CN102434166A - 隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置和方法该装置包括模型箱、其两端面板是可更换的，该面板可根据试验的需要加工有多个孔口，分别对应既有隧道孔口和多个设计的新开挖隧道孔口位置，模拟既有隧道的铁皮管、模拟新开挖隧道的PVC塑料管、移动式加载台架、加载千斤顶、测量管壁位移的管壁位移计、测量地表位移特性地表位移计、记录管壁应变的应变片、静态应变仪和计算机。本试验装置可以模拟圆形断面隧道在不同地层条件、不同近接距离下开挖施工对既有近距离平行隧道结构的影响，并评价既有隧道旁并行开挖多条隧道引起的地表沉降，测试数据精确可靠。

Description

隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置和方法

技术领域

本发明涉及隧道工程，特别是一种隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置和方法。

背景技术

在大中城市的地下空间开发与利用过程中，为缓减地面交通压力而修建的地下隧道工程发挥着重要的作用。有时因受施工环境的限制或为了提高隧道工程的利用率，必须在小区域内建设多功能的地下交通网络，这使得地下隧道近距离施工成为工程师必须解决的难题之一。因隧道开挖施工会引起隧道周边土体的应力重分布，进而造成新建隧道周围一定区域内的既有隧道结构的应力状态发生变化，严重影响既有隧道结构的安全使用。为了将新建隧道开挖对既有近距离隧道的影响降低到最小程度，采用科学的研究方法来认识近距离隧道施工相互影响机理，并提出合理的判断和评价标准是工程师和科研工作者要解决的首要问题。在各种研究方法中，物理模型试验以其经济，科学和更能反映实际工程特点的优势，被广泛应用于隧道近距离施工相互影响的相关研究中

国内外学者针对隧道开挖的相关问题进行了一系列模型试验。经过文献检索有一些相关专利技术已经公开，如中国专利公开号CN 201352179Y，专利名称：一种盾构隧道结构模型综合试验装置，该装置提供了一种模拟单一盾构隧道施工过程的方法，并能测试出隧道结构的受力情况。但该装置无法反映两条近距离平行隧道施工相互影响问题，且试验装置构造复杂，造价昂贵。再比如，中国专利号，CN 101858222A，专利名称：一种新建隧道零距离下穿既有地铁结构控制变形的方法，该方法在既有地铁隧道结构底板与新建隧道侧墙之间施加千斤顶，利用隧道开挖的时空效应，并预先施加顶力，使新建隧道地基土体固结沉降，从而减少后期土体沉降以实现控制既有地铁结构变形的目的。该方法效果明显，简单易行，但对施工环境要求较高。

鉴于近距离隧道施工相互影响的复杂性，迫切需要研制一种能够模拟并评价新隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种造价低，精度高，操作简单的试验装置，用于研究隧道开挖对既有近距离平行隧道的影响机理和定性评价。

本发明所要解决的技术问题就是提供一种模拟并评价隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置和方法。可以方便的模拟不同埋深，不同布置方式，不同间距，不同地层条件下近距离隧道施工相互影响，并测试既有隧道结构的变形情况；能很好的反映隧道开挖对既有隧道结构的影响过程和影响程度，实时反映隧道开挖过程中地表的变形，测试数据准确可靠，且操作方便，为研究近距离隧道施工相互影响机理提供可靠的试验平台。

本发明的技术解决方案是：

一种隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置，特点在于其构成包括：

模型箱，是一种无顶盖的卧式长方形箱体，该模型箱的两个端面板是可更换的，该端面板根据试验的需要加工有多个孔口，分别对应既有隧道孔口和多个设计的新开挖隧道孔口位置，模型箱供砂土装填；

模拟既有隧道的铁皮管和模拟新开挖隧道的PVC管；

一个移动式加载台架，一个加载千斤顶固定在所述的加载台架上，该移动式加载台架通过四根螺纹杆与所述的模型箱连接并确定二者之间的距离，所述的千斤顶的最大行程决定每个开挖步的最大进深距离；

测量管壁位移的管壁位移计、测量地表位移特性的地表位移计、测量管壁应变的应变片、静态应变仪和计算机；所述的管壁位移计安装在所述的既有隧道的铁皮管内，通过连杆与位于支座上的磁芯器接固定；所述的应变片贴设在所述的既有隧道的铁皮管的外壁上，所述的地表位移计设置在所述的模型箱内装填的砂土表面并位于模拟新开挖隧道的正上方，所述的管壁位移计、地表位移计和所述的应变片经数据线与所述的静态应变仪相连，该静态应变仪的输出端与所述的计算机相连。

