一种研究隧道局部破坏对邻近结构影响的试验工法

摘要

本发明公开了一种研究隧道局部破坏对邻近结构影响的试验工法，包括制备管片制作模具，通过脱模、养护，从而制得模型管片，将模型管片按照实际工程采用的拼装方式拼装成为完整的隧道模型，模型隧道管片通过直径由相似比确定的铁丝相连；模型隧道局部破坏模拟，试验实施开始后，在管片接头中确定管片接头失效的位置和数量，将确定位置的铁丝接入电路，通过相关设备对确定位置的铁丝施加高电流，从而使铁丝发热而熔断，从而模拟该管片接头处的失效。通过本发明方法可以人为随时控制任意部位、任意数量的接头失效，来充分研究隧道局部破坏对其邻近结构的影响。本方法不仅拓宽了研究此类事故的方法，同时也为以后的研究提供了一种研究思路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下工程中的模型试验方法，更具体地说，是设计一种模拟盾构隧道局部破坏对邻近结构影响的试验方法。

背景技术

进入21世纪，我国城市化进程加快，同时城市地面交通拥堵问题也日益严重。地铁因其占地面积少、运行车速稳定等特点，地铁的建设迎来了快速的发展。其中，盾构隧道因其对地面影响小、安全、高效等特点，在我国地铁隧道建设中被广泛应用。

盾构隧道由大量预制混凝土管片拼接而成，其接缝处为相对薄弱位置，易发生局部位置破坏。盾构隧道中，局部破坏极易引发隧道大规模的连续破坏。而目前针对隧道坍塌问题的研究主要集中于开挖面失稳破坏机理方面。针对隧道连续破坏问题的研究较少。鉴于破坏问题无法在实际工程中研究，一种有效研究手段的创新就显得尤为迫切、重要。

离心机模型试验是研究盾构隧道问题非常重要的方法之一。通过离心机可真实还原隧道周围应力水平、应力梯度等条件，真实地反映实际隧道工程中，管片等结构受力状态及其变化等因素。通过真实地还原隧道结构及其所处环境，可以得到重要、可靠的参考数据，对研究地下工程事故有重要意义。

然而，目前关于隧道离心机试验研究中，多为针对隧道变形问题的研究，而忽略了隧道管片及接头处的强度问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种可以用于模型试验的、真实还原实际隧道工程的管片制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种研究隧道局部破坏对邻近结构影响的试验工法，包括以下步骤：

步骤一：制备管片制作模具：所述的管片制作模具包括与标准块管片和封顶块管片对应的两套管片模具；每套管片模具由7个模块构成，7个模块包括2个封顶块、1个底部块、2个侧部块、1个凹榫块和1个凸榫块，所述的7个模具上均设有安装定位卯或安装定位榫，所述底部块、侧部块、凹榫块和凸榫块均设有连接件预留孔，所述底部块的连接件预留孔与所述侧部块的连接件预留孔之间、所述底部块的连接件预留孔与所述的凹榫块的连接件预留孔之间、所述底部块的连接件预留孔与所述凸榫块的连接件预留孔之间均设有连接件预埋件；管片制作模具拼装完成后，预留注浆孔；

步骤二、通过向由拼装后的管片制作模具内部形成的空腔浇筑混凝土，进而通过脱模、养护，从而制得模型管片，其中，所有的连接件预埋件均为管片接头，所述的连接件预埋件为铁丝；将模型管片按照实际工程采用的拼装方式拼装成为完整的隧道模型；

步骤三、模型隧道局部破坏模拟，包括：

步骤1)待检测设备布设完成后，将模型隧道放置在预设位置后，开启检测设备；待检测数据稳定后，开始填筑土体；填筑土体过程中，每填筑1倍隧道直径厚度的土体后，将土体表面刮平，待各项检测数据再次稳定后，继续填筑土体；直至隧道上方土体厚度为隧道4倍直径厚度；待检测数据稳定后，进行步骤2)；

步骤2)开始隧道局部破坏的模拟：在管片接头中确定管片接头失效的位置和数量，将确定位置的铁丝接入电路，通过相关设备对确定位置的铁丝施加高电流，从而使铁丝发热而熔断，从而模拟该管片接头处的失效，待所有预设的管片接头破坏完成，且各监测数据最终稳定后，试验结束。

进一步讲，本发明的步骤一中，每套管片制作模具拼装成为一个内有空腔的整体，内部空腔按照真实管片形状、将尺寸缩小而确定；每套管片的7块模具分别设有安装定位榫和安装定位卯。在拼装好的管片制作模具的内部喷涂脱模剂。

