CN113417325B - 一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其包括模型箱、设置在模型箱中的隧道模拟组件和桩基托换模拟组件、以及设置在桩基托换模拟组件上的检测组件；桩基托换模拟组件包括横梁结构、两根第一桩基和第二桩基；横梁结构包括混凝土横梁和设置在混凝土横梁的两端为铁块；第一桩基包括设置在模型箱中的第一混凝土桩基和设置在第一混凝土桩基上且与铁块垂向方向配合的第一电磁铁；第二桩基包括设置在模型箱中的第二混凝土桩基和设置在第二混凝土桩基上且与铁块水平方向配合的第二电磁铁。

Description

一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及桥梁及隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置及实验方法。

背景技术

城市用地的限制导致了较多的盾构隧道需要下穿桥梁。评估盾构下穿施工对桥梁的影响一直是一个难题。当盾构距离桥梁桩基太近时，桥梁将受到更加严重的影响，甚至会影响桥梁的正常使用，因此出现了桩基托换技术解决这一问题。

目前，桩基托换效果的评估主要是通过数值模拟进行，然而，现有的桩基托换为一体，过于简单，测量的数据与实际施工相差太多。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置及实验方法，其目的是解决现有桩基托换为一体的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其包括模型箱、设置在模型箱中的隧道模拟组件和桩基托换模拟组件、以及设置在桩基托换模拟组件上的检测组件；

桩基托换模拟组件包括横梁结构、两根第一桩基和第二桩基；横梁结构包括混凝土横梁和设置在混凝土横梁两端的铁块；第一桩基包括设置在模型箱中的第一混凝土桩基和设置在第一混凝土桩基上且与铁块垂向方向配合的第一电磁铁；第二桩基包括设置在模型箱中的第二混凝土桩基和设置在第二混凝土桩基上且与铁块水平方向配合的第二电磁铁。

本发明的有益效果为：在本方案中，混凝土横梁与第一混凝土桩基和第二混凝土桩基通过铁块和电磁铁实现连接，这样实现模拟第一混凝土桩基的截断和第二混凝土桩基的托换，使检测组件的测量值更加接近实际施工；采用电磁结构，控制原理简单，方便切换第一混凝土桩基和第二混凝土桩基，采用简单结构实现了第一桩基截断和第二桩基的托换。

进一步，检测组件包括设置在混凝土横梁上的位移传感器、设置在第一混凝土桩基上的若干个第一应变计和设置在第二混凝土桩基上的若干个第二应变计；设置的若干个的第一应变计和第二应变计，以获取更多混凝土桩基的受力测量数据。

进一步，隧道模拟组件包括盾构隧道和若干胶管；盾构隧道包括净空层、以及由内到外依次包裹在净空层外的管片层和补浆层；胶管包括与净空层连通的净空层胶管、与管片层连通的管片层胶管以及与补浆层连通的补浆层胶管。

设置的净空层、管片层和补浆层，其中通过放出净空层的水模拟现实开挖的隧道；管片层充水后起到支撑盾构隧道的作用，防止模拟土压垮盾构隧道；补浆层放水后使盾构隧道施工超挖形成的间隙，补浆层的水保留可模拟盾构隧道施工过程中的同步注浆，以减小地层变形盾构隧道。

进一步，净空层、管片层和补浆层均为橡胶材质。

进一步，模型箱的一个侧面为透明玻璃，其余面均为金属板。模型箱前侧面为透明玻璃，便于相机动态观察隧道施工时模拟土受到的扰动情况和地下水位变化。

进一步，模型箱相对透明玻璃的侧面上开有便引出胶管的若干个通孔。

另一方面提供一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的实验方法，其包括：

S1、将隧道模拟组件和桩基托换模拟组件分别固定在模型箱中所对应的预设位置上；

S2、在模型箱中填充模拟土，至预设高度；

S3、控制第一电磁铁通电，第二电磁铁断电，记录位移传感器、第一应变计和第二应变计的数据作为第一组数据；

S4、控制第一电磁铁断电，第二电磁铁通电，记录位移传感器、第一应变计和第二应变计的数据作为第二组数据；

S5、控制第一电磁铁和第二电磁铁同时通电，开挖盾构隧道，记录位移传感器、第一应变计和第二应变计的数据作为第三组数据；

S6、根据第一组数据、第二组数据和第三组数据及预设受拉极限状态阈值和预设沉降阈，判断第一混凝土桩基和第二混凝土桩基的稳定性，以及混凝土横梁沉降量。

在S1中，通过胶管向盾构隧道中注满水并密封胶管出口，形成未开挖的盾构隧道。

在S5中，开挖盾构隧道的方式为：

S51、净空层的水放出，模拟盾构隧道开挖；

S52、若不考虑盾构隧道开挖时注浆的影响，则将补浆层中的水放出；

S53、保留管片层中的水，模拟盾构隧道管片衬砌，形成支护作用。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明提供所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的结构示意图。

