盾构隧道精细化模型及其在地表堆载下的试验装置及方法

1.本发明涉及隧道交通模拟试验技术领域，具体涉及一种盾构隧道精细化模型及其在地表堆载下的试验装置及方法。


背景技术：

2.随着城市化进程加快，地铁在城市中的分布已十分广泛，地铁盾构隧道将不可避免受到临近地表堆载的影响。缩尺模型试验作为研究地表堆载作用下盾构隧道受力变形特征的主要手段之一，被广泛运用。然而，盾构隧道是由有榫槽或无榫槽的开孔管片通过螺栓拼接形成的复杂结构体，传统的缩尺盾构隧道模型多为手工或半手工制作，无法还原盾构隧道的细部结构(榫槽、螺栓孔、环缝等)，其受力变形特点必然与实际盾构隧道有所差别。因此，使用更精细化的盾构隧道模型进行试验研究，并合理设计试验装置和方法，对进一步探究盾构隧道在地表堆载下的受力变形特性有着重要意义。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是，针对现有盾构隧道缩尺模型试验存在的上述不足，提供一种盾构隧道精细化模型及其在地表堆载下的试验装置及方法，克服盾构隧道精细化模型制作困难的问题，通过控制盾构隧道精细化模型的结构、上覆土层厚度、堆载位置和大小模拟不同工况，设计巧妙、适用性广，可为探究地表堆载条件下盾构隧道与地层相互作用机理提供参考依据。
4.本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
5.一种盾构隧道精细化模型，包括多个根据真实盾构隧道按同等比例缩小的衬砌环和螺栓，每个衬砌环由1个封顶块、2个邻接块和3个标准块通过螺栓拼装而成，衬砌环根据结构分为有榫槽衬砌环和无榫槽衬砌环，各同类型衬砌环通过螺栓按照错缝拼装的方式连接组成错缝无榫槽盾构隧道模型和错缝有榫槽盾构隧道模型，按照通缝拼装的方式连接组成通缝无榫槽盾构隧道模型和通缝有榫槽盾构隧道模型。
6.按上述方案，所述衬砌环和螺栓由真实盾构隧道管片按照20:1～40:1的比例缩小。
7.按上述方案，所述衬砌环采用3d打印技术、依据缩尺试验设计相似比制作，相似比选取原则为：根据试验几何相似比确定材料弹性模量相似比，以弹性模量相似比为依据选取3d打印材料，包括光敏树脂evolve 128、尼龙材料taurus、8001、玻璃微珠复合尼龙粉末fs 3400gf。
8.本发明还提供了一种盾构隧道精细化模型在地表堆载下的试验装置，包括上述盾构隧道精细化模型，还包括模型箱、砂土、砝码、加载板、土压力盒、应变片、内部位移计和第一长铬棒，所述砂土布置在模型箱内，所述盾构隧道精细化模型放置在砂土中，所述加载板放置在砂土上表面，且加载板位于盾构隧道精细化模型中间环的正上方，所述砝码放置在加载板上；所述模型箱通过有机玻璃板、角钢、螺栓拼接而成，尺寸可根据试验方案调整；所
述有机玻璃板包括前后侧的无开孔有机玻璃板和左右侧的开孔有机玻璃板；所述内部位移计固定于第一长铬棒上；所述第一长铬棒穿过左右侧的开孔有机玻璃板并安置于盾构隧道精细化模型内部；所述土压力盒通过玻璃胶粘贴于盾构隧道精细化模型外侧表面四周；所述应变片粘贴在盾构隧道精细化模型的内、外侧环缝和纵缝处。
9.按上述方案，还包括外部位移计、细铬棒和第二长铬棒，所述第二长铬棒布置在模型箱内砂土上方，且第二长铬棒的两端固定在左右侧的开孔有机玻璃板的开孔上；所述外部位移计固定于第二长铬棒上，且外部位移计的探头与通过套管保护的细铬棒连接并延伸至盾构隧道精细化模型顶部。
