CN105839679B - 双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，模型箱顶面设为开口，隧道衬砌模型放置于模型箱中土体内部，与模型箱短边平行；地下连续墙模型放置于模型箱右侧；横向支撑模型固定于地下连续墙模型内部；基坑底板模型固定于基坑底部；红外线测距装置固定在隧道衬砌模型内壁上，两两为一对；通过导线预埋入隧道衬砌模型内，并连接到红外线测距输出系统，用于实时导出测点准确的收敛变形情况。本发明能够方便有效地针对双地下连续墙基坑施工对临近隧道收敛变形影响进行模拟，对于制定基坑施工技术标准以及邻近既有地下构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。

Description

双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置

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基坑工程，具体涉及一种双地连墙基坑开挖方式对临近隧道收敛变形影响的模型试验装置。

背景技术

基坑施工会对临近地下结构造成影响，特别是在上海等软土地区进行基坑开挖，施工过程中隧道以及周边地下结构应作为重点保护对象。目前为改善基坑开挖对临近隧道影响，许多工程采用分区开挖的方式。在基坑靠近隧道一侧划分出小基坑进行分区开挖，形成隧道侧双地下连续墙的工况。目前的既有成果就双地连墙基坑开挖对临近地下构筑物影响成果较少。此外，基坑开挖对临近隧道影响的研究成果主要集中于对于隧道沉降以及水平位移的影响，对于隧道收敛变形影响的研究成果尚且不足，如果隧道产生过大的收敛变形，管片遭到破坏可能会引起江水灌入等严重问题，给工程各方带来巨大经济损失。因此对双地连墙基坑开挖方式对临近隧道收敛变形影响进行深入研究具有重要意义。

国内外相关学者针对基坑开挖对周围地下构筑物影响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基坑与土之间的复杂关系；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基坑开挖时周围地层沉降的手段之一，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。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，实现对基坑分区开挖不同阶段的施工行为的模拟，准确测量隧道管片收敛变形并进行分析。

本发明为解决其技术问题而采用以下技术方案：一种双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，包括模型箱、隧道衬砌模型、多套红外线测距装置、地下连续墙模型、横向支撑模型、基坑底板模型，所述模型箱由有机钢化玻璃与钢板制成；模型箱顶面设为开口，用于基坑开挖；所述隧道衬砌模型由多块铝合金管片拼接而成，所述隧道衬砌模型放置于模型箱中土体内部，与模型箱短边平行；所述地下连续墙模型放置于模型箱右侧；所述横向支撑模型固定于地下连续墙模型内部；多对红外线测距装置固定在隧道衬砌模型内壁上，两两为一对，用于测量隧道径向的位移变化情况；其中，红外线测距装置通过导线预埋入隧道衬砌模型内，并连接到红外线测距输出系统，用于实时导出测点准确的收敛变形情况。

所述基坑内设置双地下连续墙，用于对既有隧道侧进行变形防护。

所述横向支撑模型由与实际工程基坑支撑刚度相近的铝合金条焊接而成的网状结构。

本发明的有益效果：

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，可以进一步应用到不同施工工法条件下双地连墙基坑开挖对周围环境影响效应的研究中；2、本试验的基坑开挖施工模拟装置可以较好模拟双地下连续墙基坑分区开挖过程，且改装的红外线测距装置可以较为准确测出邻近隧道的衬砌收敛变形影响；3、本试验中隧道模型的衬砌由与实际隧道衬砌管片刚度相近的材料制成并按照真实工法拼接，可以准确还原工程中盾构隧道的实际情况；4、本试验中基坑内部的横向支撑模型采用与实际基坑支撑刚度相近的铝合金条焊接而成的网状结构，可以真实反映实际基坑工程中的支撑情况；5、采用本套模拟测试装置进行双地下连续墙基坑施工对临近隧道收敛变形影响的试验研究，可为基坑工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定基坑施工技术标准以及邻近既有地下构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内部俯视图；