步骤二中，所述管片制作模具与注浆液接触的部分平整光滑。

步骤三中，所述铁丝的直径为0.75mm的铁丝，施加的电流为200A。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过本发明可以制作用于离心机试验的、真实反应隧道管片及接头强度的隧道模型，利用该隧道模型进行试验，从而实现了在隧道离心机试验研究中，不但可以针对隧道变形问题的研究，同时可以对隧道管片及接头处的强度问题进行研究。

附图说明

图1-1为标准块管片模具拼装示意图；

图1-2为标准块管片模具拼装后示意图；

图2-1为标准块管片模具底部块(D)主视图；

图2-2为图2-1所示标准块管片模具底部块(D)的侧视图；

图2-3为图2-1所示标准块管片模具底部块(D)的俯视图；

图3-1为标准块管片模具凹榫块(A)主视图；

图3-2为图3-1所示标准块管片模具凹榫块(A)的侧视图；

图3-3为图3-1所示标准块管片模具凹榫块(A)的俯视图；

图4-1为标准块管片模具凸榫块(T)的主视图；

图4-2为图4-1所示标准块管片模具凸榫块(T)的侧视图；

图4-3为图4-1所示标准块管片模具凸榫块(T)的俯视图；

图5-1为标准块管片模具封顶块(F)主视图；

图5-2为图5-1所示标准块管片模具封顶块(F)的侧视图；

图5-3为图5-1所示标准块管片模具封顶块(F)的俯视图；

图6-1为标准块管片模具侧部块(C)主视图；

图6-2为图6-1所示标准块管片模具侧部块(C)的侧视图；

图6-3为图6-1所示标准块管片模具侧部块(C)的俯视图；

图7-1为封顶块管片模具拼装示意图；

图7-2为封顶块管片模具拼装后示意图；

图8-1为封顶块管片模具底部块(D’)的主视图；

图8-2为图8-1所示封顶块管片模具底部块(D’)的侧视图；

图8-3为图8-1所示封顶块管片模具底部块(D’)的俯视图；

图9-1为封顶块管片模具凹榫块(A’)的主视图；

图9-2为图9-1所示封顶块管片模具凹榫块(A’)的侧视图；

图9-3为图9-1所示封顶块管片模具凹榫块(A’)的俯视图；

图10-1为封顶块管片模具凸榫块(T’)的主视图；

图10-2为图10-1所示封顶块管片模具凸榫块(T’)的侧视图；

图10-3为图10-1所示封顶块管片模具凸榫块(T’)的俯视图；

图11-1为封顶块管片模具封顶块(F’)的主视图；

图11-2为图11-1所示封顶块管片模具封顶块(F’)的侧视图；

图11-3为图11-1所示封顶块管片模具封顶块(F’)的俯视图；

图12-1为封顶块管片模具侧部块(C’)的主视图；

图12-2为图12-1所示封顶块管片模具侧部块(C’)的侧视图；

图12-3为图12-1所示封顶块管片模具侧部块(C’)的俯视图；

图13-1为连接件埋件(L)的主视图；

图13-2为图13-1所示连接件预埋件(L)的侧视图；

图13-3为图13-1所示连接件预埋件(L)的俯视图；

图13-4是模型连接件电路图。

图中：

1-底部块中的凹/凸榫块预留安装定位卯 2-绑扎槽

3-环缝手孔成型凸台 4-纵缝手孔成型凸台

5-预埋件安装孔 6-凹/凸榫块中安装定位榫

7-凹榫块中凹榫预留卯 8-凸榫块中的凸榫预留榫

9-安装定位榫 10-侧部块的预留安装定位卯

11-注浆孔 A-标准块管片模具的凹榫块

C-标准块管片模具的侧部块 D-标准块管片模具的底部块

F-标准块管片模具的封顶块 T-标准块管片模具的凸榫块

A’-封顶块管片模具的凹榫块 C’-封顶块管片模具的侧部块

D’-封顶块管片模的具底部块 F’-封顶块管片模具的封顶块

T’-封顶块管片模具的凸榫块 L-连接件预埋件

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提出的研究隧道局部破坏对邻近结构影响的试验工法的设计思路是：主要包括模型管片的制作和试验实施方法。其中，模型管片通过所设计的模具拼装后浇筑混凝土、养护等方法制作而成。模型隧道管片通过直径由相似比确定的铁丝相连。试验实施开始后，预定接头通过人为施加电流的方式使接头失效，通过该方法可以人为随时控制任意部位、任意数量的接头失效，来充分研究隧道局部破坏对其邻近结构的影响。本方法不仅拓宽了研究此类事故的方法，同时也为以后的研究提供了一种研究思路。

