CN110835932A - 可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，包括：框架、用于调节双线隧道的相对位置双线隧道位置调控单元、用于模拟双线隧道的两个隧道衬砌模型单元、用于模拟双线隧道开挖的两个隧道开挖施工模拟单元、用于模拟桩基的群桩模型单元、用于模拟对桩顶施加载荷的群桩桩顶集中荷载施加单元以及用于调节第二铝板升降的铝板升降单元。本发明能够实现对多方位调节的双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响，还能试验对降雨条件下隧道穿越滑坡体施工对隧道以及周围土体的影响，从而达到准确测量隧道穿越滑坡体施工引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土体沉降以及深层土体位移的技术效果。

Description

可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置。

背景技术

随着社会经济的发展，城市轨道交通需求的日益增长,地下隧道工程施工工况日渐复杂，出现了越来越多双线隧道并行的工况。在构筑物密集的城市中心对地铁隧道进行盾构法施工将不可避免地导致原有的初始地应力平衡被打破以及土体表面产生变形，从而容易引起邻近桩基发生位移沉降,对邻近桩基承载力产生不利影响，甚至导致邻近桩基承载力显著衰退而影响桩基上部结构的整体安全性。双线隧道开挖引起的土体表面变形取决于双线隧道之间的距离和位置，并且，即使是隧道埋深较深，隧道开挖对既有构筑物的地基也会有显著影响。因此，有必要进一步研究双线隧道不同土体埋深和不同相对位置开挖的影响效应。

国内外相关学者针对双线隧道开挖诱发地表沉降的研究方法主要是经验公式法、数值模拟法以及现场监测法。经验公式法大多采用Peck提出的经验公式分别估算两条隧道开挖引起的地表沉降值并进行叠加，可以计算出双线隧道开挖引起的地表沉降值，然而，双线隧道开挖引起的地表沉降值要大于利用叠加原理估算的地表沉降值；数值模拟方法较为成熟，但仍存在不足之处：(1)需要借助高成本的有限元软件进行分析；(2)土体物理参数的微小变化就会对数值模拟结果产生很大的影响，而受到土工测试仪器设备的限制，很难获得的精准的各项土体参数。现场监测方法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

