CN109883840A - 一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统。该种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统包括模型箱，模型箱内填充土样。盾构掘进装置用于对土样进行掘进，土样上部预埋管线；管线上设有应变片、LVDT位移传感器。本发明能用盾构掘进装置模拟双线盾构隧道施工，通过改变双线盾构隧道的布置形式、开挖顺序，实现不同工况组合，并利用监测系统实时监测试验过程中的管线变形沉降情况，来研究双线盾构隧道在不同布置形式以及不同开挖顺序下，下穿地下管线施工引起的管线变形沉降规律，进而优化双线盾构隧道的设计与施工参数。
Description
技术领域
本发明属于地下管线变形试验系统领域，特别涉及一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统。
背景技术
目前有关隧道-管线-土体的相互作用机理，岩土学者们虽开展了较为系统的研究工作，但较少涉及双线隧道开挖对既有地下管线的影响，且有关双线盾构隧道不同布置方式及不同开挖顺序工况下施工对既有管线的影响研究更是少有报道。目前，这一问题已经受到了学术界和工程界的普遍关注。
盾构隧道下穿施工给邻近地埋管线带来的影响主要体现在管线整体沉降和管线弯曲应变两方面，两者都可以通过监测仪器直接进行观测记录。但是，由于双线盾构隧道不同布置方式及不同开挖顺序给地埋管线带来的沉降变形性状影响有所差异，因此需要分别研究。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能通过盾构掘进装置模拟不同布置方式以及不同开挖顺序下，双线盾构隧道施工下穿既有地下管线的工况组合，监测不同工况下双线盾构隧道施工带来的地下管线沉降变形差异的实验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统，能利用土样研究地下管线变形试验，所述地下管线变形试验系统包括模型箱、所述模型箱内布置有挡土板，挡土板将模型箱分隔为填土区和操作区，模型箱的四侧面板以及挡土板均为有机玻璃板，模型箱的底面板为加肋钢板，挡土板上设置有上线左开挖孔、上线右开挖孔、下线左开挖孔、下线右开挖孔共四个开挖孔；填土区内填充土样；所述土样上部设有管线，管线位置高于开挖孔，管线侧壁设有应变片和LVDT位移传感器，LVDT位移传感器用于监测试验过程中铝制模型管线的整体沉降情况，应变片用于监测试验过程中铝制模型管线的弯曲应变情况；所述的操作区内具有盾构掘进装置，所述盾构掘进装置包括沿水平方向布置的滑轨，安装在滑轨上沿滑轨滑动的电机和固定在滑轨前端的行程套，以及连接于电机输出端的螺旋环形刀片和位于螺旋环形刀片前端的金属钻头；所述滑轨垂直于挡土板，两端分别活动安装于模型箱内侧壁和挡土板，使得金属钻头对准开挖孔；所述行程套内侧壁具有与所述螺旋环形刀片吻合的螺旋形凹槽，所述螺旋环形刀片位于行程套内，电机驱动螺旋环形刀片转动，螺旋环形刀片与行程套发生相对转动，沿行程套内的螺旋形凹槽前进，穿过开挖孔，在填土区开挖形成盾构隧道模型，以达到盾构掘进装置通过开挖孔在土样中进行施工开挖模拟的目的，同时带动电机沿滑轨前进。在实际试验过程中，盾构掘进装置每掘进一个进尺后，在盾构隧道模型已形成的内壁上安装一道隧道衬砌，隧道衬砌与土样之间以及相邻的隧道衬砌环与环之间均采用水泥砂浆加固，所述隧道衬砌可以为由钢板制作成的圆环，直径为倍铝制模型管线直径，壁厚为.倍铝制模型管线直径，环宽为.倍铝制模型管线直径。
进一步地，所述模型箱内侧壁和挡土板上均设有四个U形支撑座，所述滑轨端部安装在U形支撑座内。
进一步地，还包括用于密封开挖孔的橡胶塞。盾构施工作业模拟中，通过先后开挖其中任意两个开挖孔，进行双线隧道不同布置方式和不同开挖顺序的工况组合，未进行开挖的孔用橡胶塞暂时密闭孔口，以防止填土区内的土样溢出造成地层损失。
进一步地，管线与盾构隧道模型垂直，管线的壁厚为0.1倍管径，长度为50倍管径，两端封闭且两端与模型箱的面板之间存有1.5倍管径的空隙，以减小模型箱边界效应的影响。
