CN111980712A - 一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置及方法，包括内部填充有模拟土层的透明模型箱、用于给所述模拟土层施压紧实的压紧装置，还包括位于所述模拟土层内的挖掘模拟装置、模拟注浆系统、既有线模拟装置、模拟装置监测系统与土层监测系统，将多个彩钢球嵌设于模拟土层中作为用于观测是否发生沉降位移的土层监测系统，彩钢球的使用，在不增加成本的基础上，调整丰富了监测系统，达到了能够直观、明显地观察到土层沉降位移变化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置及方法。
背景技术
随着城市地铁网络的迅速发展，不可避免地会遇到盾构下穿既有地铁运营线的情况。盾构近距离下穿既有地铁运营线时，会对既有地铁隧道产生不均匀沉降、管片模型开裂、轨道高差以及渗水漏水等影响，给既有地铁运营安全带来较大风险，除此之外，盾构下穿对地表建筑也带来一定的沉降变形风险。故有必要针对盾构下穿既有地铁时施工情况进行模拟，预测可能发生的施工问题，从而优化盾构下穿施工时的施工措施，保证既有地铁运营安全，避免损伤地表建筑物。
现有技术中已有一些盾构下穿既有地铁隧道模拟装置，其主要是模拟盾构掘进过程，通过布置的监测及数据采集系统获得模拟数据，从而得到对应工况下的影响规律。
但在模拟盾构掘进过程中，没有考虑壁后注浆对地层及既有隧道的影响，模拟的地层应力条件也存在一定的差异，对于整个模拟施工过程，未设置直观的观察环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，在模拟过程中能够实现盾构施工过程中，能够直观、明显的观察到土层的沉降位移变化的情况。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，包括内部填充有模拟土层的透明模型箱、用于给所述模拟土层施压紧实的压紧装置，还包括位于所述模拟土层内的挖掘模拟装置、模拟注浆系统、既有线模拟装置、模拟装置监测系统与土层监测系统；
其中，所述既有线模拟装置位于所述挖掘模拟装置的上方，且两者呈空间交叉状；
所述土层监测系统包括嵌设于模拟土层中用于观测是否发生沉降位移的多个彩钢球；
所述透明模型箱底部相对两侧部固定设置有半圆型始发钢套筒与半圆型接收钢套筒，所述始发钢套筒固定于所述透明模型箱内部，所述接收钢套筒固定于所述透明模型箱外部。
在某些实施方式中，所述模拟土层是由透明砂制作而成的，多个所述彩钢球构成多条分别沿着平行于所述既有线模拟装置的长度方向延伸分布的横向观测带，以及构成临近所述接收钢套筒并沿着铅垂方向延伸分布的纵向观测带。
在某些实施方式中，所述模拟装置监测系统包括设置于所述始发钢套筒顶部的土压力计，所述土压力计上通过电接线连接有数据采集端口。
在某些实施方式中，所述模拟装置监测系统还包括设置于所述既有线模拟装置的轴线对应的顶部和底部上的多个位移计、设置于所述既有线模拟装置外壁左右两侧的多个应变片，多个所述位移计、多个所述应变片分别沿既有线模拟装置的长度方向均匀分布，所述既有线模拟装置为聚氯乙烯空心圆柱硬管，位移计和应变片通过电接线连接有数据采集端口。
在某些实施方式中，所述挖掘模拟装置包括能够由所述始发钢套筒向接收钢套筒之间的掘进的盾壳模型、多环管片模型，所述盾壳模型为半圆形钢管，所述管片模型为半圆形聚乙烯硬管，所述管片模型的外径、所述盾壳模型外径都小于所述始发钢套筒、所述接收钢套筒内径。
在某些实施方式中，所述模拟注浆系统包括多根软管，每环所述管片模型内沿环向设置有三个模拟注浆口，相应的所述软管能够通过所述模拟注浆口伸入所述模拟土层中。
在某些实施方式中，述透明模型箱四个角部沿其深度方向设置刻度线。
在某些实施方式中，所述彩钢球为钢质深色球体。
在某些实施方式中，所述透明模型箱包括箱体、固定设置于所述箱体顶部开口处的箱盖，所述压紧装置包括设置于所述模拟土层上部与所述箱盖之间的加压气囊、设置于透明模型箱外用于给所述加压气囊加压的加压泵。
本发明要解决的技术问题是还提供一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：步骤一：准备工作：根据模拟情况在所述透明模型箱中填充模拟土层，同时将既有线模拟装置、模拟装置监测系统与土层监测系统安置于所述模拟土层中的指定位置，填充模拟土层中，由下至上模拟其水下环境向相应层注入一定水，待每层压实稳定后，再放入下一层土；
步骤二：准备工作完成后，在模拟土层顶部放置压紧装置，稳定后保存当前模拟装置监测系统监测数据作为初始数据；
步骤三：所述挖掘模拟装置由始发钢套筒处，向着接收钢套筒方向掘进；
步骤四：在掘进过程中，记录模拟装置监测系统中数据，并从箱体侧面拍照记录下穿过程中彩钢球在土层中的整体变化情况，直至掘至所述接收钢套筒，完成一次盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置中，将多个彩钢球嵌设于模拟土层中作为用于观测是否发生沉降位移的土层监测系统，彩钢球的使用，在不增加成本的基础上，调整丰富了监测系统，达到了能够直观、明显地观察到土层沉降位移变化的效果。
