阅读说明：本技术 盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台及模拟试验方法 (Shield excavation and soil body settlement monitoring simulation test platform and simulation test method ) 是由 江华 程晋国 李宏亮 江玉生 李继东 王高敏 戈玮 赵亮 唐飞鹏 冯一帆 李加恒 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台及模拟试验方法,其模拟试验平台包括箱体、开挖模拟系统和土体沉降监测系统,所述开挖模拟系统安装于所述箱体内,包括内置钢圆筒,该内置钢圆筒外围均匀间隔布置若干个与其同心的环形隔板,相邻环形隔板之间安装与该内置钢圆筒同心的外环水层和内环水层；所述土体沉降监测系统包括至少一排单点位移计。本发明至少能够模拟盾构施工开挖间隙、盾尾间隙充填情况对地层沉降的控制效果,进一步能够研究盾构开挖引起土体的沉降规律,以及对土体沉降监测结果进行修正并研究修正规律。该平台制作组装方便,可拆除重复利用。(The invention relates to a shield excavation and soil body settlement monitoring simulation test platform and a simulation test method, wherein the simulation test platform comprises a box body, an excavation simulation system and a soil body settlement monitoring system, the excavation simulation system is arranged in the box body and comprises a built-in steel cylinder, a plurality of annular partition plates concentric with the built-in steel cylinder are uniformly arranged at the periphery of the built-in steel cylinder at intervals, and an outer annular water layer and an inner annular water layer concentric with the built-in steel cylinder are arranged between the adjacent annular partition plates; the soil body settlement monitoring system comprises at least one row of single-point displacement meters. The method can simulate the control effect of the shield construction excavation gap and the shield tail gap filling condition on the stratum settlement at least, further study the settlement rule of the soil body caused by shield excavation, correct the soil body settlement monitoring result and study the correction rule. The platform is convenient to manufacture and assemble and can be disassembled and reused.)

盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台及模拟试验方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其涉及一种盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台及模拟试验方法。

背景技术

地铁隧道施工采用盾构法时控制沉降的重要措施之一是进行注浆充填，目前几乎绝大多数工程中采用的是盾尾间隙充填，很少考虑开挖间隙充填，而开挖间隙引起的地层沉降效应在对沉降要求高的工程不容忽视。盾构施工引起地层位移的高精度、自动化监测是盾构穿越重大风险源实现微扰动和微沉降控制的重要保证，目前实际工程中越来越多地开展地层深层位移监测。目前对于深层位移监测采用较多的是磁环式位移计、多点位移计、单点位移计，无论是那种监测设备，都需要在地层中打孔、埋入设备并且回填砂进行监测。现场钻孔超深，即钻孔深度超过设计深度，超深部分回填砂与原状土有很大差异，这种情况下位移计实际监测的是深孔套筒内回填砂层的沉降值，而非该位置原地层的实际沉降。

为了弄清盾构开挖间隙和盾尾间隙充填程度对地层沉降的控制效果，为了消除回填砂与周围地层的沉降差异，或者为了数值仿真模拟中建立起充填程度与充填材料弹性模量之间的对比关系，设计一种既能模拟盾构掘进注浆充填，又能进行深层土体沉降监测修正的相似模拟实验平台至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术的不足，提供一种盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台及模拟试验方法，其至少能够模拟盾构施工开挖间隙、盾尾间隙充填情况对地层沉降的控制效果，进一步能够研究盾构开挖引起土体的沉降规律，以及对土体沉降监测结果进行修正并研究修正规律。该平台制作组装方便，可拆除重复利用。

本发明提供一种盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台，包括箱体、开挖模拟系统和土体沉降监测系统，其中：

所述箱体内填充原状土；

所述开挖模拟系统安装于所述箱体内，包括内置钢圆筒，该内置钢圆筒作为开挖模拟系统的承载基础，其***均匀间隔布置若干个与其同心的环形隔板，相邻环形隔板之间安装与该内置钢圆筒同心的外环水层和内环水层，外环水层设置有连通其内部的注水孔和注浆孔，内环水层设置有连通其内部的注水孔；

