隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置和方法
2023-05-30 15:36:31 1
專利名稱：隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置和方法
技術領域：
本發明涉及隧道工程，特別是一種隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置和方法。
背景技術：
在大中城市的地下空間開發與利用過程中，為緩減地面交通壓力而修建的地下隧道工程發揮著重要的作用。有時因受施工環境的限制或為了提高隧道工程的利用率，必須在小區域內建設多功能的地下交通網絡，這使得地下隧道近距離施工成為工程師必須解決的難題之一。因隧道開挖施工會引起隧道周邊土體的應力重分布，進而造成新建隧道周圍一定區域內的既有隧道結構的應力狀態發生變化，嚴重影響既有隧道結構的安全使用。為了將新建隧道開挖對既有近距離隧道的影響降低到最小程度，採用科學的研究方法來認識近距離隧道施工相互影響機理，並提出合理的判斷和評價標準是工程師和科研工作者要解決的首要問題。在各種研究方法中，物理模型試驗以其經濟，科學和更能反映實際工程特點的優勢，被廣泛應用於隧道近距離施工相互影響的相關研究中國內外學者針對隧道開挖的相關問題進行了一系列模型試驗。經過文獻檢索有一些相關專利技術已經公開，如中國專利公開號CN 201352179Y，專利名稱一種盾構隧道結構模型綜合試驗裝置，該裝置提供了一種模擬單一盾構隧道施工過程的方法，並能測試出隧道結構的受力情況。但該裝置無法反映兩條近距離平行隧道施工相互影響問題，且試驗裝置構造複雜，造價昂貴。再比如，中國專利號，CN 101858222A，專利名稱一種新建隧道零距離下穿既有地鐵結構控制變形的方法，該方法在既有地鐵隧道結構底板與新建隧道側牆之間施加千斤頂，利用隧道開挖的時空效應，並預先施加頂力，使新建隧道地基土體固結沉降，從而減少後期土體沉降以實現控制既有地鐵結構變形的目的。該方法效果明顯，簡單易行，但對施工環境要求較高。鑑於近距離隧道施工相互影響的複雜性，迫切需要研製一種能夠模擬並評價新隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置。
發明內容
本發明的目的就在於提供一種造價低，精度高，操作簡單的試驗裝置，用於研究隧道開挖對既有近距離平行隧道的影響機理和定性評價。本發明所要解決的技術問題就是提供一種模擬並評價隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置和方法。可以方便的模擬不同埋深，不同布置方式，不同間距，不同地層條件下近距離隧道施工相互影響，並測試既有隧道結構的變形情況；能很好的反映隧道開挖對既有隧道結構的影響過程和影響程度，實時反映隧道開挖過程中地表的變形，測試數據準確可靠，且操作方便，為研究近距離隧道施工相互影響機理提供可靠的試驗平臺。本發明的技術解決方案是一種隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置，特點在於其構成包括