图2为隧道模拟组件和桩基托换模拟组件的结构示意图。

图3为隧道模拟组件的结构示意图。

其中：1、盾构隧道；1-1、净空层；1-2、管片层；1-3、补浆层；2、胶管；2-1、净空层胶管；2-2、管片层胶管；2-3、补浆层胶管；3、横梁结构；3-1：铁块；3-2、混凝土横梁；4、第一桩基；4-1、第一电磁铁；4-2、第一混凝土桩基；5、第二桩基；5-1、第二电磁铁；5-2、第二混凝土桩基；6、模拟土；7、透明玻璃；8、模型箱；9-1、位移传感器；9-2、第一应变计；9-3、第二应变计。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

请参考图1-图3，本发明提供一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其包括模型箱8、设置在模型箱8中的隧道模拟组件和桩基托换模拟组件、以及设置在桩基托换模拟组件上的检测组件。

桩基托换模拟组件包括横梁结构3、两根第一桩基4和第二桩基5；横梁结构3包括混凝土横梁3-2和设置在混凝土横梁3-2的两端为铁块3-1；第一桩基4包括设置在模型箱8中的第一混凝土桩基4-2和设置在第一混凝土桩基4-2上且与铁块3-1垂向方向配合的第一电磁铁4-1；第二桩基5包括设置在模型箱8中的第二混凝土桩基5-2和设置在第二混凝土桩基5-2上且与铁块3-1水平方向配合的第二电磁铁5-1。

优选检测组件包括设置在混凝土横梁3-2上的位移传感器9-1、设置在第一混凝土桩基4-2上的若干个第一应变计9-2和设置在第二混凝土桩基5-2上的若干个第二应变计9-3；设置的若干个的第一应变计9-2和第二应变计9-3，使测量混凝土桩基的测量值更加准确。

优选隧道模拟组件包括盾构隧道1和若干胶管2；盾构隧道1包括净空层1-1、以及由内到外依次包裹在净空层1-1外的管片层1-2)和补浆层1-3；胶管2包括与净空层1-1连通的净空层胶管2-1、与管片层1-2连通的管片层胶管2-2以及与补浆层1-3连通的补浆层胶管2-3。

优选净空层1-1、管片层1-2和补浆层1-3均为橡胶材质。

优选模型箱8的一个侧面为透明玻璃7，其余面均为金属板。模型箱8前侧面为透明玻璃7，便于相机动态观察隧道施工时模拟土6受到的扰动情况。

优选模型箱8相对透明玻璃7的侧面上开有便引出胶管2的若干个通孔。

还需要说明的是，铁块优选方铁块。第二混凝土桩基5-2优选“L”形，其水平端上安装有第二电磁铁5-1。模拟土6为土、细沙或石子或其任意组合。透明玻璃7为钢化玻璃。位移传感器9-1、第一应变计9-2和第二应变计9-3均现有技术，其中得出的各组测量数据，本领域技术可以根据不同情况下，去判断隧道模拟组件对桩基托换模拟组件的影响。其中隧道模拟组件设置的中心线设置在桩基托换模拟组件的中心线上。净空层1-1的直径、管片层1-2的厚度和注浆层的厚度由设计确定，具体的可以是根据实际施工方案中的尺寸按照等比例缩小形成。净空层1-1、管片层1-2以及注浆层均为空心管且具有一定的硬度，例如可以是PVC管或钢管，主要是防止模拟土6挤压胶管2，使胶管2堵塞。

其中，模拟横桥梁：第一桩基4上的第一电磁铁4-1通电，横梁结构3将与第一桩基4相连。模拟桩基托换：第二桩基5上的第二电磁铁5-1通电，横梁结构3将与第二桩基5相连。

另一方面提供一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的实验方法，其包括：

S1、将隧道模拟组件和桩基托换模拟组件分别安装在模型箱8中所对应的预设位置上；

具体的，利用临时夹具将隧道模拟组件和桩基托换模拟组件固定在模型箱8。隧道模拟组件中，通过胶管2向盾构隧道1中注满水并密封胶管2出口，形成未开挖的盾构隧道1。桩基托换模拟组件中，第一电磁铁4-1和第二电磁铁5-1均通电，使第一桩基4、横梁结构3和第二桩基5形成整体，便于安装。

