【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于地下工程施工，具體涉及一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置及其優(yōu)化方法。
技術(shù)介紹
1、近十年來，為了緩解交通壓力、擴(kuò)大城市的可居住范圍，軌道交通憑借其運量大、污染小、節(jié)奏快等優(yōu)點，成為城市交通的最佳方案。我國地質(zhì)復(fù)雜多變，不同地域之間存在顯著差異，盾構(gòu)在不同地質(zhì)條件施工過程中的管片上浮現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，現(xiàn)有對管片上浮問題的研究主要集中在軟弱土地層的施工環(huán)境中，由于其自穩(wěn)能力較弱，管片脫出盾尾后，土體會立即向管片移動直至消除盾尾間隙，硬質(zhì)巖地層的巖性較硬，在該類型地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時，管片脫離盾尾后，其周圍的巖體能夠在一定的時間內(nèi)保持自穩(wěn)，管片和周圍巖體之間的間隙能處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時同步注漿若能完全填充該間隙，上覆地層自重荷載可認(rèn)為未直接作用在管片上，管片存在上浮空間。該地層中的地下水類型主要為基巖裂隙水，一般會與地表水、地層孔隙水相連通，并且會相互補(bǔ)給，開挖面和圍巖會有較大的地下水涌出。
2、富水硬質(zhì)巖地層中管片上浮的影響因素具有特殊性,因此對于漿液浮力變化規(guī)律、富水硬質(zhì)巖中管片的上浮機(jī)理研究相對較少，且缺乏理論依據(jù)，從而制約著上浮控制方法的提出，是亟需解決的科學(xué)問題。在富水硬質(zhì)巖地層管片上浮控制方法的研究方面處于探索階段，控制方法的作用機(jī)理未能得到準(zhǔn)確揭示，從而不能使管片上浮得到有效的預(yù)防和控制，是工程中亟需解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)是針對富水硬質(zhì)巖地層設(shè)計的管片上浮的實驗裝置和優(yōu)化方法，不僅可以有效模擬監(jiān)測管片在該地層中的上浮情況，結(jié)合
2、一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，包括模型試驗箱、隧道模型及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模型試驗箱的兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)有相對設(shè)置且貫穿的安裝孔，隧道模型安裝于安裝孔內(nèi)，模型試驗箱內(nèi)設(shè)有巖土體，巖土體圍住隧道模型，隧道模型包括外管和內(nèi)管，外管模擬巖土體中的硬質(zhì)巖層與縫隙外沿的分界界面，內(nèi)管模擬管片，外管與內(nèi)管之間的縫隙設(shè)有氣囊或者漿液，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接模型試驗箱。
3、實驗裝置利用硬質(zhì)巖具有不透水、開挖后具有一定自穩(wěn)性的特點來設(shè)計的，外管和內(nèi)管均為不可透水材料且具有一定強(qiáng)度，外管形成穩(wěn)定的縫隙外邊緣，外管與內(nèi)管之間能形成穩(wěn)定的縫隙，模擬管片和硬質(zhì)巖地層之間的空隙。外管和土體的組合體模擬硬質(zhì)巖，當(dāng)縫隙設(shè)有氣囊時，調(diào)整不同位置氣囊中氣壓的大小來模擬漿液受地下水影響的稀釋和高彈性模量漿液的注入；當(dāng)縫隙沒有氣囊時，注入普通漿液，模擬真實注漿情況。
4、進(jìn)一步，內(nèi)管表面進(jìn)行縱向和橫向的切槽，縱向切槽將內(nèi)管分為若干個內(nèi)管環(huán)，每兩個相鄰內(nèi)管環(huán)圍有一個氣囊，單個氣囊包括上氣囊和下氣囊，上氣囊和下氣囊包裹內(nèi)管，以隧道逆掘進(jìn)方向?qū)饽乙来斡洖榈?個，第2個，……，第n個。
5、內(nèi)管表面的切槽模擬管片的拼接縫縱向橫向切縫。氣囊為上氣囊和下氣囊拼接而成，可以分別調(diào)整上氣囊和下氣囊的氣壓從而模擬管片的上浮。氣囊為多個氣囊拼接而成，可以通過調(diào)整不同氣囊的氣壓或者在氣囊內(nèi)注入高彈性模量漿液模擬不同情況比如漿液稀釋和改變注漿彈性模量等。
6、外管可以為金屬管，優(yōu)選鋼材質(zhì)。內(nèi)管可以為塑料管，優(yōu)選pe管。
7、進(jìn)一步，內(nèi)管設(shè)有內(nèi)管預(yù)留孔，氣管通過內(nèi)管預(yù)留孔與氣囊連通，氣管連接氣壓控制裝置，氣壓控制裝置包括氣壓表、閥門和空壓機(jī)，水管通過內(nèi)管預(yù)留孔使縫隙與水箱連通。
8、內(nèi)管預(yù)留孔不僅可以連接氣壓控制裝置，還可以連接水箱，針對不同模擬情況注入不同東西。空壓機(jī)和閥門打開，空壓機(jī)對氣囊壓入高壓空氣，氣壓表實時監(jiān)測氣囊壓力。氣壓表、閥門、氣管和空壓機(jī)可以為市面上常見的型號。