进一步地，相邻两个LVDT位移传感器之间的距离为倍管径，应变片粘贴在铝制模型管线顶部和底部，上下两个应变片构成一组，相邻两组应变片之间隔3倍管径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能用盾构掘进装置模拟双线盾构隧道下穿既有地下管线施工，通过设置双线盾构隧道不同布置方式以及不同开挖顺序的工况组合，监测地下管线的整体沉降和弯曲应变情况，来研究双线盾构隧道下穿既有地下管线施工不同工况下的管线沉降变形差异，进而优化双线盾构参数，实现指导设计与施工。
附图说明
图1为本发明中模型箱的前视图。
图2为本发明中模型箱的俯视图。
图3为本发明中挡土板的结构示意图。
图4为本发明中盾构隧道模型的结构示意图。
图5为本发明中监测系统的布置示意图。
图中的附图标记为：1.模型箱；2.土样；3.挡土板；4.上线左开挖孔；5.上线右开挖孔；6.下线左开挖孔；7.下线右开挖孔；8.盾构隧道模型；9.盾构掘进装置；10.隧道衬砌；11.电机；12.滑轨；13.金属钻头；14.螺旋环形刀片；15.行程套；16.U形支撑座；17.铝制模型管线；18.LVDT位移传感器；19.高灵敏度应变片。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步阐述：
为了明确双线盾构隧道在不同布置方式、不同开挖顺序工况下下穿既有地下管线施工引起的管线沉降变形差异，提供一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统，能通过盾构掘进装置模拟双线盾构隧道开挖，实现不同布置方式、不同开挖顺序的工况组合，监测地下管线整体沉降情况、弯曲应变情况，来实现这一目的。
一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统，能利用土样研究地下管线变形试验，所述地下管线变形试验系统包括模型箱1、所述模型箱1内布置有挡土板3，挡土板3将模型箱1分隔为填土区和操作区，模型箱1的四侧面板以及挡土板3均为有机玻璃板，模型箱1的底面板为加肋钢板，挡土板3上设置有上线左开挖孔4、上线右开挖孔5、下线左开挖孔6、下线右开挖孔7共四个开挖孔；填土区内填充土样2；所述土样2上部设有管线17，管线17位置高于开挖孔，管线17侧壁设有应变片19和LVDT位移传感器18；所述的操作区内具有盾构掘进装置9，所述盾构掘进装置9包括沿水平方向布置的滑轨12，安装在滑轨12上沿滑轨滑动的电机11和固定在滑轨前端的行程套15，以及连接于电机输出端的螺旋环形刀片14和位于螺旋环形刀片14前端的金属钻头13；所述滑轨12垂直于挡土板3，两端分别活动安装于模型箱内侧壁1和挡土板3，使得金属钻头13对准开挖孔；所述行程套15内侧壁具有与所述螺旋环形刀片14吻合的螺旋形凹槽，所述螺旋环形刀片14位于行程套15内，电机11驱动螺旋环形刀片14转动，螺旋环形刀片14与行程套15发生相对转动，沿行程套15内的螺旋形凹槽前进，穿过开挖孔，在填土区开挖形成盾构隧道模型8，同时带动电机11沿滑轨前进。
本实施例中，所述模型箱内侧壁1和挡土板3上均设有四个U形支撑座16，所述滑轨端部安装在U形支撑座16内。管线17与盾构隧道模型8垂直，管线17的壁厚为0.1倍管径，长度为50倍管径，两端封闭且两端与模型箱1的面板之间存有1.5倍管径的空隙。相邻两个LVDT位移传感器18之间的距离为5倍管径，应变片19粘贴在铝制模型管线17顶部和底部，上下两个应变片构成一组，相邻两组应变片之间隔3倍管径。
下面以先开挖上线左隧道，后开挖下线右隧道这一工况为例，阐明试验步骤：
第一步，在铝制模型管线17上部每隔5倍管径布置一个LVDT位移传感器18，在铝制模型管线17上部以及底部每隔3倍管径粘贴一组高灵敏度应变片19，并铝制模型管线外表面分层涂抹厚度为0.05倍的环氧树脂；
第二步，在模型箱1中安装挡土板3，并在模型箱1中填土区的内壁上均匀涂抹凡士林，通过“砂雨”形成均匀稳定的土样2，当土样2达到一定高度后，将第一步中的铝制模型管线17水平布置于土样2表面，并与模型箱1前后面板垂直，然后继续均匀填充土样2至一定高度；
