CN114687390A - 一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，包括模型箱；模型箱内设置有新旧车站一体模型和光纤检测设备；新旧车站一体模型包括新建地铁车站和既有车站，新建地铁车站和既有车站接触相连；新建地铁车站上设置有通道拆除组件；新建地铁车站和既有车站均包括多层新建地铁车站板；既有车站内的新建地铁车站板的两侧均设置有既有车站侧墙。本发明通过设置于模型箱内的新建地铁车站和既有车站接触相连，实现了新旧车站一体化，同时在实验数据监测方面采用光纤检测设备进行检测，其测量值贴近于实际施工情况，偏差较小，能够有效的评估新建地铁车站与既有车站的帮接效果。

Description

一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法

技术领域

本发明属于地下结构工程的技术领域，具体涉及一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法。

背景技术

随着我国经济快速发展、时代不断变迁，城市地铁建设如火如荼，广覆盖、高密度的地铁线网在上海、北京、成都等地相继形成。在新建地铁施工过程中，出于空间资源有限与经济性的要求，不可避免地需要与既有结构物接驳而进行改建或扩建施工。其中新建地铁车站与既有车站帮接的情形较为常见，该类情形施工风险较大，不仅车站结构本身具有安全隐患，对周边地层也会造成一定程度的扰动。在如此复杂的作业环境中如何评估新旧车站帮接对结构与地层的影响是一个颇具工程意义的问题。

目前，新建地铁车站与既有车站帮接效果的评估主要是通过数值模拟计算进行，然而，受到网格密度、边界设置等多重可变因素的作用，数值模拟结果往往与实际施工数据偏差较大。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，解决了目前新建地铁车站与既有车站帮接效果评估偏差较大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置，其包括模型箱；模型箱内设置有新旧车站一体模型和光纤检测设备；新旧车站一体模型包括新建地铁车站和既有车站，新建地铁车站和既有车站接触相连；新建地铁车站上设置有通道拆除组件。

采用上述技术方案的有益效果为：本发明通过设置于模型箱内的新建地铁车站和既有车站接触相连，实现了新旧车站一体化，同时在实验数据监测方面采用光纤检测设备进行检测，其测量值贴近于实际施工情况，偏差较小，能够有效的评估新建地铁车站与既有车站的帮接效果。

进一步地，新建地铁车站和既有车站均包括多层新建地铁车站板；既有车站内的新建地铁车站板的两侧均设置有既有车站侧墙，新建地铁车站内的新建地铁车站板的两侧均设置有地下连续墙围护板；既有车站一侧的既有车站侧墙与邻近新建地铁车站一侧的地下连续墙围护板内均嵌入有多个方形通道块。

进一步地，模型箱包括多个内板，多个内板构成顶部与底部均开口设置的正方体；内板上均设置有多根加筋条；加筋条包括水平向加筋条和垂向加筋条。

采用上述技术方案的有益效果为：本发明的内板为透明亚克力材质，通过内板可以动态观察新建地铁车站与既有车站帮接过程中周围土砂及地表土体的变化特征。

进一步地，内板表面间隔设置有多根水平向加筋条，内板的两端均设置有多根垂向加筋条；水平向加筋条的两端均延伸至与垂向加筋条接触相连。

采用上述技术方案的有益效果为：在模型箱外部采用加筋条加固箱体，限制了内板在装填土砂及后续新建地铁车站与既有车站帮接实验过程中产生不利变形。

进一步地，新建地铁车站内的新建地铁车站板靠近既有车站侧墙的一侧间隔设置有多个螺丝端，其对应的地下连续墙围护板上开设有多个与螺丝端相配合的螺母端。

采用上述技术方案的有益效果为：螺丝端的使用不仅使得连接的操作简易，使得连接处光滑整洁，而且螺丝端本身具有很强的承重能力，实现了新旧地铁车站间的平稳过渡。

进一步地，新建地铁车站内的新建地铁车站板上设置有磁性控制器和辅助电钻，磁性控制器与辅助电钻连接。

采用上述技术方案的有益效果为：本发明的磁性控制器和螺丝端上均附有磁铁，利用同性排斥，异性相吸原理，螺丝端能够快速结合新建地铁车站板与地下连续墙围护板。

进一步地，模型箱靠近新建地铁车站一侧的内板上开设有多个与通道块对应的预设孔；通道拆除组件包括动滑轮、定滑轮与钢丝绳；通道块上设置有把手，把手通过钢丝绳与滑轮连接，且滑轮上套设的钢丝绳一端固定于内板上，另一端穿过预设孔延伸至模型箱外。