10.按上述方案，所述砂土包括布置在盾构隧道精细化模型下方一定厚度的下卧土层和盾构隧道精细化模型上方一定厚度的上覆土层(砂土土层厚度根据试验目的和方案灵活改变)；所述盾构隧道精细化模型两端套入防砂袋内(以防止涌砂)。
11.按上述方案，所述加载板选用薄钢板或不锈钢(尺寸可根据试验目的和方案灵活改变，有利于荷载均匀传递到土层中)。
12.本发明还提供了一种上述盾构隧道精细化模型在地表堆载下的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
13.步骤1：根据相似比，采用3d打印技术制作无榫槽盾构隧道模型和有榫槽盾构隧道模型的衬砌环和螺栓，将衬砌环通过螺栓采用错缝或通缝组合得到盾构隧道精细化模型，包括错缝无榫槽盾构隧道模型、错缝有榫槽盾构隧道模型、通缝无榫槽盾构隧道模型和通缝有榫槽盾构隧道模型四种；
14.步骤2：向模型箱内填砂土，形成下卧土层；
15.步骤3：根据试验设计方案，在盾构隧道精细化模型上布置应变片和土压力盒；
16.步骤4：将盾构隧道精细化模型放置在下卧土层的模型箱内；
17.步骤5：布置监测点，包括布置内部位移计、外部位移计、土压力盒和应变片；
18.步骤6：继续填砂土形成上覆土层，在盾构隧道精细化模型中间环正上方放置加载板，长边方向垂直于盾构隧道精细化模型纵向；
19.步骤7：连接监测系统，放置加载板，静置一段时间(24h)后，分级进行加载，共10级，每级放置砝码，记录土压力、位移、应变数据，每级加载后静置一段时间(24h)，待数据稳定后方进行下一级加载，静置完成后及时记录各项试验数据。
20.按上述方案，所述步骤4中，盾构隧道精细化模型长度略短于模型箱长度，确保盾构隧道精细化模型两端有足够自由度，将盾构隧道精细化模型两端放入防砂袋内，防止砂土涌入盾构隧道精细化模型内部。
21.按上述方案，所述下卧土层厚度为40～60cm，上覆土层厚度为25～30cm，砂土填筑方式为边填边夯实，每填筑10cm压实至8cm。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.1、克服盾构隧道精细化模型制作困难的问题，能够还原榫槽和孔缝结构，并设计了对应的地表堆载试验方法，能够通过控制盾构隧道精细化模型的结构、上覆土层厚度、堆载位置和大小模拟不同工况，设计巧妙、适用性广，可为探究地表堆载条件下盾构隧道与地层相互作用机理提供参考依据；
24.2、现有的地表堆载试验采用的位移计布置结构复杂，精度不可靠，本发明采用长
铬棒固定位移计的方法，可以确保位移测量的准确度；
25.3、当上覆土层过厚，位移计无法直接接触到隧道拱顶时，通过套管保护的细铬棒与位移计探头固定，并延申至隧道顶部；通过在盾构隧道精细化模型内、外部分别布置位移计的方法，克服了小尺寸盾构隧道模型内部体积较小、无法密集布置位移计的空间限制，可以更加密集地布置位移监测点，得到更加充实的位移数据，进而对其受力变形特点的分析可以更为详细和深入；
26.4、目前针对盾构隧道的模型试验研究多集中于无榫槽盾构隧道，对有榫槽盾构隧道的研究主要受限于传统的模型制作方法无法做到精细化还原榫槽结构。应用本技术能够制作精细化有榫槽盾构隧道模型，可以进一步研究地表堆载下有榫槽盾构隧道的受力变形特性，本技术通过试验得到榫槽结构对盾构隧道纵向抗弯刚度有显著影响，在同一荷载条件下，无榫槽错缝盾构隧道模型拱顶沉降整体更大，其拱顶最大沉降值约可达有榫槽错缝盾构隧道模型的4倍，为实际工程提供借鉴。
附图说明