本发明提出的一种研究隧道局部破坏对邻近结构影响的试验工法，包括以下步骤：

步骤一：制备管片制作模具：

包括有两套管片制作模具，一套是如图1-1和图1-2所示的标准块管片模具，该标准块管片模具由7个模块构成，7个模块包括2个封顶块F、1个底部块D、2个侧部块C、1个凹榫块A和1个凸榫块T，所述的7个模具上均设有安装定位卯或安装定位榫。所述底部块D、侧部块C、凹榫块A和凸榫块T均设有连接件预留孔，所述底部块的连接件预留孔与所述侧部块的连接件预留孔之间、所述底部块的连接件预留孔与所述的凹榫块的连接件预留孔之间、所述底部块的连接件预留孔与所述凸榫块的连接件预留孔之间均设有连接件预埋件L；管片制作模具拼装完成后，预留有注浆孔11。7个模块拼装成为一个内有空腔的整体，内部空腔的设计按照真实管片形状、将尺寸缩小而确定，7块模具分别设有安装定位榫和安装定位卯，可以为模具拼装提供方便，也可以是模具拼装更加牢固。

图2-1、图2-2和图2-3示出了标准块管片模具的底部块D的结构，在所述的底部块D的凹/凸榫块预留有安装定位卯1，并且预留有绑扎槽2和环缝手孔成型凸台3及纵缝手孔成型凸台4和预埋件安装孔5；图3-1、图3-2和图3-3示出了标准块管片模具的凹榫块A的结构，在所述的凹榫块A上设有预埋件安装孔5、凹/凸榫块中安装定位榫6和凹榫块中凹榫预留卯7及凸榫块中凸榫预留榫8；图4-1、图4-2和图4-3示出了标准块管片模具的凸榫块T的结构，在所述的凸榫块T上设有螺栓预埋件安装孔5、凹/凸榫块中安装定位榫6和凸榫块中凸榫预留榫8；图5-1、图5-2和图5-3示出了标准块管片模具的封顶块F的结构，在封顶块F的顶部预留有绑扎槽2，在封顶块F的底部预留有用于与下端的侧部块C插接的安装定位榫9；图6-1、图6-2和图6-3示出了标准块管片模具的侧部块C的结构，所述的侧部块C的底部设有绑扎槽2、预埋件安装孔5和侧部块的预留安装定位卯10。如图1-1所示，其中的凹榫块A和凸榫块T分别位于所述底部块D的前后两端，2个侧部块C位于所述底部块D的左右两侧，由这5个模块拼装成空腔底，2个封顶块F分别安装在该空腔的顶部，从而形成了一个预留有注浆孔11的标准块管片模具。

另一套是如图7-1和图7-2所示的封顶块管片模具，同样的，该封顶块管片模具也是由7个模块构成，7个模块包括2个封顶块F’、1个底部块D’、2个侧部块C’、1个凹榫块A’和1个凸榫块T’，所述的7个模具上均设有安装定位卯或安装定位榫。所述底部块D’、侧部块C’、凹榫块A’和凸榫块T’均设有连接件预留孔，所述底部块的连接件预留孔与所述侧部块的连接件预留孔之间、所述底部块的连接件预留孔与所述的凹榫块的连接件预留孔之间、所述底部块的连接件预留孔与所述凸榫块的连接件预留孔之间均设有连接件预埋件L；管片制作模具拼装完成后，预留有注浆孔11。图8-1、图8-2和图8-3示出了封顶块管片模具的底部块D’的结构；图9-1、图9-2和图9-3示出了封顶块管片模具的凹榫块A’的结构；图10-1、图10-2和图10-3示出了封顶块管片模具的凸榫块T’的结构；图11-1、图11-2和图1-3示出了封顶块管片模具的封顶块F’的结构；图12-1、图12-2和图12-3示出了封顶块管片模具的侧部块C’的结构。7个模块拼装成为一个内有空腔的整体，内部空腔的设计按照真实管片形状、将尺寸缩小而确定，7块模具分别设有安装定位榫和安装定位卯。各模块中涉及到的用于拼装的位置关系及细部结构和拼装后的内腔形状和大小的设计与前述的标准块管片模具的类似，在此不再赘述。模具拼装完成后，插入连接预埋件，以在模型管片中预留出连接件孔。

步骤二、通过向由拼装后的管片制作模具内部形成的空腔浇筑混凝土，进而通过脱模、养护，从而制得模型管片，其中，所有的连接件预埋件均为管片接头，所述的连接件预埋件为铁丝；将模型管片按照实际工程采用的拼装方式拼装成为完整的隧道模型，在拼装好的管片制作模具的内部喷涂脱模剂，所述管片制作模具与注浆液接触的部分平整光滑，以保证制作的模型管片表面光滑。

