一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法

摘要

一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法，属于隧道工程、地铁工程施工防护领域。针对软土地区盾构隧道施工过程中地层损失引起周围土层位移，进而引起周围地下管线力学行为的变化，严重时造成管线变形、爆裂等灾害问题。所述的试验方法是：盾构隧道-地下管线-地层系统的相似设计；利用盾构隧道施工伴随地层损失模拟装置盾构隧道施工伴随地层损失过程的模拟；地下管线测量元件布设与数据采集分析；模型铺设安装。利用本发明的试验方法，可以进行多种施工工况条件下的模型试验，为进一步了解地下管线灾变机理，建立地下管线力学行为的简化计算方法，本发明在工程技术研究领域，隧道工程施工防护领域具有较大的应用前景。

主权项

一种模拟盾构隧道施工周围地下管线力学行为的试验方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：步骤一：盾构隧道‑地下管线‑地层系统的相似设计；首先根据模型箱(1)尺寸与原型尺寸确定几何相似比为1∶N，其中N为缩尺比例，并按照该相似比设计地层分布厚度、隧道直径、隧道与地下管线空间关系，地下管线的直径及材料力学参数按照原型与试验模型纵向刚度相似进行设计，如式(一)所示：E_原型I_原型/E_模型I_模型＝N⁴          (一)式(一)中，E_原型为原型的弹性模量；I_原型为原型的惯性矩；E_模型为模型的弹性模量；I_模型为模型的惯性矩；按照上述式(一)确定合理的地下管线材料、直径和壁厚；步骤二：盾构隧道施工伴随地层损失过程的模拟装置制作；所述的盾构隧道施工伴随地层损失模拟装置包括流量计(2)、多个环形液囊(3)、多根A型号液管(4)、多个电磁液阀(5)及多根B型号液管(6)；首先按照隧道模型(7)外部的直径加工多个环形液囊(3)，并将多个环形液囊(3)内部分别充满氯化钙溶液(8)后套设在隧道模型(7)外部，每个环形液囊(3)分别通过一根A型号液管(4)与其对应的电磁液阀(5)相连，然后将多个电磁液阀(5)通过多根B型液管(6)连接在同一个流量计(2)上；在进行盾构隧道施工模拟时，根据地层损失率即可确定每一环形液囊(3)中需要放出的氯化钙溶液(8)的体积，按照掘进方向，依次将每一环形液囊(3)中放出相同体积的氯化钙溶液(8)即可模拟伴随相同地层损失的盾构隧道掘进过程，将同一个环形液囊(3)依次等时间间断释放相同体积的氯化钙溶液(8)，即可模拟盾构隧道施工引起不同地层损失率的工况；步骤三：地下管线测量元件布设与数据采集分析；地下管线模型(9)长度延伸至隧道模型(7)地层沉降影响范围以外，并沿着地下管线模型(9)全长在地下管线模型(9)上下两侧成对布设多对应变片(10)，在试验过程中应变片(10)数据通过应变采集仪由计算机进行自动采集，通过对采集到的地下管线模型(9)应变数据按照式(二)和(三)进行计算，即可得到沿地下管线模型(9)由盾构隧道施工地层损失引起的附加剪力和弯矩的分布；$M\left(x_i\right)=\frac{\mathrm{EI}[{ϵ}_t\left(x_i\right)-{ϵ}_c\left(x_i\right)]}{2R}$            (二)$Q\left(x_i\right)=\frac{\mathrm{dM}\left(x_i\right)}{d{x}_i}$               (三)式中，x_i为第i个应变片(10)的横坐标值；M(x_i)为x_i点处地下管线模型(9)的弯矩；E为地下管线模型(9)的弹性模量；I为地下管线模型(9)的横截面惯性矩；ε_t为地下管线模型(9)受拉侧的应变；ε_c为地下管线模型(9)受压侧的应变；R为地下管线模型(9)的半径；Q(x_i)为x_i点处地下管线模型(9)的剪力；步骤四：模型铺设安装；按照地下管线模型(9)和隧道模型(7)设计的尺寸及空间关系，将盾构隧道模型(7)及黏贴应变片(10)的地下管线模型埋设于相应土层中，为保证土层性质与原型相近，首先进行原型土层的室内土工试验，得到其原状土的密实度、含水率特性，然后按照原型场地的土层分布铺设土层，根据每一土层厚度确定铺设层数及层厚，每铺设一层进行夯实，达到原型场地土层的密实度后开始铺设下一层，直至管线模型(9)和隧道模型(7)铺设安装完毕。