模型箱，是一種無頂蓋的臥式長方形箱體，該模型箱的兩個端面板是可更換的，該端面板根據試驗的需要加工有多個孔口，分別對應既有隧道孔口和多個設計的新開挖隧道孔口位置，模型箱供砂土裝填；模擬既有隧道的鐵皮管和模擬新開挖隧道的PVC管；一個移動式加載臺架，一個加載千斤頂固定在所述的加載臺架上，該移動式加載臺架通過四根螺紋杆與所述的模型箱連接並確定二者之間的距離，所述的千斤頂的最大行程決定每個開挖步的最大進深距離；測量管壁位移的管壁位移計、測量地表位移特性的地表位移計、測量管壁應變的應變片、靜態應變儀和計算機；所述的管壁位移計安裝在所述的既有隧道的鐵皮管內，通過連杆與位於支座上的磁芯器接固定；所述的應變片貼設在所述的既有隧道的鐵皮管的外壁上，所述的地表位移計設置在所述的模型箱內裝填的砂土表面並位於模擬新開挖隧道的正上方，所述的管壁位移計、地表位移計和所述的應變片經數據線與所述的靜態應變儀相連， 該靜態應變儀的輸出端與所述的計算機相連。所述的模型箱的外側用六道槽鋼加固。所述的端面板為有機玻璃板。利用上述的隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置的試驗方法，包括下列步驟①將製備好的砂土分層裝入所述的模型箱中，在所述的模型箱內對應於所述的端面板的既有隧道孔口位置埋設模擬既有隧道的鐵皮管，並在鐵皮管設計斷面處粘貼所述的應變片，然後繼續分層裝填砂土，直至所述的鐵皮管達到設計的埋深；②將安裝在連杆上的管壁位移計布設在鐵皮管內的設計位置，通過磁芯器固定在支座上，以保障試驗過程中所述的管壁位移計本身是固定的③在所述的模型箱內砂土表面模擬新開挖隧道的正上方設置所述的地表位移計；④將所述的管壁位移計、地表位移計和應變片用數據線與所述的靜態應變儀相連，並將該應變儀的輸出端與所述的計算機的輸入端相連；⑤用螺紋杆把所述的移動式加載臺架和模型箱連在一起，對準新開挖隧道一個孔口位置，將所述的千斤頂固定在所述的移動式加載臺架上；⑥將所述的千斤頂回到零頂推位置，調節螺紋杆上螺帽的位置來調整並固定好所述的移動式加載臺架的位置，使所述的模擬新開挖隧道用的PVC管平行於所述的模擬既有隧道的鐵皮管，並將其安放在新開挖隧道的孔口和所述的千斤頂之間；⑦順時針旋轉千斤頂上的手輪，將所述的PVC管從新開挖隧道的孔口勻速推入所述的模型箱內的土體中，直到推進距離等於所述的千斤頂的最大頂推距離，至此完成一個開挖步的模擬，同時所述的應變片、地表位移計和管壁位移計將測量數據通過數據線傳送到所述的靜態應變儀，該應變儀將有關數據傳送的所述的計算機存儲並進行數據處理；⑧所述的重複上述步驟⑥ ⑦，模擬隧道分步開挖過程，最後由所述的計算機輸出數據處理結果。與現有技術相比，本發明的有益效果是(1)本發明使用一種簡單易行的頂推方法實現模擬隧道開挖對既有近距離平行隧道結構的影響。可反映隧道開挖對既有平行隧道的影響及周圍土層和地表位移的變化情況。(2)本發明創造性地使用臥式千斤頂提供頂推荷載，實現了在模型箱外部加載，成功的避免了加載裝置自身對土體和既有隧道結構的影響。而且加載過程操作簡單，加載位置可根據需要隨時調整，加載速度可實時變化。(3)將設計有不同間距，不同孔口布置方式的有機玻璃板固定在模型箱上，分別進行試驗，即可實現布置方式，間距這兩個重要因素對平行隧道間相互影響的試驗模擬和評價。(4)近距離隧道施工引起既有平行隧道的變形和位移可以實時記錄並自動儲存到計算機中，方便後期處理。(5)該試驗裝置有良好的功能擴展性，可根據具體要求，模擬地表堆載，開挖卸載及動載荷等多種工程活動對既有隧道結構的影響。通過局部密封處理，還可實現因隧道開挖引起水位變化對既有隧道結構的影響的試驗模擬與評價。總之，本發明的試驗裝置可以模擬隧道結構在不同地層條件，不同布置方式和間距及不同施工活動下對既有隧道結構的影響，並測試出隧道結構的受力情況，為研究城市近距離平行地鐵隧道施工相互影響提供了可靠的試驗研究方法和評價標準，為工程設計和施工提供有價值的參考依據。
