CN110554165A - 一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置及方法，试验装置包括模型箱体、升降装置及模型隧道；模型箱体与开挖装置相连接，通过开挖装置控制活动挡板的移动模拟盾构隧道下穿既有地铁隧道施工；模型箱体由填土箱、钢支架、开挖模块组成；升降装置包括减速电机、螺杆，齿轮组；减速电机固定在钢支架上，螺杆的数量为两根，一根竖直放置，与活动挡板相连，另一根水平放置，与减速电机相连，两根螺杆之间通过齿轮组进行传动。本发明首次通过活动挡板下落的方法，模拟盾构隧道下穿施工对既有隧道的影响，丰富了盾构隧道掘进对既有隧道影响方面的研究，补充了盾构隧道掘进过程中土与结构相互作用相关方面理论。

Description

一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道技术领域，特别是涉及一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置及方法。

背景技术

盾构隧道掘进将对其周边土体产生扰动，使地层产生变形并对临近既有隧道的正常工作状态产生影响。而如何准确预测和评价盾构隧道掘进对临近既有隧道的影响已经成为目前城市地下工程建设中的热点问题。

目前，关于盾构隧道掘进与既有地铁线路间相互关系的研究多基于理论及现场实测方法进行。然而目前的计算模型多基于传统弹性地基梁模型，计算参数缺乏相关试验依据，而现场实测往往只能针对某一特定工程开展，所得结论缺乏普适性。

发明内容

为了实现不同工况下盾构隧道下穿既有隧道施工过程的室内模型试验，从而研究盾构隧道下穿施工对既有隧道的影响机理，准确的对盾构隧道下穿施工情况下既有隧道位移及土压力变化进行评估，本发明提出一种盾构下穿施工对既有隧道影响的试验装置及方法。

一种盾构下穿施工对既有隧道影响的试验装置，包括模型箱体、升降装置及模型隧道；所述模型箱体与所述开挖装置相连接，通过所述开挖装置控制活动挡板的移动模拟盾构隧道下穿既有地铁隧道施工；

所述模型箱体由填土箱、钢支架、开挖模块组成；所述填土箱安装在所述钢支架上方，所述开挖模块置于所述钢支架的中部位置；

所述升降装置包括减速电机、螺杆，齿轮组；所述减速电机固定在所述钢支架上，所述螺杆的数量为两根，一根竖直放置，与所述活动挡板相连，另一根水平放置，与所述减速电机相连，两根所述螺杆之间通过所述齿轮组进行传动；

所述模型隧道为一空心圆柱体，其两端与所述模型箱体的侧壁相连接。

其中，所述填土箱为立方体，其两个面积最大的侧面为观测面板；所述模型箱体的侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板，所述观测面板为厚度不小于10mm透明钢化玻璃板；所述模型箱体的顶面开口，并设有一根横梁。

其中，所述开挖模块由所述活动挡板和固定套管构成；所述活动挡板为一半圆弧形不锈钢板；所述固定套筒为一不锈钢制立方体形套筒，其壁厚不小于10mm，内尺寸与所述活动挡板的外轮廓尺寸相同，外边缘与所述填土箱底板相焊接，所述活动挡板与所述升降装置相连，所述活动挡板在所述升降装置的作用下沿垂直方向在所述固定套筒内自由上下移动。

其中，所述模型隧道与所述模型箱体内壁的连接方式为：所述模型隧道两端通过热熔胶固定在所述模型箱体内壁。

一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验方法，应用上述的试验装置，所述方法包括：

(1)整平场地，放置试验装置并清理试验装置中的所述填土箱，对所述填土箱内壁进行润滑，在所述填土箱两侧无锈钢内壁及固定底板上粘贴一层特氟龙薄膜，在所述填土箱前后钢化玻璃观测面板内侧涂抹一层硅油；

(2)采用砂雨法分层填筑试验土样至所述模型隧道底部的设计高度，并安装所述模型隧道；所述试验土样为砂土，填筑每层土样时，砂雨装置漏斗口距土样顶面的距离相同；

(3)安装百分表及薄膜压力传感器，在所述模型隧道指定位置连接拉线式位移传感器，将所述薄膜压力传感器及所述拉线式位移传感器导线连接采集仪并平衡及清除零点；将所述百分表安装在所述试验装置活动挡板底部；所述薄膜压力传感器粘贴在所述模型隧道中部；所述拉线式位移传感器粘贴在所述模型箱体顶面横梁上；

(4)继续采用砂雨法分层填筑试验土样至试验设计高度；

(5)模拟盾构下穿施工，并通过所述薄膜压力传感器及所述拉线式位移传感器分别监测既有隧道土压力及位移变化，通过数码相机记录试验土样位移场，从而得到盾构下穿施工过程中土体破坏模式；