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置。

本发明提供了一种可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，具有这样的特征，包括：框架，具有四根支柱、两根连接于支柱顶部的相互平行的第一横梁、两根连接于支柱三分之二处的相互平行的第二横梁以及两根连接于支柱底部的相互平行的第三横梁；模型箱，具有正面为固定于支柱、第一横梁以及第二横梁上的有机玻璃窗、背面和侧面为固定于支柱、第一横梁以及第二横梁上的第一铝板以及底面为固定于支柱和第二横梁上的第二铝板；双线隧道位置调控单元，由两个单线隧道位置调控单元组成，两个单线隧道位置调控单元均具有设置于模型箱内部的沿水平方向设置的带有第一滑轨的铝合金横梁、固定于第一滑轨上的第一滑块、固定于第一滑块上的两根第一螺纹柱以及套设于两根第一螺纹柱上的环腔长方体铁块；两个隧道衬砌模型单元，分别设置于两个双线隧道位置调控单元的环腔长方体铁块内，均具有第一隧道、第二隧道、第三隧道以及第四隧道；两个隧道开挖施工模拟单元，均具有包裹于第一隧道外围的第一塑料泡沫、包裹于第二隧道外围的第二塑料泡沫、包裹于第三隧道外围的第三塑料泡沫、包裹于第四隧道外围的第四塑料泡沫、包裹于第一塑料泡沫外围的第一橡胶模、包裹于第二塑料泡沫外围的第二橡胶模、包裹于第三塑料泡沫外围的第三橡胶模以及包裹于第四塑料泡沫外围的第四橡胶模；群桩模型单元，具有置于模型箱内用于模拟桩基的第三铝板以及固定于第三铝板底部用于模拟桩的方柱；群桩桩顶集中荷载施加单元，具有固定于第三铝板顶部的加载杆、与该加载杆连接的横杆、开口处固定于横杆上且底部固定于第一横梁上的支架、分别连接于支架两端且通过钢丝与横杆连接的两个第一定滑轮、分别设置于两个第一定滑轮外侧且通过钢丝与横杆连接的两个第二定滑轮、套设于横杆与加载杆交叉处的套管以及设置于加载杆上且用于精准测量加载杆传递给第三铝板的荷载值的荷重传感器；以及铝板升降单元，具有两个分别焊接于安装有有机玻璃窗的两根支柱底端内侧面的且内部具有两个相互啮合的齿轮的传动块、两端分别穿过两个传动块左右两侧的预留圆孔且与齿轮连接形成主动轴的铁杆、安装于铁杆两端的摇把、穿过传动块上侧的预留圆孔与齿轮连接形成从动轴的第二螺纹柱、设置于第二螺纹柱顶端下方的螺帽以及两端分别与螺帽和第二铝板连接的槽型框架，其中，第一横梁的内侧面设有第二滑轨，该第二滑轨上设置有第二滑块，该第二滑块上固定有激光位移传感器，该激光位移传感器用于测量隧道开挖后的地表沉降值以及群桩桩顶沉降值，第一橡胶模的外环向均匀分布粘贴有十二个土压力传感器。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，模型箱的内部填有配合比为3:2的两种长为50mm、直径为1.6mm的铝棒以及长为50mm、直径为3mm的铝棒，用于模拟地层。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一横梁、第二横梁以及第三横梁均为铝合金横梁。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，固定有有机玻璃窗的第一横梁上开设有4个小孔，4个小孔内均固定有LVDT位移计，用于测量深层土体的沉降值。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，两根第一螺纹柱上均设置有一个止动螺丝，左侧的第一螺纹柱上的止动螺丝位于环腔长方体铁块的下方，右侧的第一螺纹柱上的止动螺丝位于环腔长方体铁块的上方。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一定滑轮通过钢丝连接有第一配重砝码，第二定滑轮通过钢丝连接有第二配重砝码，环腔长方体铁块通过钢丝绳与滑轮组连接，钢丝绳上还连接有第三配重砝码。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光位移传感器的精度为0.01mm，十二个土压力传感器均与计算机连接，用于读数，从而读出隧道周围的土压力。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第一进油管，第二隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第二进油管，第三隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第三进油管，第四隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第四进油管，第一橡胶模的底部、第二橡胶模的底部、第三橡胶模的底部以及第四橡胶模的底部均开有小孔，并通过上述小孔与出油管连接，且该出油管的端部伸入废油收集箱内，第一进油管、第二进油管、第三进油管以及第四进油管中注入汽油，将第一塑料泡沫、第二塑料泡沫、第三塑料泡沫以及第四塑料泡沫溶解，而后通过出油管将废油排至废油收集箱，从而模拟隧道的分段开挖。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，加载杆为带尖头的加载杆，尖头置于第三铝板顶部中央位置的V型槽口。

在本发明提供的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，加载杆上还设置有置于荷重传感器上方的第三滑轨。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的可实现多方位调节的双隧道开挖对桩基影响的模型试验装置，因为模型箱的三个侧面采用铝板，所以减少了模型箱内部土体的边界效应，同时模型箱的正面为有机玻璃窗，所以便于在模拟开挖过程中拍摄照片，通过后期的程序处理确定地层运动；因为具有双线隧道位置调控单元，所以可以将双线隧道调节在同一水平位置、同一竖向位置以及斜向位置，所以隧道可以设置在土体内的任意位置，模拟不同工况下的地表沉降和群桩桩顶沉降并进行分析；因为群桩桩顶集中荷载施加单元能够通过带尖头的加载杆在V型槽口上施加精确数值的工作荷载，所以可以测试无开挖情况下的群桩桩底沉降值和开挖后群桩桩底沉降值并进行对比，并能够对施工后的群桩承载能力进行分析；因为隧道开挖施工模拟单元位于隧道衬砌模型单元外部，且隧道衬砌模型单元具四段隧道，均由相应的塑料泡沫包裹，且塑料泡沫外包裹有橡胶膜，并通过进油管注入汽油溶解塑料泡沫，再通过出油管将废油排放到废油收集箱中，所以可以很好地控制隧道的径向位移，通过塑料泡沫的分段溶解来模拟隧道的分段开挖；因为铝板升降单元的摇把可以调节第二铝板上下垂直移动，所以调整了隧道周围的土压力分布，使K0条件可以根据与土压力传感器连接的计算机读数旋转摇把来准备初始地面；因为第二滑块上固定有能够通过滑轨移动的且用于测量隧道开挖后的地表沉降值以及群桩桩顶沉降值激光位移传感器，所以节约了测量仪器的制作安装成本且模拟结果更加全面、更加精确。