圖1本發明實施例中所用試驗裝置沿隧道縱向的正剖面示意2本發明實施例中近距離平行隧道孔口布置示意3既有隧道位移測試裝置示意4本發明一個實施例既有隧道結構位移監測斷面布置5實施例(隧道埋深為2D，D為隧道直徑)既有隧道拱腰水平位移圖
圖6實施例(隧道埋深為2D，D為隧道直徑)既有隧道拱頂豎向位移圖
具體實施例方式下面結合附圖及實施方式對本發明進行進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1、2、3，由圖可見，本發明隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置，其構成包括(1)模型箱 1開挖土層模擬的模型箱1由三塊鋼板和兩塊有機玻璃板組裝成一個長方形模型箱，模型箱外圍設置槽鋼加固板，使模型箱的鋼板和有機玻璃板成為一體，承擔土壓力和試驗過程中施加的各種外荷載，模型箱中土體頂面為自由面，可根據具體要求施加各種荷載組合。在模型箱的兩塊有機玻璃板上開孔以便預埋並沿既有隧道橫向固定隧道結構，在與既有隧道孔口 2近旁平行位置處預留多個新建隧道孔口位置3。通過更換不同孔口布置方式的有機玻璃板，實現平行隧道在不同布置方式下的試驗研究。通過變化既有隧道拱頂覆蓋土層的厚度，實現平行隧道在不同埋深下的試驗研究；
(2)加載臺架部分用槽鋼焊接一個移動式加載臺架5，可根據有機玻璃板上孔口 3的位置，將加載千斤頂6固定在所述的加載臺架5上，並可根據隧道開挖步的需要，實時移動加載臺架。將加載臺架5通過螺紋杆10與裝有試驗土的模型箱1連接在一起，提供穩定的反力支撐，千斤頂6的最大行程決定每個開挖步的最大進深距離，通過調整加載臺架5的位置實現長距離隧道的連續開挖過程的試驗研究。(3)隧道變形測試部分既有隧道2的外壁上粘貼應變片9，既有隧道2結構內壁設計斷面處布設位移計 7測量管壁位移，並在地表與開挖面垂直的方向布置位移計8測量地表位移，記錄多洞並行開挖時地表位移特性。所述的應變片9，位移計7和位移計8的輸出端都與靜態應變儀14 相連，該應變儀14的輸出端與計算機15相連，實現測試數據實時傳輸。本發明的工作過程和工作原理是用一鐵皮管模擬既有隧道結構，既有隧道結構縱軸向平行於地面，把既有隧道結構預埋在模型箱的預留孔口處，然後在該既有隧道2的左右近旁開挖新建隧道3 (設計位置處)，通過固定在加載臺架5上的臥式千斤頂6將一 PVC管勻速從孔口 3向模型箱1內推進，推進方向與既有隧道(鐵皮管)縱向平行。推進過程中既有隧道2周圍的土體一部分流入所述的PVC塑料管中，一部分土體因受到擠壓作用向四周移動，引起土體擾動，進而引起既有隧道2的結構產生變形，影響隧道安全使用。通過變換千斤頂6的位置和頂推塑料管的位置，實現研究不同間距下隧道開挖對既有近距離平行隧道的影響；通過變化既有隧道拱頂覆蓋土層的厚度，實現模擬不同埋深下平行隧道施工對既有隧道的影響。如圖1 3所示，本發明摸擬近距離盾構隧道施工相互影響的綜合試驗裝置，其構成是土層模擬及反力加載裝置，由三塊鋼板和兩塊有機玻璃板加工成一個長方形的模型土體箱1，土體箱的外側設置六道加勁槽鋼，以確保土體箱在試驗過程中不致產生變形。 在土體箱兩塊有機玻璃板上加工四個孔口，分別對應既有隧道結構2及與該既有隧道不同間距位置下新建隧道3 ；用於模擬隧道開挖用的PVC管4 ；施加推進荷載的加載臺架5 ；加載用的臥式千斤頂6 ；測量管壁位移的位移計7 ；測量地表變形的位移計8 ；記錄管壁應變的應變片9 ；將模型箱與加載臺架連在一起的螺紋杆10 ；安裝管壁位移計的連杆11 ；固定管壁位移計的磁芯器12和支座13 ；記錄並轉換各種測量數據的靜態應變儀14 ；實時存儲試驗數據計算機15。