模拟系统内，并有效实现超大尺寸混凝土薄壁构件水平和垂直方向的精确移位，能够有效避免多环管片隧道试验单元在同步运输和托举过程中的意外变形及损坏，具有同时实现多环管片同步运输和托举，模拟真实隧道形态对多环管片施加土压力载荷、纵向载荷和模拟地层土体环境的优点。

附图说明

图1为本发明盾构法隧道综合试验平台立体结构示意图；

图2为本发明盾构法隧道综合试验平台正视图；

图3为本发明盾构法隧道综合试验平台俯视图；

图4为本发明多环管片同步运输系统立体图；

图5为图4中a部的局部放大结构示意图；

图6为本发明多环管片同步运输系统正视图；

图7为本发明多环管片同步运输系统左视图；

图8为本发明多环管片同步托举系统结构示意图；

图9为本发明多环管片液压伺服土压力模拟系统结构示意图；

图10为本发明多环加载框架结构示意图；

图11为本发明多环加载框架底座结构示意图；

图12为本发明多环管片纵向载荷模拟系统结构示意图一；

图13为本发明多环管片纵向载荷模拟系统结构示意图二；

图14为本发明多环管片纵向载荷模拟系统局部结构示意图；

图15为本发明应力分散块结构示意图一；

图16为本发明应力分散块结构示意图二；

图17为本发明多环管片纵向载荷模拟系统控制逻辑图；

图18为本发明多环管片地层模拟系统结构示意图；

图19为本发明多环管片地层模拟系统的矩形固定框架和连接件结构示意图；

图20为本发明多环管片地层模拟系统的平衡支架结构示意图；

各图标注如下：

1多环管片试验单元；

2多环管片同步运输系统、21同步运输平台底座、22水平支撑梁、23支撑柱、24导向槽、25运输梁、26滚轮、27第一液压伺服油缸、28凹槽横梁、29卡槽、210中心横梁、211卡板、212水平位移传感器、213第一电子倾角仪、214伺服液压站；

3多环管片同步托举系统、31托举框架、32第二液压伺服油缸、33垂直位移传感器、34第二电子倾角仪；

4多环管片液压伺服土压力模拟系统、41环向加载框架、42多环加载框架、43多环加载框架底座、44油缸安装板、45第三液压伺服油缸；

5管片纵向载荷模拟系统、51纵向拉杆、52横向夹板、53锁紧螺母、54纵向标准杆、55纵向调节杆、56连接套筒、57膜式应变片、58伺服液压动力旋转机构、59扭矩传感器、510应力分散块、511补偿油缸、512压力传感器、513环缝压力应变片、514控制器；

6多环管片地层模拟系统、61矩形固定框架、62平衡支架、63连接件、64弧形管片支撑架、65钢砼复合管片、66钢质耐压囊体、67注浆管、68出浆管。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例一

一种盾构法隧道综合试验平台，如图1、图2和图3所示，包括多环管片试验单元1、多环管片同步运输系统2、多环管片同步托举系统3、多环管片液压伺服土压力模拟系统4、多环管片纵向载荷模拟系统5和多环管片地层模拟系统6；

多环管片试验单元1由管片拼接形成，用于模拟真实隧道管片结构状态；

多环管片同步运输系统2，用于将多环管片试验单元1整体运输到多环管片同步托举系统3中；

多环管片同步托举系统3位于多环管片液压伺服土压力模拟系统4内，用于将多环管片试验单元1同步托举至多环管片液压伺服土压力模拟系统4内模拟土压力加载位置；

多环管片液压伺服土压力模拟系统4，用于模拟真实隧道形态对多环管片试验单元1施加土压力载荷；

多环管片纵向载荷模拟系统5，用于模拟真实隧道形态对多环管片试验单元1施加纵向载荷；

多环管片地层模拟系统6，用于模拟联络通道机械法施工过程中多环管片试验单元1所受的地层土体环境。

在此具体实施例中，如图4、图5、图6和图7所示，多环管片同步运输系统2包括同步运输平台底座21，同步运输平台底座21上设置有两根相互平行的水平支撑梁22，水平支撑梁22的底部通过若干根支撑柱23固定在同步运输平台底座21上，水平支撑梁22内沿其长度方向设置有导向槽24，导向槽24内设置有可沿导向槽24向前滑动的运输梁25，导向槽24的侧壁上均布有若干组由两个滚轮26组成的v型滚轮对，运输梁25倾斜设置且其v型底部贴合支撑在滚轮26上，运输梁25的尾端设置有用于推动运输梁25向前运动的第一液压伺服油缸27，两根运输梁25之间形成多环管片试验单元置放区。水平支撑梁22由两根凹槽横梁28按v形拼接形成，两根凹槽横梁28之间形成导向槽24；凹槽横梁28的两侧凸沿上对称设置有供滚轮26的中心轴卡嵌固定的卡槽29；运输梁25为棱型空心梁体，运输梁25的中心设置有一道用于与第一液压伺服油缸27的顶杆碰触的中心横梁210，第一液压伺服油缸27的底座上固定设置有卡板211，卡板211可横跨卡嵌在两根凹槽横梁28外侧凸沿的卡槽29中。第一液压伺服油缸27上设置有用于监测第一液压伺服油缸27顶杆水平移动距离的水平位移传感器212，运输梁25上设置有用于监测运输梁25倾斜角度的第一电子倾角仪213，第一液压伺服油缸27连接伺服液压站214。两根运输梁25的间距约占多环管片试验单元1外径的1/2，运输梁25的倾角与水平面的夹角为55-65度。在此具体实施例中，如图8所示，多环管片同步托举系统3包括一个用于承接支撑多环管片试验单元1的托举框架31和四个用于推动托举框架31向上移动的第二液压伺服油缸32，托举框架31位于多环管片同步运输系统2正前方且托举框架31的上表面与多环管片试验单元1的底部可贴合重叠，第二液压伺服油缸32均布在托举框架31的底面四周。托举框架32的上表面设置有用于分散多环管片试验单元1应力的厚度为8-10mm的橡胶垫（图中未显示），第二液压伺服油缸31上设置有用于监测第二液压伺服油缸31顶杆垂直移动距离的垂直位移传感器33，托举框架32上设置有用于监测托举框架32倾斜角度的第二电子倾角仪34。托举框架31的宽度约占多环管片试验单元1外径的1/3。