9、進(jìn)一步，外管設(shè)有外管預(yù)留孔，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括孔壓計、激光位移計和數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀位于模型試驗箱外部，孔壓計安裝于外管預(yù)留孔內(nèi)，內(nèi)管內(nèi)設(shè)有長桿，激光位移計固定于長桿，孔壓計和激光位移計與數(shù)據(jù)采集儀連接。
10、孔壓計檢測外管與內(nèi)管空隙中的壓力變化，激光位移計檢測內(nèi)管位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀收集孔壓計和激光位移計的數(shù)據(jù)。孔壓計、激光位移計和數(shù)據(jù)采集儀可以為市面上常見型號。
11、一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的優(yōu)化方法，包括如下步驟：
12、1組裝實驗裝置，將隧道模型圍有氣囊后裝入模型實驗箱內(nèi)；
13、2通過實驗裝置模擬真實注漿、漿液稀釋和使用設(shè)定的控制管片上浮方法后管片位移情況，并記錄內(nèi)管上浮的實驗數(shù)據(jù)；
14、3對隧道環(huán)境進(jìn)行假設(shè)，計算使用設(shè)定的控制管片上浮方法后管片上浮的理論數(shù)據(jù)；
15、4將步驟2得到的實驗數(shù)據(jù)和步驟3得到的理論數(shù)據(jù)作對比，確定該控制方法的影響參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)步驟2和/或步驟3直至得到最佳影響參數(shù)。
16、通過實驗裝置模擬不同情況下內(nèi)管上浮情況與理論數(shù)據(jù)相互驗證，確定管片上浮的影響參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的控制管片上浮的方法。
17、優(yōu)選的，步驟2中設(shè)定基于改變注漿的彈性模量控制管片上浮方法，具體實驗步驟如下：
18、2.1控制所有氣囊的氣壓處于相同氣壓大小，使內(nèi)管處于均勻的氣壓包裹狀態(tài)，且保持內(nèi)管處于水平狀態(tài)，模擬實際管片受到的上浮力，激光位移計讀取內(nèi)管位置的初始值；
19、2.2保持第1個氣囊的氣壓大小不變，選擇并增大第2個到第n個中其中一個氣囊或者幾個氣囊的彈性模量，其它氣囊的氣壓大小與第1環(huán)氣囊的氣壓大小一致，通過激光位移計確定此時的內(nèi)管位置的數(shù)值；
20、2.3調(diào)整除了增大彈性模量氣囊外的其它氣囊的氣壓大小，模擬漿液被地下水稀釋現(xiàn)象，記錄此時激光位移計的讀數(shù)，監(jiān)測此時內(nèi)管的位移情況，與初始值相比得到此時的上浮量；
21、2.4除了第1個氣囊和已增大彈性模量的氣囊，調(diào)整其它氣囊的壓力差，記錄激光位移計的讀數(shù)，監(jiān)測此時內(nèi)管的位移情況。
22、該方法基于改變注漿的彈性模量，通過增大選定的氣囊的彈性模量來模擬增加管片某處注漿的彈性模量，得到實驗內(nèi)管上浮量。
23、優(yōu)選的，步驟2.2中，增大第2個到第n個中其中一個氣囊或者幾個氣囊的彈性模量包括以下兩種方法：
24、a.使用氣壓控制裝置，向選擇的氣囊中注入空氣，通過提高該氣囊的氣壓來實現(xiàn)彈性模量的增大；
25、b.通過向該氣囊內(nèi)注入速凝、高強(qiáng)度型漿液包括水玻璃漿液、水泥漿液、水泥-水玻璃漿液，使該氣囊的彈性模量快速增大。
26、優(yōu)選的，步驟3中設(shè)定基于改變注漿的彈性模量控制管片上浮方法，具體理論計算步驟如下：
27、3.1假定隧道等效為均質(zhì)圓環(huán)，圓環(huán)剛度考慮縱向接頭螺栓和環(huán)縫效應(yīng)，采用彈性地基梁模型模擬隧道與漿液和周圍巖層之間的相互作用；
28、3.2理論上浮量公式為
29、
30、其中yi為上浮量，i為梁段號，αi為內(nèi)管的彈性特征系數(shù)，x為浮力作用在內(nèi)管的位置，ai為通解系數(shù)，qi(x)為上浮荷載，ki為地基豎向基床系數(shù)，b為地基本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：包括模型試驗箱、隧道模型及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型試驗箱的兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)有相對設(shè)置且貫穿的安裝孔，所述隧道模型安裝于所述安裝孔內(nèi)，所述模型試驗箱內(nèi)設(shè)有巖土體，所述巖土體包圍住所述隧道模型，所述隧道模型包括外管和內(nèi)管，所述外管模擬所述巖土體中的硬質(zhì)巖層與縫隙外沿的分界界面，所述內(nèi)管模擬管片，所述外管與所述內(nèi)管之間的縫隙設(shè)有氣囊或者漿液，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接所述模型試驗箱。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：所述內(nèi)管表面進(jìn)行縱向和橫向的切槽，所述縱向切槽將所述內(nèi)管分為若干個內(nèi)管環(huán)，每兩個相鄰所述內(nèi)管環(huán)圍有一個所述氣囊，單個所述氣囊包括上氣囊和下氣囊，所述上氣囊和所述下氣囊包裹所述內(nèi)管，以逆隧道掘進(jìn)方向?qū)⑺鰵饽乙来斡洖榈?個，第2個，……，第n個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：所述內(nèi)管設(shè)有內(nèi)管預(yù)留孔，氣管通過所述內(nèi)管預(yù)留孔與所述氣囊連通，所述氣管連接氣壓控制裝置，所述氣壓控制裝置包括氣壓表、閥門和空壓機(jī)，水管通過所
