可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置及方法与流程

本发明涉及盾构隧道掘进试验，特别涉及一种可变坡度盾的构隧道掘进模拟试验装置及方法。

背景技术：

1、盾构隧道在施工过程中经常会引起土体沉降、地面隆陷等工程地质灾害，为了在实际工程中减少该类灾害的影响，常常需要在施工前采取模型试验模拟不同工况下盾构施工对周围土体产生的影响，以辅助确定实际工程中的各种施工参数。

2、盾构隧道掘进模型试验一般是通过几何、物理、材料相似比对现场实际工况进行等比例转换的试验方法，针对于盾构隧道模型试验方法，有研究不同埋深、尺寸、管片类型等对隧道开挖、卸载和注浆引起的土体沉降、地表隆陷、隧道上浮及周围建筑物的影响。

3、现有的盾构隧道掘进试验虽能满足一定工况下的试验要求，但仍有不足之处，例如现有的盾构隧道掘进试验主要是针对无坡度或者具有某一坡度值的盾构隧道所进行的试验，而实际工程中，一个隧道可能会在某一或者某些区域出现坡度在不断改变的情况，该隧道的不同坡度变化也会引起不同程度的土体沉降、地表隆陷等问题，而现有盾构隧道掘进试验模型的隧道模型和盾壳模型均为刚性直管结构，只能模拟无坡度或及坡度值不变的盾构隧道掘进试验，而无法模拟坡度变化不断变化的盾构隧道掘进试验。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提出一种可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置及方法，旨在同时满足相同和不同坡度的试验需求。

2、为实现上述目的，本发明提出一种可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，包括：

3、模型箱，所述模型箱内部限定有用于盛装试验土体的试验空间，模型箱有一侧壁设置为整体或者局部可相对试验空间上下移动，并成型有过孔；

4、模拟隧道，所述模拟隧道一端连接于模型箱内，另一端经过孔伸出试验空间，模拟隧道包括多节前后间隔设置的管片环以及连接相邻两节管片环并将所述间隔封闭的弹性密封环；

5、角度调整机构，所述角度调整机构设于模拟隧道内，用于调整相邻两节管片环之间的竖向夹角；

6、模拟盾壳，所述模拟盾壳由弹性材料制成，其套于模拟隧道，一端经过孔伸出试验空间，并可沿模拟隧道移动；以及

7、监测系统，用于采集试验土体变形前后的数据。

8、本发明还提出一种盾构隧道掘进模拟试验方法，包括如下步骤：

9、s1、根据试验工况和需求，调整两两相邻的管片环之间的竖向夹角，并将模拟盾壳套设于模拟隧道；

10、s2、将模拟盾壳和模拟隧道埋于试验土体中，并设置监测系统，其中，模拟隧道的一端连接于试验空间内，模拟隧道的另一端和模拟盾壳的一端经过孔伸出试验空间；

11、s3、在试验空间外，通过牵引系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度沿模拟隧道向外移动；

12、s4、通过监测系统采集试验土体变形前后的数据，以供分析试验土体的变形情况。

13、本发明可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置及方法，将模拟隧道设置为包括多节前后间隔设置的管片环以及连接相邻两节管片环并将所述间隔封闭的弹性密封环，使得相邻两节管片环之间可以相对竖向摆动，并在模拟隧道设置有可用于调节相邻两管片环之间竖向夹角的角度调整机构，使得模拟隧道可根据试验需求，通过角度调整机构调整两两相邻的管片环之间的竖向夹角以使模拟隧道可呈现出试验所需的坡度分布状态。此外模拟盾壳采用弹性材料制成，使得模拟盾壳具备有弹性变形能力，能够形成与模拟隧道相应的坡度分布，并可在试验过程中，在外部的牵引系统的牵引下滑模拟隧道移动，从而模拟盾构机的掘进开挖，并使试验土体在模拟盾壳移动方向的后方形成盾尾空隙，最终由监测系统，采集试验土体变形前后的数据以供分析试验土体的变形情况，进而能更全面、准确地辅助确定实际工程中的各种施工参数。

技术特征：

1.可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于：还包括注浆管，所述注浆管的一端位于试验空间外，另一端沿模拟盾壳延伸至模拟盾壳的后端，并可随模拟盾壳同步移动，所述注浆管位于试验空间外的一端通连外部的注浆系统。

3.如权利要求2所述的可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于：模拟盾壳3的内周固设软性的内胶层，所述注浆管夹持于内胶层和模拟盾壳之间，内胶层与模拟隧道弹性相抵。

4.如权利要求1所述的可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于：相邻两管片环之一者的一端内部固设有铰座、铰座可枢转安装有径向枢转轴，相邻两管片环之另一者的相邻端内部固设于有摆臂，所述摆臂与枢转轴固连。

5.如权利要求4所述的可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于：角度调整机构包括固设于铰座上的电机、设于电机转轴的主动齿轮以及固设于枢转轴一端的从动齿轮，所述主动齿轮和从动齿轮啮合。

6.如权利要求5所述的可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于：还包括角度测量仪，角度测量仪与电机的控制系统电性连接，所述枢转轴的端面的中部开设有槽孔，所述角度测量仪包括嵌装于槽孔的感应磁铁以及装于铰座的角度传感器，所述角度传感器的感应端与感应磁铁正对并可形成磁感应。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置，其特征在于：试验箱体为顶部开放的方形容器，包括由三个固定侧板和一底板围成的主体、以及活动侧板，主体有一侧敞开，所述活动侧板可垂向活动安装于所述主体敞开的一侧，并与主体的结合处密封配合，另有锁定装置用于将活动侧板锁定于所需的高度。

8.一种采用权利要求1至7中任意一项所述可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的采用权利要求1至7中任意一项所述可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置的试验方法，其特征在于，调整两两相邻的管片环之间的竖向夹角的步骤s1包括过程：

10.如权利要求8所述的采用权利要求1至7中任意一项所述可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置的试验方法，其特征在于：通过牵引系统驱使模拟盾壳按设定的合理速度沿模拟隧道向外移动步骤s3中，还包括通过注浆管对盾尾空隙进行注浆的过程。

技术总结
本发明公开了可变坡度的盾构隧道掘进模拟试验装置及方法，其将模拟隧道设置为包括多节前后间隔设置的管片环及连接相邻两节管片环并将所述间隔封闭的弹性密封环，使得相邻两节管片环之间可相对竖向摆动，并在模拟隧道设置有用于调节相邻两管片环之间竖向夹角的角度调整机构，使模拟隧道可根据试验需求，通过角度调整机构调整两两相邻的管片环之间的竖向夹角以使模拟隧道呈现出试验所需的坡度分布状态。此外模拟盾壳采用弹性材料制成，使模拟盾壳具备有弹性变形能力，能够形成与模拟隧道相应的坡度分布，并可在试验过程中，在外部牵引系统的牵引下滑模拟隧道移动，从而模拟盾构机的掘进开挖，进而更全面、准确地辅助确定实际工程中的各种施工参数。

技术研发人员：张凌之,何昊燊,赵海龙,李梦龙,梁禹,赵辰洋,王铎,林存刚,谢海辉
受保护的技术使用者：广东珠肇铁路有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15