27.图1是本发明盾构隧道精细化模型在地表堆载下的试验装置的结构示意图；
28.图2是本发明实施例的监测点布置示意图；
29.图3是4种不同结构的盾构隧道精细化模型示意图；
30.图4是盾构隧道精细化模型的斜螺栓连接方式示意图；
31.图5是本发明实施例中错缝无榫槽盾构隧道模型和错缝有榫槽盾构隧道模型的拱顶沉降曲线图；
32.图中：1-模型箱，2-砝码，3-加载板，4-盾构隧道精细化模型，5-外部位移计，6-第一长铬棒，7-开孔(洞)有机玻璃板，8-细铬棒，9-砂土，10-土压力盒，11-应变片，12-错缝无榫槽盾构隧道模型，13-通缝无榫槽盾构隧道模型，14-通缝有榫槽盾构隧道模型，15-错缝有榫槽盾构隧道模型，16-密封垫槽，17-嵌缝，18-凹凸榫槽，19-螺栓孔，20-斜螺栓，21-内部位移计，22-无开孔(洞)有机玻璃板，23-第二长铬棒。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步地描述。
34.如图1～图3所示，本发明所述的盾构隧道精细化模型4包括多个根据真实盾构隧道按同等比例缩小的衬砌环和螺栓，每个衬砌环由1个封顶块、2个邻接块和3个标准块通过螺栓拼装而成。盾构隧道精细化模型4采用3d打印技术、依据缩尺试验设计相似比制作(保证盾构隧道模型管片与真实盾构隧道管片相似)，衬砌环根据结构分为有榫槽和无榫槽，各同类型衬砌环的拼装方式有错缝拼装和通缝拼装。
35.如图3～图4所示，将原型隧道中的弯螺栓连接改为斜螺栓连接方式；相似比选取原则为：根据试验几何相似比确定材料弹性模量相似比，以弹性模量相似比为依据选取3d打印材料，常见材料包括光敏树脂evolve 128、尼龙材料taurus、taurus、8001、玻璃微珠复合尼龙粉末fs 3400gf等。
36.实施例中，选取几何相似比例35：1，盾构隧道精细化模型4的外径为177mm，衬砌环
宽为34.3mm，管片厚度为10mm。
37.如图2所示，盾构隧道精细化模型4由32个衬砌环错缝45
°
拼装而成，衬砌环由3d打印的有榫槽开孔管片和斜螺栓20连接而成，每个衬砌环内的相邻管片以3个螺栓相连，每个衬砌环共包括16个环向缝螺栓孔和18个纵向螺栓孔。
38.图3为4种不同结构的盾构隧道精细化模型4示意图，均可应用在本试验装置何方法中，可根据不同研究对象及试验目的进行灵活改变，在具体实施中为减少边界影响，盾构隧道精细化模型4环数应尽可能多。4种盾构隧道模型结构不同，其中，有无榫槽的差别由制作的管片结构决定，有榫槽管片拼装成衬砌环、衬砌环连接成得到通缝有榫槽盾构隧道模型14和错缝有榫槽盾构隧道模型15；无榫槽管片拼装成衬砌环、衬砌环连接成得到错缝无榫槽盾构隧道模型12和通缝无榫槽盾构隧道模型13。通缝、错缝的差别由衬砌环的连接方式决定，以封顶块为参考，通缝盾构隧道模型相邻环的封顶块均对齐相邻；反之，封顶块错开为错缝盾构隧道模型。
39.密封垫槽16、嵌缝17、凹凸榫槽18根据盾构隧道实际结构等比例缩小得到。密封垫槽16及嵌缝17均为盾构隧道防水结构，为保证盾构隧道精细化模型结构精细度，故而保留密封垫槽16及嵌缝17结构。凹凸榫槽18为盾构隧道的一种常见榫槽结构，由前一环的凹槽和相邻环的凸榫组成，该结构增大了盾构隧道的纵向抗弯刚度。
40.图4为斜螺栓连接方式示意图，相邻衬砌环通过斜螺栓20连接，斜螺栓20位于螺栓孔内部，螺栓孔19由前一环的内壁贯通至后一环的外壁。