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：所述外管設(shè)有外管預(yù)留孔，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括孔壓計、激光位移計和數(shù)據(jù)采集儀，所述數(shù)據(jù)采集儀位于所述模型試驗箱外部，所述孔壓計安裝于所述外管預(yù)留孔內(nèi)，所述內(nèi)管內(nèi)設(shè)有長桿，所述激光位移計固定于所述長桿，所述孔壓計和所述激光位移計與所述數(shù)據(jù)采集儀連接。
5.一種使用如權(quán)利要求1-4任意一項所述實驗裝置的富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.如權(quán)利要求5所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟2中設(shè)定基于改變注漿的彈性模量控制管片上浮方法，具體實驗步驟如下：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗方法，其特征在于：步驟2.2中，增大第2個到第n個中其中一個氣囊或者幾個氣囊的彈性模量包括以下兩種方法：
8.如權(quán)利要求5所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟3中設(shè)定基于改變注漿的彈性模量控制管片上浮方法，具體理論計算步驟如下：
9.一種使用如權(quán)利要求1-4任意一項所述實驗裝置的富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的優(yōu)化方法，其特征在于，模擬漿液稀釋，包括如下步驟：
10.一種使用如權(quán)利要求1-4任意一項所述實驗裝置的富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的優(yōu)化方法，其特征在于，模擬真實注漿，包括如下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：包括模型試驗箱、隧道模型及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型試驗箱的兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)有相對設(shè)置且貫穿的安裝孔，所述隧道模型安裝于所述安裝孔內(nèi)，所述模型試驗箱內(nèi)設(shè)有巖土體，所述巖土體包圍住所述隧道模型，所述隧道模型包括外管和內(nèi)管，所述外管模擬所述巖土體中的硬質(zhì)巖層與縫隙外沿的分界界面，所述內(nèi)管模擬管片，所述外管與所述內(nèi)管之間的縫隙設(shè)有氣囊或者漿液，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接所述模型試驗箱。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：所述內(nèi)管表面進(jìn)行縱向和橫向的切槽，所述縱向切槽將所述內(nèi)管分為若干個內(nèi)管環(huán)，每兩個相鄰所述內(nèi)管環(huán)圍有一個所述氣囊，單個所述氣囊包括上氣囊和下氣囊，所述上氣囊和所述下氣囊包裹所述內(nèi)管，以逆隧道掘進(jìn)方向?qū)⑺鰵饽乙来斡洖榈?個，第2個，……，第n個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：所述內(nèi)管設(shè)有內(nèi)管預(yù)留孔，氣管通過所述內(nèi)管預(yù)留孔與所述氣囊連通，所述氣管連接氣壓控制裝置，所述氣壓控制裝置包括氣壓表、閥門和空壓機(jī)，水管通過所述內(nèi)管預(yù)留孔使所述縫隙與水箱連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種富水硬質(zhì)巖地層中控制管片上浮的實驗裝置，其特征在于：所述外管設(shè)有外管預(yù)留孔，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王睿，孫占剛，海濤，李天宇，席和平，王劍宏，閔凡路，鐘小春，
申請(專利權(quán))人：山東建筑大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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