进一步的，预设位置可是根据经验值得出，或者如图1方式，放置在模型箱8底面中部；以实际施工按照一定比例得出。

S2、在模型箱8中填充模拟土6，至预设高度；

预设高度可是根据经验值得出，或者以实际施工按照一定比例得出。

其中填充模拟土的方式为砂雨法。

当填充完模拟土后，取出临时夹具。

S3、控制第一电磁铁4-1通电，第二电磁铁5-1断电，记录位移传感器9-1、第一应变计9-2和第二应变计9-3的数据作为第一组数据；

S4、控制第一电磁铁4-1断电，第二电磁铁5-1通电，记录位移传感器9-1、第一应变计9-2和第二应变计9-3的数据作为第二组数据；

其中，第一电磁铁4-1断电，模拟第一桩基4的截桩过程；第二电磁铁5-1通电，模拟第二桩基5的修建过程。

S5、控制第一电磁铁4-1和第二电磁铁5-1同时通电，开挖盾构隧道1，记录位移传感器9-1、第一应变计9-2和第二应变计9-3的数据作为第三组数据。

S6、根据第一组数据、第二组数据和第三组数据及预设受拉极限状态阈值和预设沉降阈，判断第一混凝土桩基4-2和第二混凝土桩基5-2的稳定性，以及混凝土横梁3-2沉降量。

具体的，位移传感器9-1的位移量与预设沉降阈值相比，判断混凝土横梁(3-2)沉降量；第一应变计9-2应力值与第一混凝土桩基4-2的预设受拉极限状态阈值相比，判断第一混凝土桩基4-2是否开裂；第二应变计(9-3)的应力值与第二混凝土桩基5-2的预设受拉极限状态阈值相比，判断第二混凝土桩基5-2是否开裂。

其中，位移传感器9-1的位移量用于表示混凝土横梁3-2的沉降量，第一应变计9-2应力值用于表示第一混凝土桩基4-2的应变量，第二应变计9-3的应力值用于表示第二混凝土桩基5-2的应变量。

步骤S6中，第一组数据中位移传感器9-1和第二应变计9-3的值作为初始值。第一应变计9-2的应变值作为判断托换前的安全性，当其小于预设受拉极限状态阈值，处于安全状态。

第二组数据中位移传感器9-1的位移量与初始值的差值大于预设沉降阈值时，混凝土横梁3-2的沉降量过大，处于不稳定的状态；第二应变计9-3的应变值大于预设受拉极限状态阈值，则第二混凝土桩基5-2已开裂。

第三组数据中位移传感器9-1的位移量与初始值的差值大于预设沉降阈值时，混凝土横梁3-2的沉降量过大，处于不稳定的状态；第二应变计9-3的应变值大于预设受拉极限状态阈值，则第二混凝土桩基5-2已开裂。

需要说明的是，从相关规范中可查询到不同类型桥梁的预设沉降阈值和不同混凝土等级的预设受拉极限状态阈值，并使用到本方案中。若测量值小于预设值，说明盾构隧道1对横梁结构3的没影响。

只有第一电磁铁4-1通电时，则模拟盾构隧道1下穿第一桩基4时，对横梁结构3的影响；当只有第二电磁铁5-1通电时，则模拟盾构隧道1下穿第二桩基5时，对横梁结构3的影响。当第一电磁铁4-1和第二电磁铁5-1均通电时，则模拟盾构隧道1下穿第一桩基4和第二桩基5时，对横梁结构3的影响。从而得到模拟盾构隧道1在开完前后对横梁结构3和第二桩基5的影响。

在S5中，开挖盾构隧道1的方式为：

S51、放出净空层1-1的水，模拟盾构隧道开挖；

S52、若不考虑盾构开挖时注浆的影响，则将补浆层1-3中的水放出；

S53、保留管片层1-2中的水，模拟盾构隧道管片衬砌，形成支护作用。

在本方案中，通过放水的方式模拟盾构隧道1施工，解决了实验室中相似实验盾构隧道1开挖的难题；同时，可以向盾构隧道中反复注水和放水，多次重复实验，提高实验结果的精度。本发明既实现了模拟盾构隧道1开挖，又实现了桩基托换施工的模拟，解决了当前盾构隧道1下穿桩基托换的实验模拟问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其特征在于，包括模型箱（8）、设置在模型箱（8）中的隧道模拟组件和桩基托换模拟组件、以及设置在桩基托换模拟组件上的检测组件；