(6)更换土样，改变填土高度及既有隧道高度，重复步骤(2)至(6)，探究不同工况下盾构下穿施工对既有隧道的影响。

其中，在模拟盾构下穿施工时，通过所述减速电机控制所述活动挡板匀速下落，模拟盾构隧道开挖；当所述活动挡板位移达到预设位移时，关闭所述减速电机。

本发明的有益效果是，本发明首次通过活动挡板下落的方法，模拟盾构隧道下穿施工对既有隧道的影响，丰富了盾构隧道掘进对既有隧道影响方面的研究，补充了盾构隧道掘进过程中土与结构相互作用相关方面理论。

附图说明

图1是本发明实施例的盾构下穿施工对既有隧道影响的试验装置的结构示意图；

图2是模型箱体的侧视图；

图3是模型箱体的俯视图；

图4是活动挡板的结构示意图；

图5是模型隧道的示意图；

图6是本发明实施例的盾构下穿施工对既有隧道影响的试验方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种盾构下穿施工对既有隧道影响的试验装置，包括模型箱体、升降装置及模型隧道5。所述模型箱体与所述升降装置相连接，通过所述升降装置控制活动挡板的移动模拟盾构隧道开挖。

如图1、图2和图3所示，模型箱体包括填土箱1，钢支架2和开挖模块3。填土箱1为立方体，架设在钢支架2上，其两个面积最大的侧面为由钢化玻璃制成的观测面板4，观测面板通过热熔胶与两侧箱体固定。填土箱1底面由两侧固定底板及中部的开挖模块3构成。开挖模块的宽度为B。模型箱体侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板，观测面板为厚度不小于10mm钢化玻璃板。模型箱体顶面开口，并设置一根截面尺寸为50mm*50mm横梁12。

开挖模块3由活动挡板31和固定套管32构成。所述活动挡板31为一圆弧形不锈钢板；所述固定套筒32为一不锈钢制立方体形套筒，其壁厚不小于10mm，内尺寸与活动挡板外轮廓尺寸相同，外边缘与所述填土箱底板相焊接，所述活动挡板31与所述升降装置相连，在升降装置的作用下垂直方向在固定套筒32内自由上下移动。活动挡板31如图4所示。

升降装置包括减速电机7，螺杆8和齿轮组9。减速电机7固定在钢支架2上，其转动速度和转动方向均可进行调节，从而满足不同试验需求。螺杆8包括两根，一根水平向放置，与减速电机7相连，另外一根竖直放置，与开挖模块3相连。开挖模块3包括活动挡板31和上边缘焊接在填土箱1底板上的固定套筒32。活动挡板31为一半圆弧形板，用于模拟盾构隧道。其与螺杆8相连，两根螺杆间通过齿轮组9进行传动，从而使得减速电机7可以控制活动挡板31以不同的速度在固定套筒32内上下移动，从而实现盾构隧道开挖卸荷的模拟。

如图1、2、5所示，模型隧道5为一PVC圆管，其两端通过热熔胶与填土箱1两侧内壁相连接。模型隧道5中部粘贴薄膜压力传感器6。模型隧道5指定测点处通过细钢线与拉线式位移传感器10相连接。拉线式位移传感器10通过热熔胶固定在横梁12上。

如图2所示，所述数码相机11设置在观测面板正前方，用于记录试验过程中土体位移场的变化。

如图6所示，本实施例一种盾构下穿施工对既有隧道影响的试验方法，包括以下步骤：

(1)整平场地，放置试验装置并清理填土箱1，在填土箱内壁除观测面板外均贴一层特氟龙薄膜，在观测面板4内侧涂上一层硅油，以减少填土箱内壁与试验土样之间的摩擦力。

(2)土样制备，将试验用标准砂灌入砂雨漏斗当中，通过吊车将其运送至填土箱1上方，通过砂雨法，以50mm为一层，分层填筑试验土体至模型隧道底面的设计高度，并保证每次填筑时砂雨落距相同，从而控制每层土样的密实度及表观重度相同。安装模型隧道5，通过热熔胶将模型隧道5两端粘贴在填土箱侧壁内表面指定位置；

(3)安装传感器，根据试验的具体要求，在模型隧道5中部环绕粘贴一片薄膜压力传感器6，并在指定位置缠绕一圈细钢线，将钢线两端引出，与拉线式位移传感器10相连接。拉线式位移传感器10底端通过热熔胶粘贴在填土箱1顶端的横梁12底面。将薄膜压力传感器6及拉线式位移传感器10导线尾端连接数据采集仪并平衡及清除零点。在活动挡板31底部安装百分表。

(4)继续通过砂雨法分层填筑试验土样至试验所需高度。

(5)试验并记录数据，在观测面板4正前方约2m的位置架设数码相机11。读取百分表初始数据，开动减速电机7，调整电机转速至1mm/min，使活动挡板31缓慢匀速下落，模拟盾构隧道开挖过程；同时通过数据采集仪以1次/s的频率记录模型隧道5的位移及土压力数据，通过数码相机以15s一次的频率拍摄记录试验过程中土体位移照片；当活动挡板31位移达到十分之一的活动挡板直径大小时，关闭减速电机7。