41.如图1所示，本发明一种盾构隧道精细化模型在地表堆载下受力特性的试验装置，包括盾构隧道精细化模型4，还包括模型箱1、砂土9、砝码2、加载板3、土压力盒10、应变片11、内部位移计21、第一长铬棒6、外部位移计5、细铬棒8和第二长铬棒23，砂土9布置在模型箱1内，盾构隧道精细化模型4放置在砂土9中(相对模型箱1对称)，加载板3放置在砂土9上表面，且加载板3位于盾构隧道精细化模型4中间环的正上方，砝码2放置在加载板3上，通过在加载板3上放置砝码2的方式模拟地表堆载；模型箱1通过有机玻璃板、角钢、螺栓拼接而成，尺寸可根据试验方案调整；实施例中，模型箱1尺寸为1.2m(长)
×
1.2m(宽)
×
2.0m(高)，四周用角钢加固；有机玻璃板包括前后侧的无开孔(洞)有机玻璃板22和左右侧的开孔(洞)有机玻璃板7，开孔(洞)玻璃板目的为便于安置盾构隧道精细化模型4和监测仪器；内部位移计21固定于第一长铬棒6上；第一长铬棒6穿过左右侧的开孔(洞)有机玻璃板7并安置于盾构隧道精细化模型4内部，内部位移计21通过设置一根穿过盾构隧道精细化模型4内部的第一长铬棒6固定；当拱顶监测点布置较密集时，可在其上部布置有位移计的长铬棒，从而监测相应位置的位移数据；第二长铬棒23布置在模型箱1内砂土9上方，且第二长铬棒23的两端固定在左右侧的开孔(洞)有机玻璃板7的开孔上；外部位移计5固定于第二长铬棒23上，且外部位移计5的探头与通过套管保护的细铬棒8固定并延伸至盾构隧道精细化模型4顶部(拱顶)；土压力盒10通过玻璃胶粘贴于盾构隧道精细化模型4外侧表面四周；应变片11采用502胶水粘贴在盾构隧道精细化模型4的内、外侧环缝和纵缝处，粘贴完毕后用703橡胶对应变片进行密封保护。
42.盾构隧道精细化模型4两端套入防砂袋内，以防止涌砂；砂土9选取过2mm直径筛的干砂9，天然干密度为1.55g/cm3，平均粒径为0.48mm，不均匀系数为3.13，最大孔隙比为0.94，最小孔隙比为0.57，粘聚力为0，内摩擦角为37.1
°
。
43.加载板3可选用薄钢板等强度较大的不锈钢材料，尺寸可根据试验目的和方案灵活改变，有利于荷载均匀传递到土层中；实施例中，采用正上方地表加载的方式，加载板3位于盾构隧道精细化模型4中间环(第17环)正上方。
44.砂土9包括布置在盾构隧道精细化模型4下方一定厚度的下卧土层和盾构隧道精细化模型4上方一定厚度的上覆土层，砂土9土层厚度根据试验目的和方案灵活改变。实施例中，盾构隧道精细化模型4下卧土层厚度50cm，上覆土层厚为1.5倍隧道外径，约27cm。
45.实施例中，试验监测项目包括隧道拱顶位移、加载中间环横向收敛、中间环环向应变、隧道表面土压力与环间变形方式等；拱顶沉降和收敛变形用电阻式位移计测量，土压力通过微型电阻式土压力盒测量，应变通过bx120-3aa微型电阻式应变片测量，数据采集仪器使用sts3826f-lw静态电阻应变仪。
46.如图2所示，在盾构隧道精细化模型4左起第3、7、11、14、17、20、23、27、31环拱顶的上部或内部，共布置9个位移计以监测拱顶位移，在第17环内部拱腰和拱底，分别布置位移计，以监测中间环收敛变形；在左起第3、7、11、14、17、20、23、27、31环拱顶，共布置9个土压力盒10以监测拱顶土压力，在第17环拱腰两侧和拱底，分别布置土压力盒10以监测中间环四周土压力；在左起第2-18环，每环间环缝处的拱顶和拱底，共布置32个应变片11以监测环间变形方式，在第17环内外侧共环向均布16个应变片11，以分析其横向弯矩变化。