图2为本发明在实施例中的隧道横截面图；

图3为图1中沿A-A的模型箱内基坑横向支撑模型剖视图；

图4为图1中沿B-B的模型箱内基坑横向支撑模型剖视图；

图5为图2中沿C-C的隧道纵截面以及红外线测距装置布置剖视图；

图6为图2中沿D-D的隧道纵截面以及红外线测距装置布置剖视图；

图7为本发明在实施例中的隧道外表面示意图。

具体实施方式

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。

首先，制作一个模型箱、一个地下连续墙模型、两种规格的横向支撑模型共15个、一块铝合金底板、多套红外线测距装置。

如图1至图3所示，模型箱外形呈长方体，内部空间尺寸为2000 mm×1000 mm×1000 mm（长×宽×高），模型箱由侧边板84与底板85拼接而成。侧边板84由四个厚度为15mm的有机钢化玻璃板拼接组成。底板85为厚度30mm的钢板。地下连续墙模型82内部总体积为600mm×300 mm×402mm（长×宽×高），由4块外墙(厚度为10mm的铝合金板)和4块内墙(厚度为8mm的铝合金板)组成，分成3个内部空间为96mm×96 mm×402mm（长×宽×高）的分区，以及2个300mm×242 mm×402mm（长×宽×高）的分区，地下连续墙底板83为厚度10mm的铝合金板。

如图1所示，基坑内支撑外围尺寸分为2种规格，一种为外围尺寸为96mm×96mm（长×宽），另一种外围尺寸为300mm×242mm（长×宽）。铝合金条直径为4mm，布置方式如图7所示。

如图3， 4所示，基坑内有15道第一至第十五横向支撑模型67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81，其中第一横向支撑模型67、第四横向支撑模型70、第七横向支撑模型73、第十横向支撑模型76、第十三横向支撑模型79上表面与地下连续墙上表面相齐。基坑右侧分区内有三道第一至第三横向支撑模型67、68、69，第一横向支撑模型67与第二横向支撑模型68之间净高为130mm（净高即为上部支撑的下表面与下部支撑的上表面之间的距离），第二横向支撑模型68与第三横向支撑模型69之间净高为130mm。基坑中部分区内有三道，第四至第六横向支撑模型70、71、72，第四横向支撑模型70与第五横向支撑模型71之间净高为130mm，第五横向支撑模型71与第六横向支撑模型72之间净高为130mm。基坑左侧上部分区内有三道第十三至第十五横向支撑模型79、80、81，第十三横向支撑模型79与第十四横向支撑模型80之间净高为130mm，第十四横向支撑模型80与第十五横向支撑模型81之间净高为130mm。基坑左侧中部分区内有三道横向支撑模型第十至第十二横向支撑模型76、77、78，第十横向支撑模型76与第十一横向支撑模型77之间净高为130mm，第十一横向支撑模型77与第十二横向支撑模型78之间净高为130mm。基坑左侧下部分区内有三道第七至第九横向支撑模型73、74、75，第七横向支撑模型73与第八横向支撑模型74之间净高为130mm，第八横向支撑模型74与第九横向支撑模型75之间净高为130mm。

开始向模型箱内填入粉质粘土，当土层厚度填至385 mm，即填完基坑下卧层土时，放入地下连续墙模型，使其左侧边界位于模型箱中轴线处，并用水准尺控制使地下连续墙底面与土层保持水平。

继续在地下连续墙内外部分填入粉质粘土，填土过程中随时测量校准两地下连续墙模型与模型箱中轴线之间的位置关系。直至土体厚度达到800 mm，即填土完成。此时地下连续墙模型入土深度为415mm。

如图5，6所示，红外线测距装置安装在隧道管片内部，红外线测距装置共有30个第一至第三十红外线测距装置1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30。红外线测距装置两两一对，通过测量两个传感器的相对位置得出该方向处隧道直径收敛情况。其中第一红外线测距装置1和第四红外线测距装置4为一对，第二红外线测距装置2和第五红外线测距装置5为一对，第三红外线测距装置3和第六红外线测距装置6为一对，第七红外线测距装置7和第十红外线测距装置10为一对，第八红外线测距装置8和第十一红外线测距装置11为一对，第九红外线测距装置9和第十二红外线测距装置12为一对，第十三红外线测距装置13和第十六红外线测距装置16为一对，第十四红外线测距装置14和第十七红外线测距装置17为一对，第十五红外线测距装置15和第十八红外线测距装置18为一对，第十九红外线测距装置19和第二十二红外线测距装置22为一对，第二十红外线测距装置20和第二十三红外线测距装置23为一对，第二十一红外线测距装置21和第二十四红外线测距装置24为一对，第二十五红外线测距装置25和第二十八红外线测距装置28为一对，第二十六红外线测距装置26和第二十九红外线测距装置29为一对，第二十七红外线测距装置27和第三十红外线测距装置30为一对。