所述土体沉降监测系统包括至少一排单点位移计，所述单点位移计埋设于所述原状土体内。

作为一种改进，所述箱体采用上部敞口的三维钢板土箱，土箱左右侧板各开一条竖向滑槽，用于放置所述内置钢圆筒的两端，使得所述内置钢圆筒能够在所述竖向滑槽内上下滑动，从而调整所述开挖模拟系统的布置高度。

作为一种改进，所述竖向滑槽配置有竖向滑槽封板，用于封闭内部填土。

作为一种改进，所述土体沉降监测系统包括第一排单点位移计和第二排单点位移计，第一排单点位移计周围用原状土回填，第二排单点位移计孔的超深段用试验土回填。

作为一种改进，所述第一排单点位移计和第二排单点位移计分别用单点位移计固定杆安装固定于所述箱体的上部。

作为一种改进，所述第一排单点位移计和第二排单点位移计分别设置有多个单点位移计，且各个单点位移计的埋设深度不同。

作为一种改进，所述环形隔板的间隔距离为盾构隧道模拟管片的宽度。

作为一种改进，所述开挖模拟系统的内置钢圆筒的两端通过支撑横杆固定在试验高度。

本发明还提供一种根据所述的模拟试验平台的模拟试验方法，包括如下步骤：

S1：模拟盾构掘进开始；

S2：前一环外环水层放水模拟刀盘开挖产生的开挖间隙；

S3：在开挖间隙作用一定时间后对前一环内环水层放水模拟盾尾脱出产生的盾尾间隙；

S4：开挖间隙和盾尾间隙共同作用一定时间后，对前一环外环水层注浆，通过设计和控制注浆量模拟不同的充填程度；

S5：重复步骤S2-S4，对后一环已经达到设计开挖时间的环水层进行放水和注浆充填；

S6：重复步骤S5，通过不同环的环水层放水和注浆充填的实际时间差的设定，依次进行模拟开挖来实现盾构的推进。

作为一种改进，设置开挖间隙和盾尾间隙固定，通过单点位移计采集不同深度土体沉降数据，对比同深度土层中原状土和超深回填土的单点位移计沉降值差异，研究不同超深的单点位移计沉降监测值的修正规律。

有益效果：采用上述的技术方案后，本发明相对于现有技术具有如下的技术效果：

(1)本发明通过固定的内置钢圆筒模拟管片，外环水层模拟开挖间隙、内环水层模拟盾尾间隙，并通过注浆模拟充填情况。

(2)通过不同环的环水层放水以及注浆充填的实际设定的时间差，依次进行模拟开挖来实现盾构的移动推进。

(3)结合使用单点位移计监测土体沉降，设置不同开挖间隙和盾尾间隙条件下，通过单点位移计采集不同深度土体沉降数据，研究盾构隧道开挖引起土体的沉降规律。

(4)结合使用单点位移计监测土体沉降，设置开挖间隙和盾尾间隙一定的条件下，通过单点位移计采集不同深度土体沉降数据，对比同深度土层中原状土和超深回填土的单点位移计沉降差值差异，研究不同超深的钻孔单点位移计监测沉降值的修正规律。

附图说明

图1是本发明模拟试验平台一种实施方式的立体透视图；

图2是本发明开挖模拟系统一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明施工间隙一种实施方式的结构示意图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

还需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。

本发明中的“左”是指面向视图巷道纵向方向的左侧，“右”是指面向视图巷道纵向方向的右侧，“上”是指面向视图靠近巷道顶板的一侧，“下”是指面向视图靠近巷道底板的一侧，“内”是指面向视图靠近地下水库的一侧，“外”是指面向视图靠近巷道的一侧，“纵向”是指平行于巷道走向的方向，“横向”是指垂直于巷道走向的方向。