附图说明
附图1为本发明一种盾构下穿既有隧道模型正面示意图；
附图2为本发明一种盾构下穿既有隧道模型侧面示意图；
其中：1、加压气囊；2、模拟土层；3、彩钢球；4、既有线模拟装置；5、始发钢套筒；6、盾壳模型；7、管片模型；8、透明模型箱；9、箱体箱盖；10、加压泵；11、接收钢套筒。
具体实施方式
针对盾构法隧道下穿既有盾构隧道所存在的安全隐患，需要在下穿前对施工影响进行模拟，下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
如附图1-2所示，一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，包括内部填充有模拟土层2的透明模型箱8、用于给所述模拟土层2施压紧实的压紧装置，还包括位于所述模拟土层2内的挖掘模拟装置、模拟注浆系统、既有线模拟装置4、模拟装置监测系统与土层监测系统；
所述透明模型箱8包括箱体、固定设置于所述箱体顶部开口处的箱盖9，所述透明模型箱8四个角部沿其深度方向设置刻度线，所述压紧装置包括设置于所述模拟土层2上部与所述箱盖9之间的加压气囊1、设置于透明模型箱8外用于给所述加压气囊1加压的加压泵10，设置了加压装置，从而能够模拟地表应力以及土层内应力对下穿过程的影响。
所述透明模型箱8底部相对两侧固定有半圆型始发钢套筒5与半圆型接收钢套筒11，所述始发钢套筒5固定于所述透明模型箱8内部，所述接收钢套筒11固定于所述透明模型箱8外部。所述挖掘模拟装置包括用于设置于所述始发钢套筒5与接收钢套筒11之间的半圆型盾壳模型6和多环半圆型管片模型7。
所述盾壳模型6为半圆形钢管，所述管片模型7的外径、所述盾壳模型6外径小于所述始发钢套筒5、所述接收钢套筒11内径，所述管片模型7为半圆形聚乙烯管片模型，相邻所述管片模型7之间通过石膏粘接。管片模型、盾壳模型外径小于始发钢套筒、接收钢套筒内径，由此可准确模拟盾构实际开挖过程中管片模型与盾体之间的建筑间隙情况存在差异。
所述既有线模拟装置4位于所述挖掘模拟装置的上方，且两者呈空间交叉状。
所述模拟注浆系统包括多根软管，每环所述管片模型7内沿环向设置有三个模拟注浆口，相应的所述软管通过所述模拟注浆口伸入所述模拟土层2中，考虑到了壁后注浆对地层及既有隧道的影响，在模拟过程中能够实现盾构施工全过程、壁后注浆对土层的扰动。
所述模拟土层2是由透明砂制作而成的，所述土层监测系统包括嵌设于模拟土层2中用于观测是否发生沉降位移的多个彩钢球3；多个所述彩钢球3构成多条分别沿着平行于所述既有线模拟装置4的长度方向延伸分布的横向观测带，以及构成临近所述接收钢套筒并沿着铅垂方向延伸分布的纵向观测带。所述彩钢球3为钢质深色球体。
所述模拟装置监测系统包括设置于所述始发钢套筒顶部的土压力计，所述土压力计上通过电接线连接有数据采集端口。
所述模拟装置监测系统还包括设置于所述既有线模拟装置4的轴线对应的顶部和底部上的多个位移计、设置于所述既有线模拟装置4外壁左右两侧的多个应变片，多个所述位移计、多个所述应变片分别沿既有线模拟装置4的长度方向均匀分布，所述既有线模拟装置4为聚氯乙烯空心圆柱硬管，位移计和应变片通过电接线连接有数据采集端口。
内部填充透明砂作为模拟土层的透明模型箱，彩钢球的使用，在不增加成本的基础上，调整丰富了监测系统，达到了能够直观、明显地观察到土层沉降位移变化的效果。
本发明提供的一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制方法，采用上述盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，包括如下步骤：
步骤一：在始发钢套筒5顶部设置土压力计，在既有线模拟装置4的轴线对应的顶部及底部处沿长度方向均匀设置位移计，在既有线模拟装置4外壁左右两侧均匀设置应变片，土压力计、位移计及应变片通过电接线连接至数据采集端口，模型土层2使用透明砂，根据模拟情况将模拟土层2分层放入透明模型箱8中，其中模拟含地下水情况的土层，可向土中注入一定水以模拟其水下环境，待每层土压实稳定后，再放入下一层土，同时将既有线模拟装置4及彩钢球3监测带放入土层中指定位置。
步骤二：透明模型箱8中的模拟土层2放置完成后，在模型土层2顶部放置加压气囊1，盖上箱盖9并与透明模型箱8固定，使用加压泵10对加压气囊1加压，从而达到对模拟土层1加压的效果，待始发钢套筒5与接收钢套筒11处土压力计数值到达要求并趋于稳定后，维持当前压力且不再增加压力，并保存当前监测数据作为初始数据。
步骤三：将盾壳模型6放入始发钢套筒5处，使用小铲向着接收钢套筒11方向将土挖出，同时将盾壳模型6向前掘进，当所述盾壳模型6掘进至一环管片模型厚度时，将管片模型7放置在所述盾壳模型6后部，停止推进，使用软管从管片模型7注浆口处注入浆液，注浆完成后继续向前掘进，掘进至一环管片模型厚度时，放置新一环管片模型7，再进行注浆操作，并反复此操作过程至所述盾壳模型6完全进入接收钢套筒11处。