采用上述技术方案的有益效果为：本发明的通道拆除组件同时应用动滑轮与定滑轮，在卸下通道块的过程中不仅可以根据车站内部构造改变作用力方向，还具有省力的效果，加上配合强度高、自重轻的钢丝绳，有效模拟了新旧车站间通道的拆除工作。

进一步地，光纤检测设备包括应变式光纤传感器和位移式光纤传感器；应变式光纤传感器均匀布设于新建地铁车站与既有车站的新建地铁车站板表面。

采用上述技术方案的有益效果为：本发明的光纤传感器兼有传感和传输功能，相较于传统的应变计或位移计，光纤具有良好的抗干扰性、实时性以及可分布式测量等显著优势，在新建地铁车站与既有车站帮接实验过程中光纤传感器与配套的数据监测系统提供了精确可靠的应力与位移量测数据。

进一步地，应变式光纤传感器沿线通过胶水固定，且应变式光纤传感器的一端均与新建地铁车站板固定连接，另一端均延伸至模型箱外与数据监测系统连接。

另一方面，本方案还提供新建地铁车站与既有车站帮接试验装置的实验方法，具体包括以下步骤：

S1、拼装既有车站与地下连续墙围护板，在既有车站的新建地铁车站板上均匀粘结应变式光纤传感器；

S2、由下至上依次拼装新建地铁车站，其中新建地铁车站板通过螺丝端与地下连续墙围护板连接，并在新建地铁车站板上布设粘结应变式光纤传感器与通道拆除组件；

S3、组装模型箱，在模型箱装填土砂至预设高度，并埋入已安装完全的新旧车站一体模型，同时在土体顶面布设位移式光纤传感器；

S4、将应变式光纤传感器的一端连接至数据监测系统，待新旧车站一体模型整体稳定后，记录存储新建地铁车站与既有车站帮接的初始应力与初始位移数据；

S5、启用通道拆除组件，按照预设方案依次拉动模型外各通道块对应的钢丝绳，在每次卸下通道块后直至稳定的一小段时间内记录存储对应的应力与位移监测数据；

S6、根据基础相似比换算初始应力位移数据与拆除通道块后的应力位移数据，得到新建地铁车站与既有车站帮接的应力位移变化规律，并将换算后的监测数据与混凝土抗拉强度、地表沉降预警值比较，判断车站结构的安全状态与周围土体的稳定性。

本发明公开了一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其有益效果为：

本发明新建地铁车站与既有车站相邻结构的连接采用了螺丝端与螺母端配合连接，连接美观且稳定，具有良好的力学性能，有效实现了新旧车站一体化；新建地铁车站与既有车站间通道块的拆除采用了滑轮与钢丝绳，拆除有序且便捷省力，有效实现了新旧车站帮接；实验数据监测方面采用了智能光纤，测量值贴近于实际施工情况。

附图说明

图1为本发明中一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置的结构示意图；

图2为螺丝端处的结构示意图；

图3为通道拆除组件的结构示意图；

图4为光纤检测设备的结构示意图。

图中：1、模型箱；2、新旧车站一体模型；3、通道拆除组件；4、光纤检测设备；5、地下连续墙围护板；6、新建车站板结构；7、既有车站侧墙结构；8、通道块；9、内板；10、加筋条；10-1、水平向加筋条；10-2、垂向加筋条；11、螺丝端；12、螺母端；13、磁性控制器；14、辅助电钻；15、预设孔；16、动滑轮；17、定滑轮；18、钢丝绳；19、应变式光纤传感器；20、位移式光纤传感器。