参见图1，图1为本发明提供的一种盾构开挖与土体沉降监测模拟试验平台立体结构透视图，包括箱体100、开挖模拟系统200和土体沉降监测系统300。通过本发明的模拟试验平台至少能够模拟盾构施工开挖间隙、盾尾间隙充填情况对地层沉降的控制效果。

具体如图1，作为一种具体实例，根据相似模拟原理，箱体100采用上部敞口的三维钢板土箱，具有基座底板104，土箱内填充原状土，用于模拟盾构开挖地层特性。土箱可采用钢板焊接制作，制作组装方便。

在一个具体实例中，土箱左右侧板各开一条竖向滑槽101，用于放置后述的内置钢圆筒201的两端，使得所述内置钢圆筒能够在所述竖向滑槽内上下滑动，从而调整所述开挖模拟系统的布置高度，即调整开挖系统布置高度，从而控制实际模拟埋深。

在一个具体实例中，竖向滑槽101配置有竖向滑槽封板102，用于封闭内部填土。滑槽封板102可竖向***竖向滑槽101中，也可安装在竖向滑槽101的外侧，添加紧固装置。

在一个具体实例中，参见图2，开挖模拟系统200安装于箱体100内，包括内置钢圆筒201，该内置钢圆筒为一整体的圆形钢筒，既是开挖模拟系统的部件，又用作支撑部件作为开挖模拟系统的承载基础，其***均匀间隔布置若干个与其同心的环形隔板202，本实例中，按照盾构隧道模拟管片宽度布置环形隔板(隔开管片轴向挤压力传递)，模拟管片环数按照实际情况设计(图中设计为3环)，环形隔板202共布置4个(算上两端)。考虑到土箱侧壁附近应力集中，开挖模拟系统必须与土箱侧壁保持一个合理距离。

环形隔板202隔开的每一环管片位置处同心圆叠加布置与内置钢圆筒同心的外环水层203和内环水层204，外环水层设置有连通其内部的注水孔205和注浆孔206，内环水层设置有连通其内部的注水孔207。

其中，内环水层204用来模拟盾构机外径，在模拟开挖阶段通过注水孔207放水控制内环水层204的厚度来模拟盾构前盾、中盾、尾盾分别通过同一环片的半径变化；外环水层203用来模拟盾构开挖过程中开挖间隙及其充填控制情况，通过外环水层203的注水孔205排水来模拟开挖间隙，通过注浆孔206来模拟开挖间隙充填。

再参见图1，在一个实例中，土体沉降监测系统300包括至少一排单点位移计，所述单点位移计埋设于所述原状土体内。

在一个改进实例中，土体沉降监测系统300包括第一排单点位移计301和第二排单点位移计302，第一排单点位移计周围用原状土回填，第二排单点位移计孔的超深段用试验土回填。

在一个实例中，第一排单点位移计和第二排单点位移计分别用单点位移计固定杆303安装固定于所述箱体的上部。

在一个改进实例中，第一排单点位移计和第二排单点位移计分别设置有多个单点位移计，且各个单点位移计的埋设深度不同。

通过箱体上部设置两排单点位移计，分别通过单点位移计固定杆固定，第一排单点位移计的周围用原状土回填，第二排单点位移计孔用实验土回填，模拟不同超深条件下的钻孔监测实验，用作对比实验，研究盾构开挖引起土体的沉降规律，以及对土体沉降监测结果进行修正并研究修正规律，这将在后面进一步具体阐述。