选取五个监测截面，并在每个截面上布置三组红外线测距装置。第一个隧道监测截面与图1俯视图中模型箱上方侧边板相距100mm，分布有第一至第六监测点， 第一监测点与隧道轴线同一高度放置于右侧，第二监测点位于第一监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第三监测点位于第二监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第四监测点位于第三监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第五监测点位于第四监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第六监测点位于第五监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处。第二个隧道监测截面位于图1俯视图中第一个监测截面下方200mm处，分布有第七至第十二监测点，第七监测点与隧道轴线同一高度放置于右侧，第八监测点位于第七监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第九监测点位于第八监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十监测点位于第九监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十一监测点位于第十监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十二监测点位于第十一监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处。第三个隧道监测截面位于图1俯视图中第二个监测截面下方200mm处，分布有第十三至第十八监测点13、14、15、16、17、18，第十三监测点与隧道轴线同一高度放置于右侧，第十四监测点位于第十三监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十五监测点位于第十四监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十六监测点位于第十五监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十七监测点位于第十六监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第十八监测点位于第十七监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处。第四个隧道监测截面位于图1俯视图中第三个监测截面下方200mm处，分布有第十九至第二十四监测点与隧道轴线同一高度放置于右侧，第二十监测点位于第十九监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十一监测点位于第二十监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十二监测点位于第二十一监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十三监测点位于第二十二监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十四监测点位于第二十三监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处。第五个隧道监测截面位于图1俯视图中第四个监测截面下方200mm处，分布有第二十五至第三十监测点，第二十五监测点与隧道轴线同一高度放置于右侧，第二十六监测点位于第二十五监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十七监测点位于第二十六监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十八监测点位于第二十七监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第二十九监测点位于第二十八监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处，第三十监测点位于第二十九监测点绕隧道轴线顺时针旋转60度处。

第一至第十二红外线测距装置1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12通过导线62连接到第一红外线位移输出系统64上进行数据处理。第十三至第三十红外线测距装置13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30通过导线61连接到第二红外线位移输出系统65上进行数据处理。第一红外线位移输出系统64和第二红外线位移输出系统65通过导线63连接到电脑66。

如图5,6所示，隧道总共由五段空心圆柱桶拼接而成。每段空心圆柱桶由六块管片拼接而成。管片共有30个，第一至第三十管片31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60。隧道第一段与图1俯视图中模型箱上方侧边板紧贴，由第一管片31、第二管片32、第三管片33、第四管片34、第五管片35、第六管片36通过螺栓拼接而成。隧道第二段于图1俯视图中位于第一段下方，通过螺栓与第一段拼接而成。隧道第二段由第七管片37、第八管片38、第九管片39、第十管片40、第十一管片41、第十二管片42通过螺栓拼接而成。隧道第三段于图1俯视图中位于第二段下方，通过螺栓与第二段拼接而成。隧道第三段由第十三管片43、第十四管片44、第十五管片45、第十六管片46、第十七管片47、第十八管片48通过螺栓拼接而成。隧道第四段于图1俯视图中位于第三段下方，通过螺栓与第三段拼接而成。隧道第四段由第十九管片49、第二十管片50、第二十一管片51、第二十二管片52、第二十三管片53、第二十四管片54通过螺栓拼接而成。隧道第五段于图1俯视图中位于第四段下方，通过螺栓与第四段拼接而成。隧道第五段由第二十五管片55、第二十六管片56、第二十七管片57、第二十八管片58、第二十九管片59、第三十管片60通过螺栓拼接而成。

