[发明专利]考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及方法

说明书

本发明涉及一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及其试验方法。包括模型箱体、盾构管片模型、壁后注浆系统、加载系统和测量系统，在模型箱体内填充有土体，模型箱体内设有盾构管片模型，壁后注浆系统包裹于盾构管片模型外围，加载系统上覆于土体上方直接接触，模型箱体为顶部和前面板局部开口的长方体，测量系统埋设于填土表面、隧道管片周围、隧道顶部至填土面等重要路径上。优点：能够精细试验模拟不同性质的壁后注浆液、不同盾尾与管片环的姿态差异等施工因素影响下的管片土压力，该试验设备可恢复原始地层初始地应力。而且试验设备构造简单，试验操作方便，可进行大量的各种工况下盾构管片土压力机理试验研究工作。

技术领域

本发明是一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及方法，属于地下工程施工技术领域。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，城市规模快速扩张导致城市交通压力的日益繁重，各大城市的地铁建设也进入高潮，新世纪以来在我国近20年的地铁建设中，盾构工法以其环保、高效、安全、对周边环境影响小等优点被广泛应用于城市地铁以及过江公路隧道修建中。

盾构法是一种靠盾构机切削挖掘土体前进，并在掘进后方留下管片衬砌阻止洞周土体坍塌以形成稳定隧道的施工方法。地下结构物的受力情况复杂，盾构管片土压力不仅受地层初始应力场、围岩的力学性质、衬砌与围岩的相互作用情况等因素的影响，而且受到施工控制影响较大。因此，地下隧道结构的设计一直处于经验为主的类比法向半经验为主的荷载结构法管片设计过渡阶段，难以达到地面结构的基于概率统计为基础的结构可靠性设计水平。

目前盾构管片土压力的确定方法主要有：1）采用基于工程实践经验假设围岩变形及极限破坏面经过推导得到的简化计算方法（全土柱法、太氏方法、普氏方法、谢氏方法等）；2）基于连续介质理论的解析解答方法；3）计算机数值计算方法；4）模型试验方法。这些方法中，简化计算方法对于围岩与衬砌的相互作用、施工过程等因素难以做出考虑；解析计算方法尽管考虑了较多因素但计算繁杂不便于工程应用；数值计算方法的正确性受围岩材料本构模型、围岩与土体相互作用参数取值干扰较大，模型简化等问题也有一定的局限性；现有的模型试验设计大多加载方法复杂、对施工因素考虑较少且模型试验成本过高难以大量开展机理性试验研究工作，其成果参考价值有限。

基于以上分析可以看出，目前的管片土压力的计算方法并没有考虑施工阶段的影响。但是施工阶段盾构管片结构出现的问题又是最多的，管片的开裂、破损、错台、渗漏问题层出不穷，严重影响地铁隧道“百年大计”工程实施和运营的安全及极大地提高了隧道维护成本，需要研究考虑施工阶段影响的管片土压力模型试验及试验方法。

发明内容

本发明提出的是一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及试验方法，旨在结合我国地铁工程实际开发考虑盾构掘进中盾尾管片壁后注浆影响的管片土压力模型试验，解决长期困扰我国盾构衬砌管片结构设计土压力的确定问题。本发明采取在隧道盾构管片环模型外围不同位置设置橡皮膜并在橡皮膜与盾构管片环模型之间空隙填充注浆的方式模拟盾尾注浆施工，同时使用弹性充气气囊进行加载，提供了一种考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及其试验方法。

本发明的技术解决方案：考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是包括模型箱体、盾构管片环模型11、壁后注浆系统、加载系统和测量系统，模型箱体内分层填筑砂土，内设有盾构管片环模型和包裹其周围的壁后注浆系统，加载系统上覆于土体顶部，测量参数包括管片环上的土压力、管片环周围地层和填土顶部的土体位移；其中，所述模型箱体为长方体，由6块透明面板组成，上面板4及一侧面板可拆卸，前面板6上设有圆形洞口并配备有密封盖板5，方便盾构管片环模型和壁后注浆系统橡皮膜的安装进入，后面板内壁和前面板密封盖板刻有与盾构管片环模型直径相匹配的凹槽定位方便安装固定，同时模型箱体外部设置有井字形钢制肋衬3保证箱体在试验过程中的安全稳定性；