CN103558044B - 盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，包括模型箱、隧道注浆施工模拟装置、隧道衬砌模型、桩基模型，模型箱内填有砂土体，隧道衬砌模型由纵向分段的铝合金空心管组成，并放置于模型箱左半部分，衬砌段间用环形薄橡胶板隔开；桩基模型放置于模型箱右半部分，并与隧道衬砌模型垂直；位移计支架固定在模型箱顶面；多个位移计分别通过所述位移计支架固定在对应砂土体以及桩基模型的桩筏基础表面；隧道注浆施工模拟装置包含围在隧道衬砌模型四周的乳胶膜以及隧道模型和乳胶膜之间形成的环状液腔，环状液腔中注有注浆液，环形液腔一端连接设有注液电磁阀的注液导管，在沿环形液腔水平方向上的另一端连接设有排液电磁阀的排液导管。

Description

盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种城市地下空间开发以及地下建筑工程中的盾构隧道注浆施工，具体涉及一种盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置。

背景技术

随着我国城市化的进一步发展，城市地下轨道交通作为最为方便快捷的城市交通系统也得到迅速发展。尤其是盾构法城市地铁隧道施工，由于其施工自动化程度较高以及可以较小程度地对地面交通产生影响等优点，在地铁隧道施工中的应用越来越广泛。注浆行为即向盾构隧道衬砌与周围土体形成的间隙中注入液态混凝土的过程，以起到控制土体变形、提高结构整体性等作用。与此同时，桩基础是目前使用最广泛的地基加固形式，是城市建筑物、桥梁最常用的基础形式。因此，在盾构隧道的施工建设修建过程中，尤其是开挖和注浆等行为的进行，不可避免地会对周围地层产生扰动，引起变形和位移，而地层的变形会对在其影响范围内的桩基产生影响。当盾构隧道开挖、注浆等行为引起周围土体的位移和变形超过一定限度时，将会危及邻近桩基结构的安全和正常使用，从而引发一系列的岩土环境工程问题。邻近既有桩基的盾构施工工程在注浆施工过程中，不合适的注浆率会引起既有桩基的纵向不均匀沉降，严重时会引发桩身应力集中或局部破坏，甚至会造成桩身纵向扭曲变形，从而对既有建筑物结构安全和附近人们的人身财产安全产生严重威胁。近年来，随着城市地下轨道交通建设的步伐的不断加快，地铁隧道穿越邻近桩基的距离越来越近。因此，如何预估盾构隧道近距离穿越既有邻近桩基的影响并进行超前控制是地铁施工中的一个核心问题。

国内外相关学者针对城市地铁注浆施工引起的邻近桩基变形的研究方法主要是理论分析法、数值模拟法以及现场监测法。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑桩土之间的复杂关系，并且计算量大；数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取地铁施工引起邻近桩基变形数据的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明是要提出一种盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，实现对地铁施工过程中不同注浆率情况下的注浆行为的模拟，准确测量地铁注浆施工引起的邻近桩基应变值、纵向沉降值,并对桩基进行竖向和水平向力学反应分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，包括模型箱、隧道注浆施工模拟装置、隧道衬砌模型、桩基模型、多组应变计、位移计支架、多个位移计，其特点是：模型箱内填有砂土体，隧道衬砌模型由纵向分段的铝合金空心管组成，并放置于模型箱左半部分，纵向分段的铝合金空心的衬砌段间用环形薄橡胶板隔开；桩基模型放置于模型箱右半部分，并与隧道衬砌模型垂直；位移计支架固定在模型箱顶面；多个位移计分别通过所述位移计支架固定在对应砂土体以及桩基模型的桩筏基础表面；隧道注浆施工模拟装置包含围在隧道衬砌模型四周的乳胶膜以及隧道模型和乳胶膜之间形成的环形液腔，环形液腔中注有注浆液，环形液腔一端连接设有注液电磁阀的注液导管，在沿环形液腔水平方向上的另一端连接设有排液电磁阀的排液导管。

模型箱为铝合金材料制成的长方形箱，分为左右两个部分，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定位移计支架。