步骤四：每掘进一定管片环数，记录各数据采集端口中数据，并从透明模型箱8侧面拍照记录下穿过程中彩钢球3在土层中的整体变化情况，完成一次盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制。
其中一处隧道完成掘进后，可保持当前开挖情况，在另一处隧道的始发钢套筒处继续进行开挖模拟，以模拟工程中双线隧道下穿开挖情况。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：包括内部填充有模拟土层的透明模型箱、用于给所述模拟土层施压紧实的压紧装置，还包括位于所述模拟土层内的挖掘模拟装置、模拟注浆系统、既有线模拟装置、模拟装置监测系统与土层监测系统；
其中，所述既有线模拟装置位于所述挖掘模拟装置的上方，且两者呈空间交叉状；
所述土层监测系统包括嵌设于模拟土层中用于观测是否发生沉降位移的多个彩钢球；
所述透明模型箱底部相对两侧部固定设置有半圆型始发钢套筒与半圆型接收钢套筒，所述始发钢套筒固定于所述透明模型箱内部，所述接收钢套筒固定于所述透明模型箱外部。
2.根据权利要求1所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述模拟土层是由透明砂制作而成的，多个所述彩钢球构成多条分别沿着平行于所述既有线模拟装置的长度方向延伸分布的横向观测带，以及构成临近所述接收钢套筒并沿着铅垂方向延伸分布的纵向观测带。
3.根据权利要求2所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述模拟装置监测系统包括设置于所述始发钢套筒顶部的土压力计，所述土压力计上通过电接线连接有数据采集端口。
4.根据权利要求3所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述模拟装置监测系统还包括设置于所述既有线模拟装置的轴线对应的顶部和底部上的多个位移计、设置于所述既有线模拟装置外壁左右两侧的多个应变片，多个所述位移计、多个所述应变片分别沿既有线模拟装置的长度方向均匀分布，所述既有线模拟装置为聚氯乙烯空心圆柱硬管，位移计和应变片通过电接线连接有数据采集端口。
5.根据权利要求2述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述挖掘模拟装置包括能够由所述始发钢套筒向接收钢套筒之间的掘进的盾壳模型、多环管片模型，所述盾壳模型为半圆形钢管，所述管片模型为半圆形聚乙烯硬管，所述管片模型的外径、所述盾壳模型外径都小于所述始发钢套筒、所述接收钢套筒内径。
6.根据权利要求5所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述模拟注浆系统包括多根软管，每环所述管片模型内沿环向设置有三个模拟注浆口，相应的所述软管能够通过所述模拟注浆口伸入所述模拟土层中。
7.根据权利要求1所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述透明模型箱四个角部沿其深度方向设置刻度线。
8.根据权利要求1所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述彩钢球为钢质深色球体。
9.根据权利要求1所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，其特征在于：所述透明模型箱包括箱体、固定设置于所述箱体顶部开口处的箱盖，所述压紧装置包括设置于所述模拟土层上部与所述箱盖之间的加压气囊、设置于透明模型箱外用于给所述加压气囊加压的加压泵。
10.一种盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制方法，其特征在于，应用权利要求1-9中任一所述的盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制装置，包括如下步骤：
步骤一：准备工作：根据模拟情况在所述透明模型箱中填充模拟土层，同时将既有线模拟装置、模拟装置监测系统与土层监测系统安置于所述模拟土层中的指定位置，填充模拟土层中，由下至上模拟其水下环境向相应层注入一定水，待每层压实稳定后，再放入下一层土；
步骤二：准备工作完成后，在模拟土层顶部放置压紧装置，稳定后保存当前模拟装置监测系统监测数据作为初始数据；
步骤三：所述挖掘模拟装置由始发钢套筒处，向着接收钢套筒方向掘进；
步骤四：在掘进过程中，记录模拟装置监测系统中数据，并从箱体侧面拍照记录下穿过程中彩钢球在土层中的整体变化情况，直至掘至所述接收钢套筒，完成一次盾构下穿既有地铁隧道模拟沉降控制。
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