因此，本发明的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置能够准确测量隧道穿越滑坡体施工引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土沉降以及深层土体位移，并且不需要借助高成本的软件进行分析，模拟结果较精确。另外，本发明的装置可以手工制作，在相关科研中应用广泛，测试方案的结果具有较强的扩展性，还可以进一步应用到不同布置方式下双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响效应的研究中，并能够为城市盾构隧道工程现场施工提供良好的基础，为相关专业学提供一定的理论参考。

附图说明

图1是本发明的实施例中可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置的正视图；

图2是本发明的实施例中可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置的双线隧道位置调控单元的结构示意图；

图3是本发明的实施例中可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置的隧道开挖施工模拟单元的结构示意图；

图4是本发明的实施例中可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置的土压力传感器的测点布置图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

如图1所示，本发明的一种可实现多方位调节的双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响的模型试验装置100，包括：框架、模型箱、双线隧道位置调控单元、隧道衬砌模型单元、隧道开挖施工模拟单元、群桩模型单元、群桩桩顶集中荷载施加单元以及铝板升降单元。

框架具有支柱1、连接于支柱顶部的第一横梁2、连接于支柱1三分之二处的第二横梁3以及连接于支柱1底部的第三横梁4。

支柱1为长为50mm、宽为50mm、高为1500mm的铝合金支柱，数量为4根。

第一横梁2、第二横梁3以及第三横梁4均为铝合金横梁，数量均为2根。

2根第一横梁2相互平行，2根第二横梁3相互平行，2根第三横梁4相互平行。

第一横梁2的内侧面设有第二滑轨5，该第二滑轨5上设置有第二滑块6，该第二滑块6上固定有激光位移传感器7，该激光位移传感器7用于测量隧道开挖后的地表沉降值以及群桩桩顶沉降值。

模型箱具有正面为固定于支柱1、第一横梁2以及第二横梁3上的30mm厚的有机玻璃窗82、背面和侧面为固定于支柱1、第一横梁2以及第二横梁3上的20mm厚的第一铝板13以及底面为固定于支柱1和第二横梁3上的第二铝板14。

模型箱的内部填有两种铝棒15，为配合比为3:2的两种长为50mm、直径为1.6mm的铝棒以及长为50mm、直径为3mm的铝棒，并在模型箱中的第二铝板14的上部堆放至500mm高度，其力学特性与砂土相似，从而用于模拟地层。

固定有有机玻璃窗82的第一横梁2上开设有4个外径为40mm的小孔8、9、10、11，4个小孔内均固定有LVDT位移计12，用于测量深层土体的沉降值，其中，小孔8的中心距离第一横梁2的左外边缘200mm、距离第一横梁2上外边缘125mm，小孔9位于小孔8正右方且孔中心距离为200mm，小孔10位于小孔9正右方且孔中心距离为200mm，小孔11位于小孔10正右方且孔中心距离为400mm(LVDT位移计的个数可根据研究项目和精度进行调整)，4个LVDT位移计12分别穿过小孔8、9、10、11后深入至地表以下200mm处，来测量深层土体的沉降值，且每个LVDT位移计12都应保持竖直向上，且水平方向固定。

如图2所示，双线隧道位置调控单元用于调节两个隧道衬砌模型单元的相对位置，由两个单线隧道位置调控单元组成，两个单线隧道位置调控单元均具有设置于模型箱内部靠近内侧面的沿水平方向设置的带有第一滑轨16的铝合金横梁17、固定于第一滑轨16上的第一滑块18、固定于第一滑块18上的两根第一螺纹柱19以及套设于两根第一螺纹柱19上的环腔长方体铁块20。

两个单线隧道位置调控单元的铝合金横梁17均距离第二铝板上方30mm且相互连接，且长为1200mm，宽为50mm，高为10mm。

两个单线隧道位置调控单元的第一滑块18可以实现各自单线隧道位置调控单元的水平移动。

两根第一螺纹柱19的高度为600mm，直径为20mm，柱间距为120mm，两个铝合金横梁17的长度为150mm，厚度为15mm，间距为600mm，环腔长方体铁块20的长为150mm，宽为30mm，高为120mm。

环腔长方体铁块20可以在两根第一螺纹柱19上垂直移动，两根第一螺纹柱19上均设置有一个止动螺丝，左侧的第一螺纹柱19上的止动螺丝21位于环腔长方体铁块20的下方，右侧的第一螺纹柱19上的止动螺丝22位于环腔长方体铁块20的上方，将止动螺丝21和止动螺丝22旋紧能够固定环腔长方体铁块20。

