[发明专利]一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型

说明书

本发明提供了一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型，涉及盾构隧道模型试验技术领域，解决了现有技术中存在的管片衬砌结构模型无法真实反映实际管片所受到的浆液浮力状态的技术问题。该管片衬砌结构模型包括多个管片环，管片环与原型管片环具有一定的几何相似比，且管片环与原型管片环之间具有相同视比重。本发明的管片衬砌结构模型在研究盾构隧道上浮试验中更为真实的反映出实际管片结构的上浮特性，保证了试验的可靠性。

技术领域

本发明涉及盾构隧道模型试验技术领域，尤其是涉及一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型。

背景技术

盾构工法作为主要的隧道施工方法之一，凭借其自动化作业高、施工速度快以及对周围环境影响小等特点，已经在地铁隧道、给排水隧道和电力隧道等各城市交通市政隧道的施工建设中得到了广泛应用。

盾构掘进过程中，掌子面开挖和管片拼装等一系列主体施工工序都将在盾构外壳的保护下逐一完成。同时为了控制地层沉降，壁后注浆也是一大关键步骤。管片衬砌结构在从盾尾脱出后将与壁后同步注浆浆液接触，并被浆液紧密包裹。而由于浆液在未凝固前呈流体状态，管片结构则会受同步注浆浆液的浮力作用而出现一定量的上浮。管片上浮情况的存在一定程度上会影响到盾构隧道的整体结构形态，上浮严重时甚至会进一步引起衬砌结构出现破损、掉块、渗透水等危害，从而危及到隧道的安全与稳定。

针对盾构隧道管片上浮这一问题，国内外专家学者已做了大量的研究与分析，但其中利用室内试验手段来观察管片上浮过程的相关研究较少，并且已有的试验研究也仅对隧道结构的整体上浮量与上浮力大小做了测量，并不能展现管片环衬砌的真实上浮形态。为此，亟需提供一种能够较为真实的反映实际盾构隧道管片在同步注浆浆液中所受到的浮力作用状态的管片模型试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型，以解决现有技术中存在的管片衬砌结构模型无法真实反映实际管片所受到的浆液浮力状态的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种用于研究盾构隧道管片上浮的管片衬砌结构模型，所述管片衬砌结构模型包括多个管片环，所述管片环与原型管片环具有一定的几何相似比，且所述管片环与原型管片环之间具有相同视比重。

根据一种优选实施方式，所述管片环的外径和幅宽是基于所述管片环与原型管片环之间的几何相似比确定的；其中，所述管片环的外径和幅宽是分别按照如下公式确定：

r₁＝R/C_L；和

l’＝l/C_L，

其中，r₁和R分别为管片环和原型管片环的外径，l’和l分别为管片环和原型管片环的幅宽，C_L为预先设定的管片衬砌结构与原型管片的几何相似比值。

根据一种优选实施方式，所述管片环的总质量M_总’和管片环内径是基于所述管片环与原型管片环之间的相同视比重确定的，其中，所述管片环的总质量M_总’和管片环内径是按照如下方式进行确定：

利用公式ρ＝M_总/V_总＝4M_总/πR²l得到原型管片环的视比重ρ；其中，M_总为原型管片环的总质量，V_总为原型管片环的总体积；

基于所确定的视比重ρ、模型管片环的外径r₁和幅宽l’利用公式M_总’＝ρ·πr₁²l’/4得到管片环的总质量M_总’；