环状液腔中的注浆液为CaCl₂溶液。

桩基模型由桩筏基础筏板模型、桩身模型和桩底尖形桩靴组成，其中桩筏基础筏板模型为铝合金板，桩身模型为空心铝合金管，桩底尖形桩靴为60⁰的尖形桩靴。

多组应变计以单桩对称轴位置为中心，在桩基模型外壁上呈左右对称分布。

位移计支架在纵向中轴线位置处开有多个小孔，所述每个位移计穿过与之对应的小孔固定在所述隧道模型的上表面。

位移计是LVDT位移计，末端用胶布粘贴于对应砂土体地表和桩基模型的群桩筏板基础表面。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到城市盾构隧道施工对邻近地表建筑物的变形影响研究中；2、本试验的盾构隧道注浆施工模拟装置可以较好模拟盾构隧道开挖过程中地层损失和注浆施工引起的地层沉降，并可以较为准确测出施工扰动对邻近既有的变形影响；3、本试验中通过控制盾构隧道注浆模拟装置中各段乳胶膜的不同注液体积，可以实现不同注浆率的隧道注浆施工模拟，在一次试验中获得一系列不同施工工况下的实验数据；4、本试验在实验前先对桩基模型桩身应变计进行校正，通过对桩身弯矩应变计和轴力应变计的校正，可以反求出模型试验时桩身各处的弯矩和轴力，较全面的反应桩基所受的影响。5、采用本套模拟测试装置进行隧道施工环境土工效应的试验研究，可为隧道工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定隧道施工安全穿越技术标准以及邻近既有构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。

本发明通过盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，可以获得不同注浆率条件下，注浆施工对邻近桩基以及土体表面的影响，从而达到准确测量盾构隧道注浆施工引起的既有邻近桩基应变值、纵向沉降值和土体地表纵向沉降值的技术效果。

附图说明

图1是本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置示意图；

图2是本发明在实施例中的地铁注浆施工模拟装置示意图；

图3是本发明在实施例中的模型桩弯矩校正示意图；

图4是本发明在实施例中的模型桩轴力校正示意图；

图5是本发明在实施例中的邻近桩基模型示意图；

图6是本发明在实施例中的位移计支架示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明。

如图1至图6所示，本发明的构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，包括模型箱1、隧道注浆施工模拟装置、隧道衬砌模型2、桩基模型、多组应变计、位移计支架32、多个位移计。

模型箱1内填有砂土体，隧道衬砌模型2由纵向分段的铝合金空心管组成，并放置于模型箱左半部分，衬砌段间用环形薄橡胶板6隔开；桩基模型放置于模型箱1右半部分，并与隧道衬砌模型2垂直。位移计支架32固定在模型箱1顶面。多个位移计分别通过位移计支架固定在对应砂土体以及桩基模型的桩筏基础表面。隧道注浆施工模拟装置包含围在隧道衬砌模型四周的乳胶膜以及隧道模型和乳胶膜之间形成的环形液腔，环形液腔中注有注浆液，环形液腔一端连接设有注液电磁阀的注液导管，在沿环形液腔水平方向上的另一端连接设有排液电磁阀的排液导管。

如图1所示，模型箱1外形呈长方体，内部空间尺寸为800mm×500mm×500mm（长×宽×高），由5个厚度为15mm的铝合金板拼接组成。隧道衬砌模型2为四段空心铝合金管3，外径为80mm，内径为70mm，壁厚为5mm，轴向分段长度为100mm。衬砌模型段间用环形橡胶板6隔开，隔板厚5mm，外径100mm、内径70mm。

如图2所示，将衬砌模型段依次划分为1号衬砌、2号衬砌、3号衬砌和4号衬砌。每段隧道衬砌模型2外部围有厚度为2mm的乳胶膜4，其轴向两端粘贴于环形橡胶板6外围，以在注满液体后可形成一个8mm厚度的环状液腔5。在每段环形液腔5一端安装设有注液电磁阀的注液导管7，在其水平方向上的另一端安装设有排液电磁阀的排液导管8，即控制1号衬砌外围液腔的为第一注液电磁阀9和第一排液电磁阀13；控制2号衬砌外围液腔的为第二注液电磁阀10和第二排液电磁阀14；控制3号衬砌外围液腔的为第三注液电磁阀11和第三排液电磁阀15；控制4号衬砌外围液腔的为第四注液电磁阀12和第四排液电磁阀16；注液导管7通过注液管17注液，排液导管8将液体排放到排液管18。其中注、排液电磁阀均为通用型号，注液导管7和排液导管8外径均为5mm，壁厚均为1mm；注、排液管18外径均为10mm，壁厚均为2mm。