所述桩基托换模拟组件包括横梁结构（3）、两根第一桩基（4）和第二桩基（5）；所述横梁结构（3）包括混凝土横梁（3-2）和设置在混凝土横梁（3-2）两端的铁块（3-1）；所述第一桩基（4）包括设置在模型箱（8）中的第一混凝土桩基（4-2）和设置在第一混凝土桩基（4-2）上且与铁块（3-1）垂向方向配合的第一电磁铁（4-1）；所述第二桩基（5）包括设置在模型箱（8）中的第二混凝土桩基（5-2）和设置在第二混凝土桩基（5-2）上且与铁块（3-1）水平方向配合的第二电磁铁（5-1）；

所述检测组件包括设置在混凝土横梁（3-2）上的位移传感器（9-1）、设置在第一混凝土桩基（4-2）上的若干个第一应变计（9-2）和设置在第二混凝土桩基（5-2）上的若干个第二应变计（9-3）。

2.根据权利要求1所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其特征在于，所述隧道模拟组件包括盾构隧道（1）和若干胶管（2）；所述盾构隧道（1）包括净空层（1-1）及由内到外依次包裹在净空层（1-1）外的管片层（1-2）和补浆层（1-3）；所述胶管（2）包括与净空层（1-1）连通的净空层胶管（2-1）、与管片层（1-2）连通的管片层胶管（2-2）和与补浆层（1-3）连通的补浆层胶管（2-3）。

3.根据权利要求2所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其特征在于，所述净空层（1-1）、管片层（1-2）和补浆层（1-3）均为橡胶材质。

4.根据权利要求2所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其特征在于，所述模型箱（8）的一个侧面为透明玻璃（7），其余面均为金属板。

5.根据权利要求4所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置，其特征在于，所述模型箱（8）相对透明玻璃（7）的侧面上开有便于引出胶管（2）的若干个通孔。

6.一种权利要求1-5中任一所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的实验方法，其特征在于，包括：

S1、将隧道模拟组件和桩基托换模拟组件分别固定在模型箱（8）中对应的预设位置上；

S2、在模型箱（8）中填充模拟土至预设高度；

S3、控制第一电磁铁（5-1）通电，第二电磁铁（4-2）断电，记录位移传感器（9-1）、第一应变计（9-2）和第二应变计（9-3）的数据作为第一组数据；

S4、控制第一电磁铁（5-1）断电，第二电磁铁（4-2）通电，记录位移传感器（9-1）、第一应变计（9-2）和第二应变计（9-3）的数据作为第二组数据；

S5、控制第一电磁铁（5-1）和第二电磁铁（4-2）同时通电，开挖盾构隧道（1），记录位移传感器（9-1）、第一应变计（9-2）和第二应变计（9-3）的数据作为第三组数据；

S6、根据第一组数据、第二组数据和第三组数据及预设受拉极限状态阈值和预设沉降阈，判断第一混凝土桩基（4-2）和第二混凝土桩基（5-2）的稳定性，以及混凝土横梁（3-2）沉降量。

7.根据权利要求6所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的实验方法，其特征在于，在S1中，通过胶管（2）向盾构隧道（1）中注满水并密封胶管出口，形成未开挖的盾构隧道（1）。

8.根据权利要求6所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的实验方法，其特征在于，在S5中，开挖盾构隧道的方式为：

S51、放出净空层（1-1）的水，模拟盾构隧道开挖；

S52、若不考虑盾构隧道（1）开挖时注浆的影响，则将补浆层（1-3）中的水放出；

S53、保留管片层（1-2）中的水，模拟盾构隧道（1）管片衬砌，形成支护作用。

9.根据权利要求6所述的盾构下穿桥梁桩基托换试验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：

步骤S6中，第一组数据中位移传感器（9-1）和第二应变计（9-3）的值作为初始值；第一应变计（9-2）的应变值作为判断托换前第一混凝土桩基（4-2）的安全性，当其小于预设受拉极限状态阈值，处于安全状态；

第二组数据中位移传感器（9-1）的位移量与初始值的差值大于预设沉降阈值时，混凝土横梁（3-2）的沉降量过大，处于不稳定的状态；第二应变计（9-3）的应变值大于预设受拉极限状态阈值，则第二混凝土桩基（5-2）已开裂；

第三组数据中位移传感器（9-1）的位移量与初始值的差值大于预设沉降阈值时，混凝土横梁（3-2）的沉降量过大，处于不稳定的状态；第二应变计（9-3）的应变值大于预设受拉极限状态阈值，则第二混凝土桩基（5-2）已开裂。

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