本发明中，开挖模拟系统(图中以三环模拟管片为例)可由内置钢圆筒固定在箱体两侧竖向滑槽上，通过支撑横杆103调节试验高度。

继续参见附图3，一种盾构机400，其在沿着长度方向上是梯形截面，具有前端的刀盘401和后端的盾尾402，以及管片403。盾构机刀盘位置直径最大，盾尾位置直径最小，盾构机刀盘与盾尾的直径均大于隧道管片的直径，其中盾构机刀盘直径与盾尾直径差值的一半称为开挖间隙404，也即刀盘与盾尾之间的高度差，盾尾直径与管片直径差值的一半称为盾尾间隙405，也即盾尾与管片之间的高度差。在盾构开挖过程中先形成开挖间隙，引起地层沉降；随着盾构推进，当盾尾脱出时，又出现盾尾间隙，此时开挖间隙与盾尾间隙一起引起地层沉降。

结合附图2、图3，本发明还提供一种根据所述的模拟试验平台的模拟试验方法，包括如下步骤：

S1：模拟盾构掘进开始；

S2：前一环外环水层放水模拟刀盘开挖产生的开挖间隙404；

S3：在开挖间隙作用一定时间后对前一环内环水层放水模拟盾尾脱出产生的盾尾间隙405；

S4：开挖间隙和盾尾间隙共同作用一定时间后，对前一环外环水层注浆，通过设计和控制注浆量模拟不同的充填程度；

S5：重复步骤S2-S4，对后一环已经达到设计开挖时间的环水层进行放水和注浆充填；

S6：重复步骤S5，通过不同环的环水层放水和注浆充填的实际时间差的设定，依次进行模拟开挖来实现盾构的推进。

本发明的工作原理为：

①地质条件相似处理：根据工程实际勘察的埋深、隧道直径和土层情况，按照合适的相似比K(现场实际值与室内模拟值之比)，确定模拟实验的参数。

②盾构机工况确定：通过室内实验模拟的地层性质计算出合适的注浆压力，结合盾构施工参数，设定盾构开挖间隙值和盾尾间隙值。

③装置搭建，单点位移计布置和接线(一排原状土和一排超深钻孔人工回填土)，填土作业。

模拟超深回填土的单点位移计安装的时候可以用PVC管做套筒将单点位移计直接套在里面，里面填回填土，外面填原装土，最后撤去套管。也可用圆柱短筒一节一节遮挡填充，然后边充填边拔高圆柱短筒。套筒内超深段回填土，其余为原状土，模拟现场不同土层。

模拟原状土的单点位移计安装的时候可不用套筒，原状土直接整箱一层一层填充。

④开挖模拟，按照设计值，通过依次按照设定的时间对分割的不同环的外环水层203先放水模拟盾构机通过每环管片(图示为3环)，并模拟刀盘开挖产生的开挖间隙，在开挖间隙作用一定时间对内环水层204放水模拟刀盘盾尾脱出产生的盾尾间隙，此时开挖间隙和盾尾间隙共同作用，导致土体沉降，并通过注浆孔对外环水层203注浆，通过计算好的注浆量模拟充填不同程度。

当前一环模拟管片的环水层放水和注浆充填时，对后一环已经达到设计开挖时间的环水层进行放水和注浆充填，通过不同环的环水层放水以及注浆充填的实际设定的时间差，依次进行模拟开挖来实现盾构的移动推进，即模拟开挖间隙和盾尾间隙以及注浆充填的移动。

⑤采集单点位移计在模拟盾构开挖过程中的沉降数据。

因为土体的沉降由开挖间隙、盾尾间隙以及二者的充填情况决定，本发明通过固定的内置钢圆筒模拟管片，外环水层模拟开挖间隙、内环水层模拟盾尾间隙，并通过注浆模拟充填情况，同时结合使用单点位移计监测土体沉降，研究其规律。本发明的模拟试验平台能够实现如下功能：

一、设置不同开挖间隙和盾尾间隙条件下，通过单点位移计采集不同深度土体沉降数据，研究盾构隧道开挖引起土体的沉降规律。

二、设置开挖间隙和盾尾间隙一定的条件下，通过单点位移计采集不同深度土体沉降数据，对比同深度土层中原状土和超深回填土的单点位移计沉降差值差异，研究不同超深的钻孔单点位移计监测沉降值的修正规律。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。