如图5所示，桩基模型由2×2桩筏基础筏板模型19、桩身模型20和桩底尖形桩靴21组成。其中筏板为15mm厚、边长为100mm的铝合金板，在如图5所示位置预留4个小孔，用来固定桩身模型。桩身模型为空心铝合金管，外径10mm，壁厚2mm，桩长310mm，入土深度300mm，桩间距60mm。桩底焊接60⁰的尖形桩靴。

桩身模型20外壁粘贴十组应变计，以2x2桩筏基础筏板模型19对称轴位置为中心，左右两侧各对称分布五组应变计，每组应变计沿桩身模型轴对称分布。其中，以筏板模型板底为基准，下侧第一、二组应变计中心位置22与筏板模型板底距离为60mm，第三、四组应变计中心位置23与对筏板模型板底距离为110mm，第五、六组应变计中心位置24与筏板模型板底距离为160mm，第七、八组应变计中心位置24与筏板模型板底距离为210mm，第九、十组应变计中心位置25与对称轴中心位置距离为260mm。在本实施例中，十组应变计用于桩身模型20的应变测量，其具体量测数值可由外接应变仪获得。

桩基模型进行离心机试验前，桩身应变计应先经过校正。首先校正弯矩应变片。如图3所示，可采用简支梁法对模型桩弯矩应变片进行校正，将单桩桩身模型20架在两端固定支座上，外壁粘贴十组应变片，每组应变片对称分布于桩身中轴线两侧，十组应变片以桩身中心线为基准对称分布。其中，中心线左侧第一组应变计中心位置33与桩身模型中心线距离为15mm,第二组应变计中心位置34与桩身模型中心线距离为45mm,第三组应变计中心位置35与桩身模型中心线距离为75mm,第四组应变计中心位置36与桩身模型中心线距离为105mm,第五组应变计中心位置37与桩身模型中心线距离为135mm。桩身模型中间加砝码量测应变片电流变化，并计算相应应变片处的弯矩值，重复加载次数即可得到各应变片处电压与弯矩的回归曲线，以此反求离心机模型试验时桩身各处的弯矩值。

轴力校正设备如图4所示，将模型桩20一端固定，一端加载砝码。模型桩身外壁粘贴九组应变片，每组应变片对称分布于桩身中轴线两侧，九组应变片以桩身中心线为基准对称分布，中心线上测四组，下测五组。其中，中心线下侧第一组应变计中心位置38与桩身模型中心线距离为15mm,第二组应变计中心位置39与桩身模型中心线距离为45mm,第三组应变计中心位置40与桩身模型中心线距离为75mm,第四组应变计中心位置41与桩身模型中心线距离为105mm,第五组应变计中心位置42与桩身模型中心线距离为135mm。模型桩量测各应变计因受轴向力变形产生的电压，并计算应变片位置处轴向压力，重复加载即可得到应变片位置处电压与轴力的回归曲线，以此反求离心机模型试验时桩身各处的轴力。

首先，制作一个模型箱、一个隧道模型、一个注浆施工模拟装置、一个群桩模型。

开始向模型箱内填入砂土，当土层厚度填至100mm，即填完桩基下卧层土，放入邻近桩基模型，考虑到桩身距离隧道一倍外径（1D）距离时，隧道盾构施工对桩基影响较为明显，则桩身模型外侧距离模型箱中轴线右侧为50mm，并使桩基模型与土层保持垂直。

继续填土直至厚度达120mm，即填完隧道下卧层土，将隧道衬砌模型2以及注浆施工模拟装置放入砂土表层。注浆施工模拟装置两侧用铝合金板封闭，通过水准尺控制使隧道衬砌模型2水平，且纵向与邻近桩基模型垂直。装置外围距离模型箱中轴线左侧50mm。打开注液电磁阀将四段衬砌外围液腔内注入CaCl₂溶液，待四段衬砌外围液腔内中液体压力与计算得到的填土完成后乳胶膜表面的土压力相等后，关闭注液电磁阀。

继续填土直至厚度达400mm，即填土完成。此时隧道埋深180mm，桩身入土深度为300mm。将5个LVDT位移计通过位移计支架固定在土体地表和群桩筏板基础表面，并使每个LVDT位移计保持竖直向上，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