环腔长方体铁块20通过钢丝绳与滑轮组23连接，钢丝绳上还连接有第三配重砝码24，通过改变第三配重砝码24的重量可以实现环腔长方体铁块2的垂直移动。

隧道衬砌模型单元的数量为两个，分别为隧道衬砌模型单元Ⅰ和隧道衬砌模型单元Ⅱ且分别设置于两个双线隧道位置调控单元的环腔长方体铁块20内，均具有第一隧道25、第二隧道26、第三隧道27以及第四隧道28。

隧道衬砌模型单元Ⅰ和隧道衬砌模型单元Ⅱ分别由长度为920mm的椭圆形截面铝管和长度为960mm的椭圆形截面铝管模拟，两者的厚度均为2mm，且椭圆形截面铝管首尾两端空隙均用橡皮塞填充，橡皮塞截面为椭圆形，厚度20mm。

如图3所示，隧道开挖施工模拟单元的数量为两个，且制作方式相同，均具有包裹于第一隧道25外围的第一塑料泡沫29、包裹于第二隧道26外围的第二塑料泡沫30、包裹于第三隧道27外围的第三塑料泡沫31、包裹于第四隧道28外围的第四塑料泡沫32、包裹于第一塑料泡沫29外围的第一橡胶模33、包裹于第二塑料泡沫30外围的第二橡胶模34、包裹于第三塑料泡沫31外围的第三橡胶模35以及包裹于第四塑料泡沫32外围的第四橡胶模36。

长度为920mm的椭圆形截面铝管，壁厚3mm，横截面长轴长80mm，短轴长70mm，每个塑料泡沫为长度226mm的椭圆形腔的短圆柱体，横截面内圈为长轴长80mm，短轴长70mm的椭圆形，外圈为直径100mm的圆形，椭圆形上顶点沿垂直方向距离圆形上边缘25mm，椭圆形下顶点沿垂直方向距离圆形下边缘5mm，椭圆形左右顶点沿水平方向到圆形边缘的距离相等，每个橡胶模的厚度为2mm，先将每个塑料泡沫用相应的橡胶模包裹密实，再将长度为960mm的椭圆形截面铝管也用四段椭圆形腔的短圆柱体的塑料泡沫包裹，最后将包裹完成的第四塑料泡沫32的末端固定在环腔长方体铁块20的环腔内，第一塑料泡沫29的前端接触有机玻璃窗82。

第一隧道25的上部开有直径20mm的小孔37，第一橡胶模33底部对应位置也被打穿，小孔37中心到第一隧道前端的距离为20mm，该小孔37内插有直径20mm且埋入第一塑料泡沫29中的第一进油管38，第二隧道26的上部开有直径20mm的小孔39，第二橡胶模34底部对应位置也被打穿，该小孔39内插有直径20mm且埋入第二塑料泡沫30中的第二进油管40，第三隧道27的上部开有直径20mm的小孔41，第三橡胶模35底部对应位置也被打穿，该小孔41内插有直径20mm且埋入第三塑料泡沫31中的第三进油管42，第四隧道28的上部开有直径20mm的小孔43，第四橡胶模36底部对应位置也被打穿，该小孔43内插有直径20mm且埋入第四塑料泡沫32中的第四进油管44。

第一橡胶模33的底部、第二橡胶模34的底部、第三橡胶模35的底部以及第四橡胶模36的底部分别开有直径均为20mm的小孔45、46、47、48，并通过上述小孔45、46、47、48与出油管49连接，且该出油管49的端部伸入废油收集箱50内，小孔45的中心到第一橡胶模33末端的距离为20mm，将直径20mm的出油管49穿过小孔45埋入第一塑料泡沫29中，小孔46的中心到第二橡胶模34末端的距离为20mm，将直径20mm的出油管49穿过小孔46埋入第二塑料泡沫30中，小孔47的中心到第三橡胶模35末端的距离为20mm，将直径20mm的出油管49穿过小孔47埋入第三塑料泡沫31中，小孔48的中心到第四橡胶模36末端的距离为20mm，将直径20mm的出油管49穿过小孔48埋入第四塑料泡沫32中，第一进油管38、第二进油管40、第三进油管42以及第四进油管44中注入汽油，将第一塑料泡沫29、第二塑料泡沫30、第三塑料泡沫31以及第四塑料泡沫32溶解，而后通过出油管49将废油排至废油收集箱50，从而模拟隧道的分段开挖。