以下列出利用本发明的模型箱进行模拟的几种情况。

模拟一：首先对基坑右侧分区进行挖土，挖至10mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第一横向支撑模型67；接着在右侧分区进行挖土，挖至140mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第二横向支撑模型68；接着在右侧分区进行挖土，挖至270mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第三横向支撑模型69；接着在右侧分区进行挖土，挖至基坑底板时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数；

其次对基坑中部分区进行挖土，挖至10mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第四横向支撑模型70；接着在中部分区进行挖土，挖至140mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第五横向支撑模型71；接着在中部分区进行挖土，挖至270mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第六横向支撑模型72；接着在右侧分区进行挖土，挖至基坑底板时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数；

其次对基坑左侧上部分区进行挖土，挖至10mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十三横向支撑模型79；接着在左侧上部分区进行挖土，挖至140mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十四横向支撑模型80；接着在左侧上部分区进行挖土，挖至270mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十五横向支撑模型81；接着在左侧上部分区进行挖土，挖至基坑底板时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数；

其次对基坑左侧中部分区进行挖土，挖至10mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十横向支撑模型76；接着在左侧中部分区进行挖土，挖至140mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十一横向支撑模型77；接着在左侧中部分区进行挖土，挖至270mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十二横向支撑模型78；接着在左侧中部分区进行挖土，挖至基坑底板时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数；

其次对基坑左侧下部分区进行挖土，挖至10mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第七横向支撑模型73；接着在左侧下部分区进行挖土，挖至140mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十一横向支撑模型77；接着在左侧下部分区进行挖土，挖至270mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第十二横向支撑模型78；接着在左侧下部分区进行挖土，挖至基坑底板时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数；

模拟二：首先对5个分区同时进行挖土，挖至10mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第一横向支撑模型67、第四横向支撑模型70、第七横向支撑模型73、第十横向支撑模型76、第十三横向支撑模型79；接着5个分区同时进行挖土，挖至140mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第二横向支撑模型68、第五横向支撑模型71、第八横向支撑模型74、第十一横向支撑模型77、第十四横向支撑模型80；接着在5个分区同时进行挖土，挖至270mm深度时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数，并安装第三横向支撑模型69、第六横向支撑模型72、第九横向支撑模型75、第十二横向支撑模型78、第十五横向支撑模型81；接着在5个分区同时进行挖土，挖至基坑底板时暂停挖土，记录红外线位移输出系统读数；

通过控制基坑开挖以及支撑安装并同时进行红外线位移输出系统数据的整理，我们可以很直观地对比观测双地连墙基坑开挖方式对临近隧道收敛变形情况的影响。

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。

本发明上述实施例通过双地连墙基坑开挖对临近隧道收敛变形影响的室内模型试验装置，可以获得不同开挖方式情况下，基坑开挖施工对临近盾构隧道的影响，从而达到准确测量基坑开挖施工引起的周围地下构筑物的技术效果。

Claims (3)

1.一种双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，包括模型箱、隧道衬砌模型、多套红外线测距装置、地下连续墙模型、横向支撑模型、基坑底板模型，其特征在于：所述模型箱由有机钢化玻璃制成；模型箱顶面设为开口，用于基坑开挖；所述隧道衬砌模型由多块铝合金管片拼接而成，所述隧道衬砌模型放置于模型箱中土体内部，与模型箱短边平行；所述地下连续墙模型放置于模型箱右侧；所述横向支撑模型固定于地下连续墙模型内部；所述基坑底板模型固定于基坑的底部；红外线测距装置固定在隧道衬砌模型内壁上，两两为一对，用于测量隧道径向的位移变化情况；其中，红外线测距装置通过导线预埋入隧道衬砌模型内，并连接到红外线测距输出系统，用于实时导出测点准确的收敛变形情况。

2.根据权利要求1所述的双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，其特征在于：所述基坑内设置双地下连续墙，用于对既有隧道侧进行变形防护。

3.根据权利要求1所述的双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，其特征在于：所述横向支撑模型由与实际工程基坑支撑刚度相近的铝合金条焊接而成的网状结构。