在此具体实施例中，如图9、图10和图11所示，多环管片液压伺服土压力模拟系统4包括若干个环向加载框架41，相邻的环向加载框架41通过法兰依次相连形成多环加载框架42，多环加载框架42的底部设置有多环加载框架底座43，多环加载框架42的内环面设置有油缸安装板44，油缸安装板44上均布有24*n个第三液压伺服油缸45，其中n为环向加载框架41的数量，24为每个环向加载框架41上环向均布的第三液压伺服油缸45的数量。

在此具体实施例中，如图12、图13、图14、图15和图16所示，多环管片纵向载荷模拟系统5包括两根相互平行的纵向拉杆51、两块横向夹板52，两块横向夹板52分别通过锁紧螺母53与纵向拉杆51的端部连接形成一个用于向多环管片试验单元1的管片施加纵向载荷的口字型构件，纵向拉杆51由若干根纵向标准杆54和一根纵向调节杆55通过连接套筒56依次连接而成，纵向标准杆54上设置有用来测定纵向标准杆54轴向受力的膜式应变片57；锁紧螺母53上且位于横向夹板52的外侧设置有用于向锁紧螺母53提供扭转力的伺服液压动力旋转机构58，锁紧螺母53上设置有用于测定锁紧螺母53所受扭转力大小的扭矩传感器59；横向夹板52的内侧面与多环管片试验单元1的管片环向侧壁之间设置有用于将施加于多环管片试验单元1的管片环向侧壁的集中力进行环向分配的应力分散块510，应力分散块510内均布有若干个用于向多环管片试验单元1的管片环向侧壁施力的补偿油缸511，补偿油缸511的顶部设置有用于测定多环管片试验单元1的管片环向侧壁所受压力大小的压力传感器512，压力传感器512埋设在多环管片试验单元1的管片环向侧壁表面；多环管片试验单元1的管片环向接缝之间设置有用于测定多环管片试验单元1的管片接缝之间压力大小的环缝压力应变片513；如图17所示，膜式应变片57、扭矩传感器59、压力传感器512和环缝压力应变片513分别连接控制器514，控制器514反馈控制连接伺服液压动力旋转机构58和补偿油缸511。其中伺服液压动力旋转机构58为液压马达。开启伺服液压动力旋转机构58，通过伺服液压动力旋转机构58施加载荷到多环管片试验单元1的管片上，并逐级加载；由扭矩传感器58测得的施加于锁紧螺母53上的扭转力大小，由膜式应变片57测得的多环管片试验单元1的管片所受轴向力、由环缝压力应变片513测得的多环管片试验单元1的管片纵环缝压力信号输送到控制器514，通过控制器514反馈给伺服液压动力旋转机构58并调节加载值，同时根据压力传感器512测得多环管片试验单元1的管片的环向侧壁压力值信号输送到控制器514，并通过控制器514反馈给补偿油缸511，补偿油缸511根据压力值大小进行自动补偿、调节，直至多环管片试验单元1的管片受力均匀，最终实现了衬砌结构隧道中管片残余轴力的精确模拟。

在此具体实施例中，如图18、图19和图20所示，多环管片地层模拟系统6包括矩形固定框架61，矩形固定框架61的底部设置有平衡支架62，矩形固定框架61的上边沿和下边沿分别通过连接件63与多环管片液压伺服土压力模拟系统4的多环加载框架42一体连接，矩形固定框架61的两侧边沿分别固定设置有弧形管片支撑架64，弧形管片支撑架64上焊接连接有用于模拟联络通道另一侧隧道管片结构的钢砼复合管片65，钢砼复合管片65、多环管片试验单元1以及上、下两个连接件63之间设置有钢质耐压囊体66，钢质耐压囊体66的一端与钢砼复合管片65焊接连接且其另一端与多环管片试验单元1焊接连接，钢质耐压囊体66的上部设置有注浆管67，钢质耐压囊体66的下部设置有出浆管68。

具体实施例二

利用上述具体实施例一所述平台进行盾构法隧道综合试验方法，包括以下步骤：

（1）将多环管片试验单元1通过管片拼接形成，用于模拟真实隧道管片结构状态；

（2）将多环管片试验单元1整体通过多环管片同步运输系统2运输到多环管片同步托举系统3中；

（3）将多环管片试验单元1通过多环管片同步托举系统3同步托举至多环管片液压伺服土压力模拟系统4内模拟土压力加载位置；

（4）通过多环管片液压伺服土压力模拟系统4模拟真实隧道形态对多环管片试验单元1施加土压力载荷；通过多环管片纵向载荷模拟系统5模拟真实隧道形态对多环管片试验单元1施加纵向载荷；通过多环管片地层模拟系统6模拟联络通道机械法施工过程中多环管片试验单元1所受的地层土体环境。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。