(6)试验结束，清理填土箱，读取百分表最终读数并拆除百分表，取出填土箱内土样、模型隧道5及所有传感器，清理填土箱，并通过减速电机7将活动挡板31升至试验前位置，变换填土高度及模型隧道5高度，重复步骤(2)-(6)。

通过改变填土高度及模型隧道高度，测量不同填土高度、不同隧道间距工况下，盾构隧道下穿施工对既有隧道土压力及位移的影响情况。通过绘制试验过程中不同开挖土层损失率情况下既有隧道不同位置处位移及土压力的变化图，对比其与初始状态的差异，可以判断盾构下穿施工对既有隧道不同位置处应力及变形的影响情况。此外，通过辅助软件对数码相机所拍摄试验过程中土体照片进行对比分析，可以绘制出活动挡板下落过程中(盾构隧道开挖)，上方土体位移场、应变场的变化情况，从而得到盾构隧道下穿既有隧道施工情况下的土体破坏机理。

综上所述，本发明首次通过活动挡板下落的方法模拟多种工况条件下盾构隧道下穿施工引起既有隧道土压力及位移变化的发展过程，揭示盾构隧道下穿施工过程中既有隧道土与结构相互作用规律，丰富了城市地下空间开发过程中在建隧道对既有隧道影响方面的研究。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置，其特征在于，包括模型箱体、升降装置及模型隧道；所述模型箱体与所述开挖装置相连接，通过所述开挖装置控制活动挡板的移动模拟盾构隧道下穿既有地铁隧道施工；

所述模型箱体由填土箱、钢支架、开挖模块组成；所述填土箱安装在所述钢支架上方，所述开挖模块置于所述钢支架的中部位置；

所述升降装置包括减速电机、螺杆，齿轮组；所述减速电机固定在所述钢支架上，所述螺杆的数量为两根，一根竖直放置，与所述活动挡板相连，另一根水平放置，与所述减速电机相连，两根所述螺杆之间通过所述齿轮组进行传动；

所述模型隧道为一空心圆柱体，其两端与所述模型箱体的侧壁相连接。

2.根据权利要求1所述的盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置，其特征在于，所述填土箱为立方体，其两个面积最大的侧面为观测面板；所述模型箱体的侧壁及底板均为厚度不小于10mm不锈钢板，所述观测面板为厚度不小于10mm透明钢化玻璃板；所述模型箱体的顶面开口，并设有一根横梁。

3.根据权利要求2所述的盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置，其特征在于，所述开挖模块由所述活动挡板和固定套管构成；所述活动挡板为一半圆弧形不锈钢板；所述固定套筒为一不锈钢制立方体形套筒，其壁厚不小于10mm，内尺寸与所述活动挡板的外轮廓尺寸相同，外边缘与所述填土箱底板相焊接，所述活动挡板与所述升降装置相连，所述活动挡板在所述升降装置的作用下沿垂直方向在所述固定套筒内自由上下移动。

4.根据权利要求3所述的盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验装置，其特征在于，所述模型隧道与所述模型箱体内壁的连接方式为：所述模型隧道两端通过热熔胶固定在所述模型箱体内壁。

5.一种盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验方法，其特征在于，应用权利要求1所述的试验装置，所述方法包括：

(1)整平场地，放置试验装置并清理试验装置中的所述填土箱，对所述填土箱内壁进行润滑，在所述填土箱两侧无锈钢内壁及固定底板上粘贴一层特氟龙薄膜，在所述填土箱前后钢化玻璃观测面板内侧涂抹一层硅油；

(2)采用砂雨法分层填筑试验土样至所述模型隧道底部的设计高度，并安装所述模型隧道；所述试验土样为砂土，填筑每层土样时，砂雨装置漏斗口距土样顶面的距离相同；

(3)安装百分表及薄膜压力传感器，在所述模型隧道指定位置连接拉线式位移传感器，将所述薄膜压力传感器及所述拉线式位移传感器导线连接采集仪并平衡及清除零点；将所述百分表安装在所述试验装置活动挡板底部；所述薄膜压力传感器粘贴在所述模型隧道中部；所述拉线式位移传感器粘贴在所述模型箱体顶面横梁上；

(4)继续采用砂雨法分层填筑试验土样至试验设计高度；

(5)模拟盾构下穿施工，并通过所述薄膜压力传感器及所述拉线式位移传感器分别监测既有隧道土压力及位移变化，通过数码相机记录试验土样位移场，从而得到盾构下穿施工过程中土体破坏模式；

(6)更换土样，改变填土高度及既有隧道高度，重复步骤(2)至(6)，探究不同工况下盾构下穿施工对既有隧道的影响。

6.根据权利要求5所述的盾构下穿施工对既有地铁隧道影响的试验方法，其特征在于，在模拟盾构下穿施工时，通过所述减速电机控制所述活动挡板匀速下落，模拟盾构隧道开挖；当所述活动挡板位移达到预设位移时，关闭所述减速电机。