具体实施方式

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

参考图1～图3，本发明提供一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置，其包括模型箱1；模型箱1内设置有新旧车站一体模型2和光纤检测设备4；新旧车站一体模型2包括新建地铁车站和既有车站，新建地铁车站和既有车站接触相连；新建地铁车站上设置有通道拆除组件3。本发明通过设置于模型箱1内的新建地铁车站和既有车站接触相连，实现了新旧车站一体化，同时在实验数据监测方面采用光纤检测设备4进行检测，其测量值贴近于实际施工情况，偏差较小，能够有效的评估新建地铁车站与既有车站的帮接效果。

新建地铁车站和既有车站均包括多层新建地铁车站板6；既有车站内的新建地铁车站板6的两侧均设置有既有车站侧墙7，新建地铁车站6内的新建地铁车站板的两侧均设置有地下连续墙围护板5；既有车站一侧的既有车站侧墙7与邻近新建地铁车站一侧的地下连续墙围护板5内均嵌入有多个方形通道块8。

模型箱1包括多个内板9，多个内板9构成顶部与底部均开口设置的正方体；内板9上均设置有多根加筋条10；加筋条10包括水平向加筋条10-1和垂向加筋条10-2；本发明的内板9为透明亚克力材质，通过内板9可以动态观察新建地铁车站与既有车站帮接过程中周围土砂及地表土体的变化特征。

内板9表面间隔设置有多根水平向加筋条10-1，内板9的两端均设置有多根垂向加筋条10-2；水平向加筋条10-1的两端均延伸至与垂向加筋条10-2接触相连；在模型箱1外部采用加筋条10加固箱体，限制了内板9在装填土砂及后续新建地铁车站与既有车站帮接实验过程中产生不利变形。

新建地铁车站内的新建地铁车站板6靠近既有车站侧墙7的一侧间隔设置有多个螺丝端11，其对应的地下连续墙围护板5上开设有多个与螺丝端11相配合的螺母端12；螺丝端11的使用不仅使得连接的操作简易，使得连接处光滑整洁，而且螺丝端11本身具有很强的承重能力，实现了新旧地铁车站间的平稳过渡。

新建地铁车站内的新建地铁车站板6上设置有磁性控制器13和辅助电钻14，磁性控制器13与辅助电钻14连接；本发明的磁性控制器13和螺丝端11上均附有磁铁，利用同性排斥，异性相吸原理，螺丝端11能够快速结合新建地铁车站板6与地下连续墙围护板5。

模型箱1靠近新建地铁车站一侧的内板9上开设有多个与通道块8对应的预设孔15；通道拆除组件3包括动滑轮16、定滑轮17与钢丝绳18；通道块8上设置有把手，把手通过钢丝绳18与滑轮16连接，且滑轮16上套设的钢丝绳18一端固定于内板9上，另一端穿过预设孔15延伸至模型箱1外；本发明的通道拆除组件3同时应用动滑轮16与定滑轮17，在卸下通道块8的过程中不仅可以根据车站内部构造改变作用力方向，还具有省力的效果，加上配合强度高、自重轻的钢丝绳18，有效模拟了新旧车站间通道的拆除工作。

光纤检测设备4包括应变式光纤传感器19和位移式光纤传感器20；应变式光纤传感器19均匀布设于新建地铁车站与既有车站的新建地铁车站板6表面；本发明的应变式光纤传感器19和位移式光纤传感器20兼有传感和传输功能，相较于传统的应变计或位移计，光纤具有良好的抗干扰性、实时性以及可分布式测量等显著优势，在新建地铁车站与既有车站帮接实验过程中光纤传感器与配套的数据监测系统提供了精确可靠的应力与位移量测数据；应变式光纤传感器19沿线通过胶水固定，且应变式光纤传感器19的一端均与新建地铁车站板6固定连接，另一端均延伸至模型箱1外与数据监测系统连接。