如图4所示，第一橡胶模33的外环向均匀分布粘贴有十二个土压力传感器，分别为土压力传感器51、土压力传感器52、土压力传感器53、土压力传感器54、土压力传感器55、土压力传感器56、土压力传感器57、土压力传感器58、土压力传感器59、土压力传感器60、土压力传感器61、土压力传感器62，十二个土压力传感器均与计算机连接，用于读数，从而读出隧道周围的土压力。

群桩模型单元，具有置于模型箱内用于模拟桩基的第三铝板63以及固定于第三铝板63底部用于模拟桩的方柱64。

方柱64为聚氨酯方柱，数量为9根，长为5mm，宽为5mnm，高为150mm，前后桩间距为50mm，9根方柱64固定在第三铝板63底部形成群桩模型且贴近有机玻璃窗82内侧埋入地层表面。

群桩桩顶集中荷载施加单元，具有固定于第三铝板63顶部的加载杆65、与该加载杆65连接的横杆69、开口处固定于横杆69上且底部固定于第一横梁2上的支架66、分别连接于支架66两端且通过钢丝与横杆69连接的两个第一定滑轮67、分别设置于两个第一定滑轮67外侧且通过钢丝与横杆69连接的两个第二定滑轮68、套设于横杆69与加载杆65交叉处的套管70以及设置于加载杆65上且用于精准测量加载杆65传递给第三铝板63的荷载值的荷重传感器71。

左右两侧的第二定滑轮68位于第一定滑轮67的外侧，第一定滑轮67通过钢丝连接有第一配重砝码78，第二定滑轮68通过钢丝连接有第二配重砝码79。

第三铝板63的长为120mm，宽为120mm，高为20mm。

加载杆65上还设置有置于荷重传感器71上方的第三滑轨80，该第三滑轨80能够带动加载杆65水平移动。

套管70固定住带尖头的加载杆65，通过套管70可以传递摩擦力从而改变加载力的大小，第一配重砝码78给加载杆65传递载荷，荷重传感器71可以测得载荷值。

加载杆65为带尖头的加载杆，尖头置于第三铝板63顶部中央位置的V型槽口81。

铝板升降单元，具有两个分别焊接于安装有机玻璃窗的两根支柱1底端内侧面的且内部具有两个相互啮合的齿轮的传动块72、两端分别穿过两个传动块72左右两侧的预留圆孔且与齿轮连接形成主动轴的铁杆73、安装于铁杆73两端的摇把74、穿过传动块72上侧的预留圆孔与齿轮连接形成从动轴的第二螺纹柱75、设置于第二螺纹柱75顶端下方20mm处的螺帽76以及两端分别与螺帽76和第二铝板14连接的槽型框架77。

传动块72内部的通过两个齿轮啮合实现传动，当摇动摇把74，主动轴转动带动从动轴使螺帽76上下垂直移动，实现第二铝板14的上下垂直移动，通过小幅度升降第二铝板14，调节隧道周围的土压力，使隧道周围的土压力处于平衡状态。

本发明中，隧道开挖边界附近的土压力由十二个土压力传感器得到，用精度为0.01mm的激光位移传感器7测量地表沉降，实验过程中在有机玻璃板前拍摄的照片，作为输入数据，使用基于粒子图像测速技术的程序来确定地面运动。

实施例一：

通过双线隧道位置调控单元实现对双线隧道相对位置的调节，将双线隧道位置可以调节在同一水平位置后旋紧止动螺丝43和止动螺丝45固定，填入一定高度铝棒15模拟地层。在模拟地层上埋入群桩模型，通过第一横梁2上的群桩桩顶集中荷载施加装置中的带尖头的加载杆65与群桩模型的中央接触传递荷载，群桩桩顶集中荷载施加单元中的荷重传感器71可以测得荷载值。摇动摇把74通过传动块72使第二铝板14实现垂直方向的轻微移动，通过读出十二个土压力传感器的计算机读数调节隧道周围土压力分布。首先向第一进油管38中注入汽油将第一塑料泡沫29溶解，再通过出油管49排出废油，完成第一隧道25的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第一隧道25开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；然后向第二进油管40中注入汽油将第二塑料泡沫30溶解，再通过出油管49排出废油，完成第二隧道26的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第二隧道26开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；再向第三进油管42中注入汽油将第三塑料泡沫31溶解，再通过出油管49排出废油，完成第三隧道27的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第三隧道27开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；最后向第四进油管44中注入汽油将第四塑料泡沫32溶解，再通过出油管49排出废油，完成第四隧道28的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第四隧道28开挖后整个水平地表的地表沉降值，4个LVDT位移计12分别穿过第一横梁2的四个小孔8、9、10、11后深入至地表以下200mm处，来测量深层土体的沉降值，透过有机玻璃窗82拍摄照片。上述过程为一个隧道的开挖模拟步骤，另外一个隧道开挖模拟步骤与前一个相同，从而可以得出双线隧道在同一水平位置上，但水平距离不同的多种工况下双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响响应。