如图6所示，位移计支架32固定在模型箱1顶面，长度为800mm，宽度为180mm，其中位移计支架32纵向中轴线位置处开有五个外径为20mm的预留小孔，便于LVDT位移计的固定。其中，1号小孔27位于距位移计支架32中心左侧150mm位置，2号小孔28孔中心位置与1号小孔27孔中心位置距离为50mm，3号小孔29孔中心位置与2号小孔28孔中心位置距离为50mm，4号小孔30孔中心位置位于距位移计支架32中心右侧85mm位置，5号小孔31孔中心位置与3号小孔29孔中心位置距离为200mm，即在水平距离隧道2D距离设置一组位移计进行测量。将五个LVDT位移计末端分别用胶布粘结于砂性土体和桩筏基础筏板外表面。在本实施例中，位移计用于隧道模型以上土体表面、邻近桩基筏板外表面以及水平距离隧道2D距离土体表面的纵向变形测量，其具体量测数值可由外接位移数据采集仪获得。

此时首先打开排液电磁阀13释放1号衬砌外围液腔中液体，以0.5%/分速率排液10ml,即完成2%的地层损失模拟，继而打开注液电磁阀9向1号衬砌外围液腔中注入CaCl₂溶液10ml,即完成100%注浆率的注浆过程模拟，记录各类测试仪器读数；然后打开排液电磁阀14释放2号衬砌外围液腔中液体，以0.5%/分速率排液10ml,即完成2%的地层损失模拟，继而打开注液电磁阀10向2号衬砌外围液腔中注入CaCl₂溶液12ml,即完成120%注浆率的注浆过程模拟，记录各类测试仪器读数；然后打开排液电磁阀15释放3号衬砌外围液腔中液体，以0.5%/分速率排液10ml,即完成2%的地层损失模拟，继而打开注液电磁阀11向3号衬砌外围液腔中注入CaCl₂溶液15ml,即完成150%注浆率的注浆过程模拟，记录各类测试仪器读数；最后打开排液电磁阀16释放4号衬砌外围液腔中液体，以0.5%/分速率排液10ml,即完成2%的地层损失模拟，继而打开注液电磁阀12向4号衬砌外围液腔中注入CaCl₂溶液20ml,即完成200%注浆率的注浆过程模拟，记录各类测试仪器读数；从而可以对比观测不同注浆率的注浆施工引起的邻近桩基应变值以及纵向沉降值。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

Claims (7)

1.一种盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，包括模型箱(1)、隧道注浆施工模拟装置、隧道衬砌模型(2)、桩基模型、多组应变计、位移计支架(32)、多个位移计，其特征在于：模型箱(1)内填有砂土体，隧道衬砌模型(2)由纵向分段的铝合金空心管组成，并放置于模型箱(1)左半部分，纵向分段的铝合金空心的衬砌段间用环形薄橡胶板(6)隔开；桩基模型放置于模型箱(1)右半部分，并与隧道衬砌模型(2)垂直；位移计支架(32)固定在模型箱(1)顶面；多个位移计分别通过所述位移计支架(32)固定在对应砂土体以及桩基模型的桩筏基础表面；隧道注浆施工模拟装置包含围在隧道衬砌模型四周的乳胶膜(4)以及隧道模型和乳胶膜(4)之间形成的环形液腔(5)，环形液腔(5)中注有注浆液，环形液腔(5)一端连接设有注液电磁阀的注液导管(7)，在沿环形液腔水平方向上的另一端连接设有排液电磁阀的排液导管(8)。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，其特征在于：所述模型箱(1)为铝合金材料制成的长方形箱，分为左右两个部分，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定位移计支架。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，其特征在于：所述环状液腔中的注浆液为CaCl₂溶液。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，其特征在于：所述桩基模型由桩筏基础筏板模型(19)、桩身模型(20)和桩底尖形桩靴(21)组成，其中桩筏基础筏板模型(19)为铝合金板，桩身模型为空心铝合金管，桩底尖形桩靴(21)为60⁰的尖形桩靴。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，其特征在于：所述多组应变计以单桩对称轴位置为中心，在桩基模型外壁上呈左右对称分布。

6.根据权利要求1所述的盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，其特征在于，所述位移计支架(32)在纵向中轴线位置处开有多个小孔，所述每个位移计穿过与之对应的小孔固定在所述隧道模型的上表面。

7.根据权利要求1所述的盾构隧道注浆施工对邻近桩基影响的室内模型试验装置，其特征在于：所述位移计是LVDT位移计，末端用胶布粘贴于对应砂土体地表和桩基模型的群桩筏板基础表面。