第三步，在模型箱1的操作区安装盾构掘进装置9，先将滑轨12水平安装在U形支撑座16，使得金属钻头13对准上线左开挖孔4；
第四步，用橡胶塞将上线右开挖孔5、下线左开挖孔6、下线右开挖孔7封闭。
第五步，电机11开始工作，电机11驱动螺旋环形刀片14转动，螺旋环形刀片14与行程套15发生相对转动，沿行程套15内的螺旋形凹槽前进，穿过开挖孔，在填土区开挖掘进，以隧道衬砌10的环宽为一个进尺，每掘进一个进尺后，清理已开挖部分的土渣，并在已完成的盾构隧道模型8的内壁上涂抹水泥砂浆后布置一道隧道衬砌10，每步开挖完成后均留有足够的时间，待LVDT位移传感器18和高灵敏度应变片19读数稳定后再开始下一步的掘进，并在施工过程中记录监测数据；
第六步，待上线左开挖孔4掘进一定距离后，将盾构掘进装置9从上线左开挖孔4退出，并拔出下线右开挖孔7上的橡胶塞，重复第四步和第五步对下线右开挖孔7进行同样的操作。
试验系统安装调试完成后，在不同的试验组别中分别设置双线盾构隧道不同布置方式、不同开挖顺序的工况组合，得到大量详细的监测数据，通过对数据的对比分析，可以得到地下管线的整体沉降差异和弯曲应变差异，进而优化双线盾构参数，实现指导设计与施工。
本发明的合理性和适用性已经通过杭州地铁8号线一期工程SG8-2标这一实例得到验证，将本发明模拟得出的双线盾构隧道下穿地下管线施工引起的地下管线沉降变形曲线和工程中利用有限元数值模拟得出的结果进行对比，发现误差较小。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，通过改变管隧夹角、管线材质、施工工法等手段，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双线盾构隧道下穿施工引起的地下管线变形试验系统，其特征在于，所述地下管线变形试验系统包括模型箱(1)、所述模型箱(1)内布置有挡土板(3)，挡土板(3)将模型箱(1)分隔为填土区和操作区，模型箱(1)的四侧面板以及挡土板(3)均为有机玻璃板，模型箱(1)的底面板为加肋钢板，挡土板(3)上设置有上线左开挖孔(4)、上线右开挖孔(5)、下线左开挖孔(6)、下线右开挖孔(7)共四个开挖孔；填土区内填充土样(2)；所述土样(2)上部设有管线(17)，管线(17)位置高于开挖孔，管线(17)侧壁设有应变片(19)和LVDT位移传感器(18)；所述的操作区内具有盾构掘进装置(9)，所述盾构掘进装置(9)包括沿水平方向布置的滑轨(12)，安装在滑轨(12)上沿滑轨滑动的电机(11)和固定在滑轨前端的行程套(15)，以及连接于电机输出端的螺旋环形刀片(14)和位于螺旋环形刀片(14)前端的金属钻头(13)；所述滑轨(12)垂直于挡土板(3)，两端分别活动安装于模型箱内侧壁(1)和挡土板(3)，使得金属钻头(13)对准开挖孔；所述行程套(15)内侧壁具有与所述螺旋环形刀片(14)吻合的螺旋形凹槽，所述螺旋环形刀片(14)位于行程套(15)内，电机(11)驱动螺旋环形刀片(14)转动，螺旋环形刀片(14)与行程套(15)发生相对转动，沿行程套(15)内的螺旋形凹槽前进，穿过开挖孔，在填土区开挖形成盾构隧道模型(8)，同时带动电机(11)沿滑轨前进；所述模型箱内侧壁(1)和挡土板(3)上均设有四个U形支撑座(16)，所述滑轨(12)端部安装在U形支撑座(16)内。
2.根据权利要求1所述的地下管线变形试验系统，其特征在于，还包括用于密封开挖孔的橡胶塞。
3.根据权利要求1所述的地下管线变形试验系统，其特征在于，管线(17)与盾构隧道模型(8)垂直，管线(17)的壁厚为0.1倍管径，长度为50倍管径，两端封闭且两端与模型箱(1)的面板之间存有1.5倍管径的空隙。
4.根据权利要求1所述的地下管线变形试验系统，其特征在于，相邻两个LVDT位移传感器(18)之间的距离为5倍管径。
5.根据权利要求1所述的地下管线变形试验系统，其特征在于，应变片(19)粘贴在铝制模型管线(17)顶部和底部，上下两个应变片构成一组，相邻两组应变片之间隔3倍管径。
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