實施例的操作步驟如下(1)將製備好的砂土分層裝填到模型箱1中，並在模型箱的預留孔口位置處埋設模擬既有隧道結構的鐵皮管2，並在設計斷面處粘貼應變片9，然後繼續分層裝填砂土，直至既有隧道的鐵皮管2達到設計的埋深。(2)將安裝在連杆11上的管壁位移計7安放在鐵皮管2內的設計位置處，並通過磁芯器12使其固定在支座13上，這樣可保證試驗過程中管壁位移計7本身是固定的。(3)在地表沿與新開挖隧道縱向垂直的方向布置地表位移計8(4)將應變片9、地表位移計8，管壁位移計7用數據線與靜態應變儀14的測量通道相連，並將靜態應變儀14與計算機15相連。
(5)用螺紋杆10把加載臺架5和模型箱1連接起來，根據新建隧道的孔口 3位置， 將千斤頂6固定在加載臺架5上；(6)調節螺紋杆10上螺帽的位置來調整並固定好加載臺架的位置，然後將模擬開挖用的PVC管安放在新建隧道3的孔口和千斤頂6之間的空間；(7)順時針旋轉千斤頂6上的手輪，將PVC管4從新建隧道設計孔口 3位置處勻速推入模型箱1內的土體中，直到推進距離等於千斤頂的最大頂推距離，至此完成一個開挖步的模擬，同時所述的應變片9、地表位移計8和管壁位移計7將記錄的測量數據通過數據線線傳送給所述的靜態應變儀14，該應變儀14將有關數據送所述的計算機15存儲並進行數據處理；(8)重複步驟6-7，模擬隧道分步開挖過程。本次實施例中模擬5個開挖步，S卩PVC 管共推進65cm，在實際應用中，可根據試驗需要決定PVC管的實際推進距離。實施例中，隧道開挖對既有隧道結構影響如圖5 6所示。可以看出，隧道開挖對既有隧道結構的影響程度與隧道間距有密切的關係，當兩隧道間淨距在ID以內時，隧道開挖對既有隧道結構的影響比較突出，當兩隧道間距大於2D時，隧道開挖對既有近距離平行隧道結構的影響則比較小。在用推進PVC管模擬隧道開挖的過程中，隧道開挖會對周圍砂土產生切削和擠壓作用，其中一部分砂土會流入PVC管內，還有一部分砂土因受擠壓作用會向四周運動，進而引起既有隧道結構產生變形和管壁位移，這種變形和位移可通過布置在既有隧道結構上的應變片和位移計實時測量並存儲到計算機中，便於後續數據分析處理。可見本技術發明提供的試驗裝置和採用的試驗方法能夠很好的反應隧道開挖對既有隧道結構造成的影響。
權利要求
1.一種隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置，特徵在於其構成包括模型箱(1)，是一種無頂蓋的臥式長方形箱體，該模型箱(1)的一個端面板是可更換的，該端面板根據模擬的需要加工有多個孔口，分別對應既有隧道(2)孔口和多個設計的新開挖隧道(3)孔口位置，模型箱(1)供砂土裝填；模擬既有隧道O)的鐵皮管(4)和模擬新開挖隧道(3)的PVC塑料管；一個移動式加載臺架(5)，一個加載千斤頂(6)固定在所述的加載臺架( 上，該移動式加載臺架( 通過四根螺紋杆(10)與所述的模型箱(1)連接並確定二者之間的距離，所述的千斤頂(6)的最大行程決定每個開挖步的最大進深距離；測量管壁位移的管壁位移計(7)、測量地表位移的地表位移計(8)、測量管壁應變的應變片(9)、靜態應變儀(14)和計算機(1 ；所述的管壁位移計(7)布設在所述的既有隧道 ⑵的鐵皮管內，通過連杆(11)與位於支座(13)上的磁芯器(12)連接固定；所述的應變片(9)貼設在所述的既有隧道O)的鐵皮管(4)的外壁上，所述的地表位移計(8)布置在所述的模型箱(1)內裝填的砂土表面並位於模擬新開挖隧道(3)的正上方，所述的管壁位移計(7)、地表位移計⑶和所述的應變片(9)用數據線與所述的靜態應變儀(14)相連，該應變儀(14)的輸出端與所述的計算機(1 相連。