另一方面提供一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置的实验方法，其包括：

S1、拼装既有车站与地下连续墙围护板5，在既有车站的新建地铁车站板6上均匀粘结应变式光纤传感器19；

其中，光纤传感器引出模型箱1外的开放式一端须预留足够的长度。以方便灵活放置数据监测设备，保证光纤与数据监测设备接口的充分连接。另外地，应变式光纤传感器19亦可均匀分布在车站其他主体结构。

S2、由下至上依次拼装新建地铁车站模拟组件，其中新建地铁车站板6通过螺丝端11与地下连续墙围护板5连接，并在新建地铁车站板6上布设粘结应变式光纤传感器19与通道拆除组件3；

具体地，螺丝端11的连接是将磁性控制器13放置在螺丝端11水平上方，通过转动磁性控制器13使得螺丝端11快速旋转前进，直至与螺母端12紧固。连接过程中当听到敲击声时即表明该处螺丝端11已紧固妥当。

S3、组装模型箱1，在模型箱1装填土砂至预设高度，并埋入已安装完全的新旧车站一体模型2，同时在土体顶面布设位移式光纤传感器20；

其中，土砂为粗细骨料按照现场土体情况组合制备，并以砂雨法填充至模型箱1中；预设高度按照车站实际埋深基于几何相似比转换确定；本实施例中位移式光纤传感器20仅布置在上覆土表面，另外地，在车站周围土体中亦可以放置位移式光纤传感器20，得到的位移监测值以表征新建地铁车站与既有车站帮接对周围内部土体的扰动影响。

S4、将应变式光纤传感器19的一端连接至数据监测系统，待新旧车站一体模型2整体稳定后，记录存储新建地铁车站与既有车站帮接的初始应力与初始位移数据；

S5、启用通道拆除组件3，按照预定施工方案依次拉动模型1外各通道块8对应的钢丝绳18，在每次卸下通道块8后直至稳定的一小段时间内记录存储对应的应力与位移监测数据；

其中，本实施例中通道块8拆除顺序按照实际施工，另外地，还可以多次进行新建地铁车站与既有车站帮接实验，改变通道块8拆除顺序，对比分析车站结构的应力与周围土体的位移变化结果，探究通道块8拆除最优方案。

S6、根据基础相似比换算初始应力位移数据与拆除通道块8后的应力位移数据，得到新建地铁车站与既有车站帮接的应力位移变化规律，并将换算处理后的监测数据与混凝土抗拉强度、地表沉降预警值比较，判断车站结构的安全状态与周围土体的稳定性。

具体地，应变式光纤传感器19的应变值经计算处理用于表示车站各层板结构的应力值，位移式光纤传感器20的位移值用于表示上覆土表面的沉降值。步骤S4中，初始应力与初始位移数据可判断新旧车站通道打通前的安全性，当其分别小于混凝土抗拉强度与地表沉降预警值，即处于安全状态。

步骤S5中，取卸下通道块后监测到的应力最大值与位移最大值判断新旧车站帮接完成后的安全性，当位移最大值与初始位移数据的差值大于地表沉降预警值时，新旧车站帮接对土体扰动过大，处于不稳定状态；当应力最大值大于混凝土抗拉强度时，帮接过程已造成车站板结构的开裂。

需要注意的是，从相关规范中可查询到不同混凝土等级的抗拉强度和不同场地类型的地表沉降预警值，应根据不同实施例情况选择使用。若测量值均小于设定阈值，表明当前新旧地铁车站帮接方案合理可行，施工中可针对本实验中测量值较大处采取适当加固支护措施。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：包括模型箱(1)；所述模型箱(1)内设置有新旧车站一体模型(2)和光纤检测设备(4)；所述新旧车站一体模型(2)包括新建地铁车站和既有车站，所述新建地铁车站和既有车站接触相连；所述新建地铁车站上设置有通道拆除组件(3)。