所述的模型箱的外侧用六道槽钢加固。

所述的端面板为有机玻璃板。

利用上述的隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置的试验方法，包括下列步骤：

①将制备好的砂土分层装入所述的模型箱中，在所述的模型箱内对应于所述的端面板的既有隧道孔口位置埋设模拟既有隧道的铁皮管，并在铁皮管设计断面处粘贴所述的应变片，然后继续分层装填砂土，直至所述的铁皮管达到设计的埋深；

②将安装在连杆上的管壁位移计布设在铁皮管内的设计位置，通过磁芯器固定在支座上，以保障试验过程中所述的管壁位移计本身是固定的

③在所述的模型箱内砂土表面模拟新开挖隧道的正上方设置所述的地表位移计；

④将所述的管壁位移计、地表位移计和应变片用数据线与所述的静态应变仪相连，并将该应变仪的输出端与所述的计算机的输入端相连；

⑤用螺纹杆把所述的移动式加载台架和模型箱连在一起，对准新开挖隧道一个孔口位置，将所述的千斤顶固定在所述的移动式加载台架上；

⑥将所述的千斤顶回到零顶推位置，调节螺纹杆上螺帽的位置来调整并固定好所述的移动式加载台架的位置，使所述的模拟新开挖隧道用的PVC管平行于所述的模拟既有隧道的铁皮管，并将其安放在新开挖隧道的孔口和所述的千斤顶之间；

⑦顺时针旋转千斤顶上的手轮，将所述的PVC管从新开挖隧道的孔口匀速推入所述的模型箱内的土体中，直到推进距离等于所述的千斤顶的最大顶推距离，至此完成一个开挖步的模拟，同时所述的应变片、地表位移计和管壁位移计将测量数据通过数据线传送到所述的静态应变仪，该应变仪将有关数据传送的所述的计算机存储并进行数据处理；

⑧所述的重复上述步骤⑥～⑦，模拟隧道分步开挖过程，最后由所述的计算机输出数据处理结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明使用一种简单易行的顶推方法实现模拟隧道开挖对既有近距离平行隧道结构的影响。可反映隧道开挖对既有平行隧道的影响及周围土层和地表位移的变化情况。

(2)本发明创造性地使用卧式千斤顶提供顶推荷载，实现了在模型箱外部加载，成功的避免了加载装置自身对土体和既有隧道结构的影响。而且加载过程操作简单，加载位置可根据需要随时调整，加载速度可实时变化。

(3)将设计有不同间距，不同孔口布置方式的有机玻璃板固定在模型箱上，分别进行试验，即可实现布置方式，间距这两个重要因素对平行隧道间相互影响的试验模拟和评价。

(4)近距离隧道施工引起既有平行隧道的变形和位移可以实时记录并自动储存到计算机中，方便后期处理。

(5)该试验装置有良好的功能扩展性，可根据具体要求，模拟地表堆载，开挖卸载及动载荷等多种工程活动对既有隧道结构的影响。通过局部密封处理，还可实现因隧道开挖引起水位变化对既有隧道结构的影响的试验模拟与评价。

总之，本发明的试验装置可以模拟隧道结构在不同地层条件，不同布置方式和间距及不同施工活动下对既有隧道结构的影响，并测试出隧道结构的受力情况，为研究城市近距离平行地铁隧道施工相互影响提供了可靠的试验研究方法和评价标准，为工程设计和施工提供有价值的参考依据。

附图说明

图1本发明实施例中所用试验装置沿隧道纵向的正剖面示意图

图2本发明实施例中近距离平行隧道孔口布置示意图

图3既有隧道位移测试装置示意图

图4本发明一个实施例既有隧道结构位移监测断面布置图

图5实施例(隧道埋深为2D，D为隧道直径)既有隧道拱腰水平位移图

图6实施例(隧道埋深为2D，D为隧道直径)既有隧道拱顶竖向位移图

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1、2、3，由图可见，本发明隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置，其构成包括：

(1)模型箱1

开挖土层模拟的模型箱1由三块钢板和两块有机玻璃板组装成一个长方形模型箱，模型箱***设置槽钢加固板，使模型箱的钢板和有机玻璃板成为一体，承担土压力和试验过程中施加的各种外荷载，模型箱中土体顶面为自由面，可根据具体要求施加各种荷载组合。在模型箱的两块有机玻璃板上开孔以便预埋并沿既有隧道横向固定隧道结构，在与既有隧道孔口2近旁平行位置处预留多个新建隧道孔口位置3。通过更换不同孔口布置方式的有机玻璃板，实现平行隧道在不同布置方式下的试验研究。通过变化既有隧道拱顶覆盖土层的厚度，实现平行隧道在不同埋深下的试验研究；