步骤三、模型隧道局部破坏模拟。本发明试验的关键在于局部破坏模拟，隧道局部破坏采用接头失效来模拟隧道的局部破坏。通过人为方法将预设接头破坏后，监测局部破坏临近结构内力值，从而研究隧道局部破坏的影响。本发明中，管片接头处通过铁丝连接，铁丝直径应通过实际工程中螺栓直径与试验所采用的相似比确定。本发明中接头处的破坏，通过对接头处铁丝施加高电流，从而使铁丝发热而熔断。具体过程如下：

步骤1)待检测设备布设完成后，将模型隧道放置在预设位置后，开启检测设备；待检测数据稳定后，开始填筑土体；填筑土体过程中，每填筑1倍隧道直径厚度的土体后，将土体表面刮平，待各项检测数据再次稳定后，继续填筑土体；直至隧道上方土体厚度为隧道4倍直径厚度；待检测数据稳定后，进行步骤2)；

步骤2)开始隧道局部破坏的模拟：在管片接头中确定管片接头失效的位置和数量，从而模拟隧道局部破坏；将确定位置的铁丝接入电路，通过相关设备对确定位置的铁丝施加高电流，从而使铁丝发热而熔断，从而模拟该管片接头处的失效，待所有预设的管片接头破坏完成，且各监测数据最终稳定后，试验结束。

实施例：

本实施例在1g环境中，4倍隧道直径的埋深条件下，进行隧道局部破坏引发连续破坏的试验。实施例隧道模型尺寸与实际工程尺寸(采用天津市地铁隧道通用尺寸)比例为1:40。实施例模型隧道中采用两种管片拼接而成，即封顶块和标准块。标准块管片弧面对应圆心角为67.5°，其模具组成如图1-1至图6-3所示。封顶块管片弧面对应圆心角度为22.5度，其模具组成如图7-1至图12-3所示，图13-1、图13-2、图13-3和图13-4示出了本发明各套模具中预埋连接件的结构及模型连接件的电路图。

首先，根据所需隧道模型长度，确定隧道总体管片数。本实施例中，模型隧道共有20环管片组成。因此共需要制作20块封顶块管片和100块标准块管片。为避免有可能制作的管片质量达不到要求影响实验进度，确定制作24块封顶块管片和120块标准块管片。因此需准备24套封顶块管片制作模具和120套标准块管片制作模具。如果时间充裕，也可以分批制作以节省模具成本。模具准备好后，将标准块管片模具和封顶块管片模具按照图1-1、图1-2和图7-1及图7-2拼装，剩余封顶块暂不拼装。在拼装好的模具内部喷涂脱模剂，方便管片脱模。然后，将封顶块拼装完成。利用绑绳，通过模具预留绑扎槽，将模具捆绑固定。模具组装完成后，将准备好的混凝土浆液通过注浆孔贯入模具内，按照规定进行充分的振动、养护、拆模、养护等程序，使所制作的管片强度达到所要求的标准。在拆模过程中，应先将绑绳拆除，其次按照封顶块、凹(凸)榫块、侧部块的顺序依次拆模。

管片制作完成后，将管片按照实际工程采用的拼装方式拼装成为完整的隧道模型。在计划监测位置模型隧道管身粘贴应变片等检测工具。实施例模型隧道管片通过直径为0.75mm的铁丝相连接。

本实施例试验中，隧道局部破坏是由人为控制发生的，并通过若干接头的断裂模拟隧道局部破坏。因此，隧道拼装完成后，将每一个预设破坏接头接入电路中，电路图如图13-4所示。

待检测设备布设完成后，将模型隧道放置在预设位置后，开启检测设备。待检测数据稳定后，开始填筑土体。应注意，每填筑1倍隧道直径厚度的土体后，应将土体表面刮平，待各项检测数据再次稳定后，继续填筑土体。此过程直至隧道上方土体厚度为隧道4倍直径厚度。

待检测数据稳定后，试验准备阶段完成，可以开始隧道局部破坏的模拟。实验人员应按照预定接头破坏顺序，通过相关设备对破坏接头依次通电。

本实施例模型隧道接头为直径0.75mm的铁丝，因此将通电电流设为200A。通电后，接头处模拟螺栓的铁丝会因大电流的通过而产热，进而熔断，通过该手段，可以有效模拟接头处局部破坏。待所有预设接头破坏完成，且各监测数据最终稳定后，试验结束。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。