实施例二：

通过双线隧道位置调控单元实现对双线隧道相对位置的调节，将双线隧道位置可以调节在同一竖向位置后旋紧止动螺丝43和止动螺丝45固定，填入一定高度铝棒15模拟地层。在模拟地层上埋入群桩模型，通过第一横梁2上的群桩桩顶集中荷载施加单元中的带尖头的加载杆65与群桩模型的中央接触传递荷载，群桩桩顶集中荷载施加单元中的荷重传感器71可以测得荷载值。摇动摇把74通过传动块72使第二铝板14实现垂直方向的轻微移动，通过读出十二个土压力传感器的计算机读数调节隧道周围土压力分布。首先向第一进油管38中注入汽油将第一塑料泡沫29溶解，再通过出油管49排出废油，完成第一隧道25开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第一隧道25开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；然后向第二进油管40中注入汽油将第二塑料泡沫30溶解，再通过出油管49排出废油，完成第二隧道26开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第二隧道26开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；再向第三进油管42中注入汽油将第三塑料泡沫31溶解，再通过出油管49排出废油，完成第三隧道27的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第三隧道27开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；最后向第四进油管44中注入汽油将第四塑料泡沫32溶解，再通过出油管49排出废油，完成第四隧道28的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第四隧道28开挖后整个水平地表的地表沉降值，4个LVDT位移计12分别穿过第一横梁2的四个小孔8、9、10、11后深入至地表以下200mm处，来测量深层土体的沉降值，透过有机玻璃窗82拍摄照片。上述过程为一个隧道的开挖模拟步骤，另外一个隧道开挖模拟步骤与前一个相同，从而可以得出双线隧道在同一竖向位置上，但竖向距离不同的多种工况下双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响响应。

实施例三：

通过双线隧道位置调控单元实现对双线隧道相对位置的调节，将双线隧道位置可以调节在斜向位置后旋紧止动螺丝43和止动螺丝45固定固定，填入一定高度铝棒15模拟地层。在模拟地层上埋入群桩模型，通过第一横梁2上的群桩桩顶集中荷载施加单元中的带尖头的加载杆65与群桩模型的中央接触传递荷载，群桩桩顶集中荷载施加单元中的荷重传感器71可以测得荷载值。摇动摇把74通过传动块72使第二铝板14实现垂直方向的轻微移动，通过读出十二个土压力传感器的计算机读数调节隧道周围土压力分布。首先向第一进油管38中注入汽油将第一段塑料泡沫29溶解，再通过出油管49排出废油，完成第一隧道25的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第一隧道25开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；然后向第二进油管40中注入汽油将第二塑料泡沫30溶解，再通过出油管49排出废油，完成第二隧道26开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第二隧道26开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；再向第三进油管42中注入汽油将第三塑料泡沫31溶解，再通过出油管49排出废油，完成第三隧道27的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第三隧道27开挖后整个水平地表的地表沉降值并透过有机玻璃窗82拍摄照片；最后向第四进油管44中注入汽油将第四塑料泡沫32溶解，再通过出油管49排出废油，完成第四隧道28的开挖模拟，通过在第二滑轨5上水平移动第二滑块6，使第二滑块6上固定的激光位移传感器7水平移动，测量第四隧道28开挖后整个水平地表的地表沉降值，4个LVDT位移计12分别穿过第一横梁2的四个小孔8、9、10、11后深入至地表以下200mm处，来测量深层土体的沉降值，透过有机玻璃窗82拍摄照片。上述过程为一个隧道的开挖模拟步骤，另外一个隧道开挖模拟步骤与前一个相同，从而可以得出双线隧道在同一斜向角度上，但斜向距离不同的多种工况下双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响响应。