(2)加载台架部分

用槽钢焊接一个移动式加载台架5，可根据有机玻璃板上孔口3的位置，将加载千斤顶6固定在所述的加载台架5上，并可根据隧道开挖步的需要，实时移动加载台架。将加载台架5通过螺纹杆10与装有试验土的模型箱1连接在一起，提供稳定的反力支撑，千斤顶6的最大行程决定每个开挖步的最大进深距离，通过调整加载台架5的位置实现长距离隧道的连续开挖过程的试验研究。

(3)隧道变形测试部分

既有隧道2的外壁上粘贴应变片9，既有隧道2结构内壁设计断面处布设位移计7测量管壁位移，并在地表与开挖面垂直的方向布置位移计8测量地表位移，记录多洞并行开挖时地表位移特性。所述的应变片9，位移计7和位移计8的输出端都与静态应变仪14相连，该应变仪14的输出端与计算机15相连，实现测试数据实时传输。

本发明的工作过程和工作原理是：

用一铁皮管模拟既有隧道结构，既有隧道结构纵轴向平行于地面，把既有隧道结构预埋在模型箱的预留孔口处，然后在该既有隧道2的左右近旁开挖新建隧道3(设计位置处)，通过固定在加载台架5上的卧式千斤顶6将一PVC管匀速从孔口3向模型箱1内推进，推进方向与既有隧道(铁皮管)纵向平行。推进过程中既有隧道2周围的土体一部分流入所述的PVC塑料管中，一部分土体因受到挤压作用向四周移动，引起土体扰动，进而引起既有隧道2的结构产生变形，影响隧道安全使用。通过变换千斤顶6的位置和顶推塑料管的位置，实现研究不同间距下隧道开挖对既有近距离平行隧道的影响；通过变化既有隧道拱顶覆盖土层的厚度，实现模拟不同埋深下平行隧道施工对既有隧道的影响。

如图1～3所示，本发明摸拟近距离盾构隧道施工相互影响的综合试验装置，其构成是：

土层模拟及反力加载装置，由三块钢板和两块有机玻璃板加工成一个长方形的模型土体箱1，土体箱的外侧设置六道加劲槽钢，以确保土体箱在试验过程中不致产生变形。在土体箱两块有机玻璃板上加工四个孔口，分别对应既有隧道结构2及与该既有隧道不同间距位置下新建隧道3；用于模拟隧道开挖用的PVC管4；施加推进荷载的加载台架5；加载用的卧式千斤顶6；测量管壁位移的位移计7；测量地表变形的位移计8；记录管壁应变的应变片9；将模型箱与加载台架连在一起的螺纹杆10；安装管壁位移计的连杆11；固定管壁位移计的磁芯器12和支座13；记录并转换各种测量数据的静态应变仪14；实时存储试验数据计算机15。

实施例的操作步骤如下：

(1)将制备好的砂土分层装填到模型箱1中，并在模型箱的预留孔口位置处埋设模拟既有隧道结构的铁皮管2，并在设计断面处粘贴应变片9，然后继续分层装填砂土，直至既有隧道的铁皮管2达到设计的埋深。

(2)将安装在连杆11上的管壁位移计7安放在铁皮管2内的设计位置处，并通过磁芯器12使其固定在支座13上，这样可保证试验过程中管壁位移计7本身是固定的。

(3)在地表沿与新开挖隧道纵向垂直的方向布置地表位移计8

(4)将应变片9、地表位移计8，管壁位移计7用数据线与静态应变仪14的测量通道相连，并将静态应变仪14与计算机15相连。

(5)用螺纹杆10把加载台架5和模型箱1连接起来，根据新建隧道的孔口3位置，将千斤顶6固定在加载台架5上；

(6)调节螺纹杆10上螺帽的位置来调整并固定好加载台架的位置，然后将模拟开挖用的PVC管安放在新建隧道3的孔口和千斤顶6之间的空间；

(7)顺时针旋转千斤顶6上的手轮，将PVC管4从新建隧道设计孔口3位置处匀速推入模型箱1内的土体中，直到推进距离等于千斤顶的最大顶推距离，至此完成一个开挖步的模拟，同时所述的应变片9、地表位移计8和管壁位移计7将记录的测量数据通过数据线线传送给所述的静态应变仪14，该应变仪14将有关数据送所述的计算机15存储并进行数据处理；