47.本发明实施例提供了一种上述盾构隧道精细化模型在地表堆载下受力特性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
48.步骤1：根据试验目的和方案确定几何相似比，以几何相似比为基础，确定弹性模量相似比，选取3d打印材料，采用3d打印技术制作无榫槽盾构隧道模型和有榫槽盾构隧道模型的衬砌环和螺栓，将衬砌环采用错缝或通缝组合得到盾构隧道精细化模型，包括错缝无榫槽盾构隧道模型12、错缝有榫槽盾构隧道模型15、通缝无榫槽盾构隧道模型13和通缝有榫槽盾构隧道模型14四种；
49.步骤2：在模型箱1四周有机玻璃板上涂刷凡士林，以减小边界摩擦的影响，将砂土9填至距离模型箱1底部0.50m，填筑方式边填边夯实，每填筑10cm压实至8cm，形成下卧土层；
50.步骤3：根据试验设计方案，在盾构隧道精细化模型4上布置应变片11和土压力盒10；
51.步骤4：将盾构隧道精细化模型4放置在下卧土层的模型箱1内，盾构隧道精细化模型4长度略短于模型箱1长度，确保盾构隧道精细化模型4两端有足够自由度，将盾构隧道精细化模型4两端放入防砂袋内，通过防砂袋包裹盾构隧道精细化模型4端部并连接模型箱1箱壁，达到端头防砂作用，防止砂土9涌入盾构隧道精细化模型4内部；
52.步骤5：布置监测点，包括布置第一长铬棒6、内部位移计21、第二长铬棒23和外部位移计5；
53.步骤6：继续填砂土9至设计高度的上覆土层，边填砂土9边压实，厚度为27cm，在中间环(17环)正上方放置一长
×
宽
×
厚为30cm
×
20cm
×
4mm的加载板3，长边方向垂直于盾构隧道精细化模型4纵向；
54.步骤7：连接监测系统，放置加载板3，静置24h后，分级进行加载，共10级，每级放置砝码2为10.2kg，记录土压力、位移、应变数据，每级加载后静置24h，待数据稳定后方进行下
一级加载，静置完成后及时记录各项试验数据。
55.如图5所示，在本实施例中，其他条件不变，盾构隧道精细化模型4分别采用错缝无榫槽盾构隧道模型12、错缝有榫槽盾构隧道模型15，在8.3kpa地表附加荷载下，两种盾构隧道精细化模型4的拱顶沉降曲线如图5所示，图中采用盾构隧道模型直径d对隧道位移ω进行归一化处理，负值表示向下沉降。由图可见，榫槽结构对盾构隧道纵向抗弯刚度有显著影响，直接表现为，在同一荷载条件下，无榫槽错缝盾构隧道模型拱顶沉降整体更大，其拱顶最大沉降值约可达有榫槽错缝盾构隧道模型的4倍。
56.目前针对盾构隧道的模型试验研究多集中于无榫槽盾构隧道，对有榫槽盾构隧道的研究主要受限于传统的模型制作方法无法做到精细化还原榫槽结构。应用本技术能够制作精细化有榫槽盾构隧道模型，可以进一步研究地表堆载下有榫槽盾构隧道的受力变形特性。
57.通过本发明的室内模型试验装置，研究在地表堆载下，盾构隧道拱顶沉降、管片结构张开、错台、管片受力、收敛变形，得到盾构隧道衬砌结构受力变形特征，为实际工程提供借鉴。
58.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
59.本发明未尽事宜为公知技术。
60.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，仅为本发明的一种实施例而已，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。