2.根據權利要求1所述的隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置，其特徵在於所述的模型箱(1)的外側用六道槽鋼加固。
3.根據權利要求1所述的隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置，其特徵在於所述的端面板為有機玻璃板。
4.利用權利要求1所述的隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置的試驗方法，其特徵在於該方法包括下列步驟①將製備好的砂土分層裝入所述的模型箱(1)中，在所述的模型箱(1)內埋設模擬既有隧道O)的鐵皮管G)，並在鐵皮管(4)設計斷面處粘貼所述的應變片(9)，然後繼續分層裝填砂土，直至所述的鐵皮管(4)達到設計的埋深；②將安裝在連杆(11)上的管壁位移計(7)布設在鐵皮管(4)內的設計位置，通過磁芯器(1 固定在支座(1 上，以保障試驗過程中所述的管壁位移計(7)本身是固定的；③在所述的模型箱(1)內砂土表面模擬新開挖隧道(3)的正上方設置所述的地表位移計⑶；④將所述的管壁位移計(7)、地表位移計(8)和應變片(9)用數據線與所述的靜態應變儀箱(14)相連，並將該靜態應變儀(14)的輸出端與所述的計算機(1 的輸入端相連；⑤用螺紋杆(10)把所述的移動式加載臺架( 和模型箱(1)連接在一起，對準新開挖隧道C3) —個孔口位置，將所述的千斤頂(6)固定在所述的移動式加載臺架( 上；⑥將所述的千斤頂(6)回到零頂推位置，調節螺紋杆(10)上螺帽的位置來調整並固定好所述的移動式加載臺架(5)的位置，使所述的模擬新開挖隧道用的PVC管平行於所述的模擬既有隧道O)的鐵皮管(4)安放在新開挖隧道的孔口(3)和所述的千斤頂(6)之間；⑦順時針旋轉千斤頂(6)上的手輪，將所述的PVC管從新開挖隧道的孔口(3)勻速推入所述的模型箱(1)內，直到推進距離等於所述的千斤頂(6)的最大頂推距離，至此完成一個開挖步的模擬，同時所述的應變片(9)、地表位移計(8)和管壁位移計(7)將測量的數據通過數據線傳送給所述的靜態應變儀(14)，該靜態應變儀(14)將有關數據送所述的計算機(巧)存儲並進行數據處理；⑧所述的重複上述步驟⑥ ⑦，模擬隧道分步開挖過程，最後由所述的計算機(15)輸出數據處理結果。
全文摘要
本發明公開了一種隧道開挖對既有近距離平行隧道影響的試驗裝置和方法該裝置包括模型箱、其兩端面板是可更換的，該面板可根據試驗的需要加工有多個孔口，分別對應既有隧道孔口和多個設計的新開挖隧道孔口位置，模擬既有隧道的鐵皮管、模擬新開挖隧道的PVC塑料管、移動式加載臺架、加載千斤頂、測量管壁位移的管壁位移計、測量地表位移特性地表位移計、記錄管壁應變的應變片、靜態應變儀和計算機。本試驗裝置可以模擬圓形斷面隧道在不同地層條件、不同近接距離下開挖施工對既有近距離平行隧道結構的影響，並評價既有隧道旁並行開挖多條隧道引起的地表沉降，測試數據精確可靠。
文檔編號E21D9/00GK102434166SQ20111037771
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者張德煊, 李學峰, 杜守繼 申請人:上海交通大學