实施例四：

通过调节群桩桩顶集中荷载施加单元改变所传递的荷载值大小，测试无开挖情况下的群桩桩底沉降值和开挖后群桩桩底沉降值并进行对比，对施工后群桩承载能力进行分析。

实施例五：

通过填入不同高度铝棒15模拟地层，考虑双线隧道相对位置固定但埋深不同的情况下双线隧道开挖对地表沉降、邻近桩基桩底沉降和群桩承载能力的影响情况。

实施例的作用与效果

实施例一至实施例五通过在降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置，可以获得不同降雨条件下，隧道穿越滑坡体施工对隧道以及周围土体的影响，从而达到准确测量隧道穿越滑坡体施工引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土沉降以及深层土体位移的技术效果。

根据本发明所涉及的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，因为模型箱的三个侧面采用铝板，所以减少了模型箱内部土体的边界效应，同时模型箱的正面为有机玻璃窗，所以便于在模拟开挖过程中拍摄照片，通过后期的程序处理确定地层运动；因为具有双线隧道位置调控单元，所以可以将双线隧道调节在同一水平位置、同一竖向位置以及斜向位置，所以隧道可以设置在土体内的任意位置，模拟不同工况下的地表沉降和群桩桩顶沉降并进行分析；因为群桩桩顶集中荷载施加单元能够通过带尖头的加载杆在V型槽口上施加精确数值的工作荷载，所以可以测试无开挖情况下的群桩桩底沉降值和开挖后群桩桩底沉降值并进行对比，并能够对施工后的群桩承载能力进行分析；因为隧道开挖施工模拟单元位于隧道衬砌模型单元外部，且隧道衬砌模型单元具四段隧道，均由相应的塑料泡沫包裹，且塑料泡沫外包裹有橡胶膜，并通过进油管注入汽油溶解塑料泡沫，再通过出油管将废油排放到废油收集箱中，所以可以很好地控制隧道的径向位移，通过塑料泡沫的分段溶解来模拟隧道的分段开挖；因为铝板升降单元的摇把可以调节第二铝板上下垂直移动，所以调整了隧道周围的土压力分布，使K0条件可以根据与土压力传感器连接的计算机读数旋转摇把来准备初始地面；因为第二滑块上固定有能够通过滑轨移动的且用于测量隧道开挖后的地表沉降值以及群桩桩顶沉降值激光位移传感器，所以节约了测量仪器的制作安装成本且模拟结果更加全面、更加精确。

根据本发明所涉及的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，因为模型箱内填有用于模拟砂土的铝棒，能够通过改变铝棒的堆积高度来模拟双线隧道的不同埋深，从而得到不同埋深下双线隧道开挖对地表及邻近桩基的影响响应。

根据本发明所涉及的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，因为第一横梁上内均固定有LVDT位移计，所以能够用于测量深层土体的沉降值。

根据本发明所涉及的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，因为第一螺纹柱上设置有能够旋紧的止动螺丝，所以可以将双线隧道固定在同一水平位置。

根据本发明所涉及的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，因为加载杆上还设置有置于荷重传感器上方的第三滑轨，所以能够带动加载杆水平移动。

因此，本发明的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置能够准确测量隧道穿越滑坡体施工引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土沉降以及深层土体位移，并且不需要借助高成本的软件进行分析，模拟结果较精确。另外，本发明的装置可以手工制作，在相关科研中应用广泛，测试方案的结果具有较强的扩展性，还可以进一步应用到不同布置方式下双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响效应的研究中，并能够为城市盾构隧道工程现场施工提供良好的基础，为相关专业学提供一定的理论参考。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于，包括：

框架，具有四根支柱、两根连接于所述支柱顶部的相互平行的第一横梁、两根连接于所述支柱三分之二处的相互平行的第二横梁以及两根连接于所述支柱底部的相互平行的第三横梁；

模型箱，具有正面为固定于所述支柱、所述第一横梁以及所述第二横梁上的有机玻璃窗、背面和侧面为固定于所述支柱、所述第一横梁以及所述第二横梁上的第一铝板以及底面为固定于所述支柱和所述第二横梁上的第二铝板；

双线隧道位置调控单元，由两个单线隧道位置调控单元组成，两个所述单线隧道位置调控单元均具有设置于模型箱内部的沿水平方向设置的带有第一滑轨的铝合金横梁、固定于所述第一滑轨上的第一滑块、固定于两个所述第一滑块上的两根第一螺纹柱以及套设于所述两根第一螺纹柱上的环腔长方体铁块；