2.根据权利要求1所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述新建地铁车站和既有车站均包括多层新建地铁车站板(6)；所述既有车站内的新建地铁车站板(6)的两侧均设置有既有车站侧墙(7)，所述新建地铁车站内的新建地铁车站板(6)的两侧均设置有地下连续墙围护板(5)；所述既有车站一侧的既有车站侧墙(7)与邻近新建地铁车站一侧的地下连续墙围护板(5)内均嵌入有多个方形通道块(8)。

3.根据权利要求2所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述模型箱(1)包括多个透明内板(9)，多个透明内板(9)构成顶部与底部均开口设置的正方体；所述透明内板(9)上均设置有多根加筋条(10)；所述加筋条(10)包括水平向加筋条(10-1)和垂向加筋条(10-2)。

4.根据权利要求3所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述透明内板(9)表面间隔设置有多根水平向加筋条(10-1)，透明内板(9)的两端均设置有多根垂向加筋条(10-2)；所述水平向加筋条(10-1)的两端均延伸至与垂向加筋条(10-2)接触相连。

5.根据权利要求1所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述新建地铁车站内的新建地铁车站板(6)靠近既有车站侧墙(7)的一侧间隔设置有多个螺丝端(11)，其对应的地下连续墙围护板(5)上开设有多个与螺丝端(11)相配合的螺母端(12)。

6.根据权利要求5所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述新建地铁车站内的新建地铁车站板(6)上设置有磁性控制器(13)和辅助电钻(14)，所述磁性控制器(13)与辅助电钻(14)连接。

7.根据权利要求6所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述模型箱(1)靠近新建地铁车站一侧的内板(9)上开设有多个与通道块(8)对应的预设孔(15)；所述通道拆除组件(3)包括动滑轮(16)、定滑轮(17)与钢丝绳(18)；所述通道块(8)上设置有把手，把手通过钢丝绳(18)与滑轮(16)连接，且滑轮(16)上套设的钢丝绳(18)一端固定于内板(9)上，另一端穿过预设孔(15)延伸至模型箱(1)外。

8.根据权利要求1所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述光纤检测设备(4)包括应变式光纤传感器(19)和位移式光纤传感器(20)；所述应变式光纤传感器(19)均匀布设于新建地铁车站与既有车站的新建地铁车站板(6)表面。

9.根据权利要求1所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置及其实验方法，其特征在于：所述应变式光纤传感器(19)沿线通过胶水固定，且所述应变式光纤传感器(19)的一端均与新建地铁车站板(6)固定连接，另一端均延伸至模型箱(1)外与数据监测系统连接。

10.一种根据权利要求1-9任一所述的新建地铁车站与既有车站帮接试验装置的实验方法，其特征在于：

S1、拼装既有车站与地下连续墙围护板(5)，在既有车站的新建地铁车站板(6)上均匀粘结应变式光纤传感器(19)；

S2、由下至上依次拼装新建地铁车站，其中新建地铁车站板(6)通过螺丝端(11)与地下连续墙围护板(5)连接，并在新建地铁车站板(6)上布设粘结应变式光纤传感器(19)与通道拆除组件(3)；

S3、组装模型箱(1)，在模型箱(1)装填土砂至预设高度，并埋入已安装完全的新旧车站一体模型(2)，同时在土体顶面布设位移式光纤传感器(20)；

S4、将应变式光纤传感器(19)的一端连接至数据监测系统，待新旧车站一体模型(2)整体稳定后，记录存储新建地铁车站与既有车站帮接的初始应力与初始位移数据；

S5、启用通道拆除组件(3)，按照预设方案依次拉动模型(1)外各通道块(8)对应的钢丝绳(18)，在每次卸下通道块(8)后直至稳定的一小段时间内记录存储对应的应力与位移监测数据；

S6、根据基础相似比换算初始应力位移数据与拆除通道块(8)后的应力位移数据，得到新建地铁车站与既有车站帮接的应力位移变化规律，并将换算后的监测数据与混凝土抗拉强度、地表沉降预警值比较，判断车站结构的安全状态与周围土体的稳定性。

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