两个隧道衬砌模型单元，分别设置于两个所述双线隧道位置调控单元的所述环腔长方体铁块内，均具有第一隧道、第二隧道、第三隧道以及第四隧道；

两个隧道开挖施工模拟单元，均具有包裹于所述第一隧道外围的第一塑料泡沫、包裹于所述第二隧道外围的第二塑料泡沫、包裹于所述第三隧道外围的第三塑料泡沫、包裹于所述第四隧道外围的第四塑料泡沫、包裹于所述第一塑料泡沫外围的第一橡胶模、包裹于所述第二塑料泡沫外围的第二橡胶模、包裹于所述第三塑料泡沫外围的第三橡胶模以及包裹于所述第四塑料泡沫外围的第四橡胶模；

群桩模型单元，具有置于模型箱内用于模拟桩基的第三铝板以及固定于所述第三铝板底部用于模拟桩的方柱；

群桩桩顶集中荷载施加单元，具有固定于所述第三铝板顶部的加载杆、与该加在杆连接的横杆、开口处固定于所述横杆上且底部固定于所述第一横梁上的支架、分别连接于所述支架两端且通过钢丝与横杆连接的两个第一定滑轮、分别设置于两个所述第一定滑轮外侧且通过钢丝与横杆连接的两个第二定滑轮、套设于所述横杆与所述加载杆交叉处的套管以及设置于所述加载杆上且用于精准测量所述加载杆传递给所述第三铝板的荷载值的荷重传感器；以及

铝板升降单元，具有两个分别焊接于安装有所述有机玻璃窗的两根所述支柱底端内侧面的且内部具有两个相互啮合的齿轮的传动块、两端分别穿过两个所述传动块左右两侧的预留圆孔且与所述齿轮连接形成主动轴的铁杆、安装于所述铁杆两端的摇把、穿过所述传动块上侧的预留圆孔与所述齿轮连接形成从动轴的第二螺纹柱、设置于所述第二螺纹柱顶端下方的螺帽以及两端分别与所述螺帽和所述第二铝板连接的槽型框架，

其中，所述第一横梁的内侧面设有第二滑轨，该第二滑轨上设置有第二滑块，该第二滑块上固定有激光位移传感器，该激光位移传感器用于测量隧道开挖后的地表沉降值以及群桩桩顶沉降值，

所述第一橡胶模的外环向均匀分布粘贴有十二个土压力传感器。

2.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述模型箱的内部填有配合比为3:2的两种长为50mm、直径为1.6mm的铝棒以及长为50mm、直径为3mm的铝棒，用于模拟地层。

3.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述第一横梁、所述第二横梁以及所述第三横梁均为铝合金横梁。

4.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，固定有所述有机玻璃窗的所述第一横梁上开设有4个小孔，4个所述小孔内均固定有LVDT位移计，用于测量深层土体的沉降值。

5.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双线隧道开挖对地表及邻近桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，两根所述第一螺纹柱上均设置有一个止动螺丝，

左侧的所述第一螺纹柱上的所述止动螺丝位于所述环腔长方体铁块的下方，右侧的所述第一螺纹柱上的所述止动螺丝位于环腔长方体铁块的上方。

6.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述第一定滑轮通过钢丝连接有第一配重砝码，

所述第二定滑轮通过钢丝连接有第二配重砝码，

所述环腔长方体铁块通过钢丝绳与滑轮组连接，所述钢丝绳上还连接有第三配重砝码。

7.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述激光位移传感器的精度为0.01mm，

十二个所述土压力传感器均与计算机连接，用于读数，从而读出隧道周围的土压力。

8.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述第一隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第一进油管，

所述第二隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第二进油管，

所述第三隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第三进油管，

所述第四隧道的上部开有小孔，该小孔内插有第四进油管，

所述第一橡胶模的底部、所述第二橡胶模的底部、所述第三橡胶模的底部以及所述第四橡胶模的底部均开有小孔，并通过上述小孔与出油管连接，且该出油管的端部伸入废油收集箱内，

所述第一进油管、所述第二进油管、所述第三进油管以及所述第四进油管中注入汽油，将所述第一塑料泡沫、所述第二塑料泡沫、所述第三塑料泡沫以及所述第四塑料泡沫溶解，而后通过所述出油管将废油排至所述废油收集箱，从而模拟隧道的分段开挖。

9.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述加载杆为带尖头的加载杆，所述尖头置于所述第三铝板顶部中央位置的V型槽口。

10.根据权利要求1所述的可实现多方位调节的双隧开挖对桩基影响的模型试验装置，其特征在于：

其中，所述加载杆上还设置有置于所述荷重传感器上方的第三滑轨。

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