(8)重复步骤6-7，模拟隧道分步开挖过程。本次实施例中模拟5个开挖步，即PVC管共推进65cm，在实际应用中，可根据试验需要决定PVC管的实际推进距离。

实施例中，隧道开挖对既有隧道结构影响如图5～6所示。可以看出，隧道开挖对既有隧道结构的影响程度与隧道间距有密切的关系，当两隧道间净距在1D以内时，隧道开挖对既有隧道结构的影响比较突出，当两隧道间距大于2D时，隧道开挖对既有近距离平行隧道结构的影响则比较小。

在用推进PVC管模拟隧道开挖的过程中，隧道开挖会对周围砂土产生切削和挤压作用，其中一部分砂土会流入PVC管内，还有一部分砂土因受挤压作用会向四周运动，进而引起既有隧道结构产生变形和管壁位移，这种变形和位移可通过布置在既有隧道结构上的应变片和位移计实时测量并存储到计算机中，便于后续数据分析处理。可见本技术发明提供的试验装置和采用的试验方法能够很好的反应隧道开挖对既有隧道结构造成的影响。

Claims (4)

1.一种隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置，特征在于其构成包括：

模型箱(1)，是一种无顶盖的卧式长方形箱体，该模型箱(1)的一个端面板是可更换的，该端面板根据模拟的需要加工有多个孔口，分别对应既有隧道(2)孔口和多个设计的新开挖隧道(3)孔口位置，模型箱(1)供砂土装填；

模拟既有隧道(2)的铁皮管(4)和模拟新开挖隧道(3)的PVC塑料管；

一个移动式加载台架(5)，一个加载千斤顶(6)固定在所述的加载台架(5)上，该移动式加载台架(5)通过四根螺纹杆(10)与所述的模型箱(1)连接并确定二者之间的距离，所述的千斤顶(6)的最大行程决定每个开挖步的最大进深距离；

测量管壁位移的管壁位移计(7)、测量地表位移的地表位移计(8)、测量管壁应变的应变片(9)、静态应变仪(14)和计算机(15)；所述的管壁位移计(7)布设在所述的既有隧道(2)的铁皮管(4)内，通过连杆(11)与位于支座(13)上的磁芯器(12)连接固定；所述的应变片(9)贴设在所述的既有隧道(2)的铁皮管(4)的外壁上，所述的地表位移计(8)布置在所述的模型箱(1)内装填的砂土表面并位于模拟新开挖隧道(3)的正上方，所述的管壁位移计(7)、地表位移计(8)和所述的应变片(9)用数据线与所述的静态应变仪(14)相连，该应变仪(14)的输出端与所述的计算机(15)相连。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置，其特征在于所述的模型箱(1)的外侧用六道槽钢加固。

3.根据权利要求1所述的隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置，其特征在于所述的端面板为有机玻璃板。

4.利用权利要求1所述的隧道开挖对既有近距离平行隧道影响的试验装置的试验方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将制备好的砂土分层装入所述的模型箱(1)中，在所述的模型箱(1)内埋设模拟既有隧道(2)的铁皮管(4)，并在铁皮管(4)设计断面处粘贴所述的应变片(9)，然后继续分层装填砂土，直至所述的铁皮管(4)达到设计的埋深；

②将安装在连杆(11)上的管壁位移计(7)布设在铁皮管(4)内的设计位置，通过磁芯器(12)固定在支座(13)上，以保障试验过程中所述的管壁位移计(7)本身是固定的；

③在所述的模型箱(1)内砂土表面模拟新开挖隧道(3)的正上方设置所述的地表位移计(8)；

④将所述的管壁位移计(7)、地表位移计(8)和应变片(9)用数据线与所述的静态应变仪箱(14)相连，并将该静态应变仪(14)的输出端与所述的计算机(15)的输入端相连；

⑤用螺纹杆(10)把所述的移动式加载台架(5)和模型箱(1)连接在一起，对准新开挖隧道(3)一个孔口位置，将所述的千斤顶(6)固定在所述的移动式加载台架(5)上；

⑥将所述的千斤顶(6)回到零顶推位置，调节螺纹杆(10)上螺帽的位置来调整并固定好所述的移动式加载台架(5)的位置，使所述的模拟新开挖隧道用的PVC管平行于所述的模拟既有隧道(2)的铁皮管(4)安放在新开挖隧道的孔口(3)和所述的千斤顶(6)之间；

⑦顺时针旋转千斤顶(6)上的手轮，将所述的PVC管从新开挖隧道的孔口(3)匀速推入所述的模型箱(1)内，直到推进距离等于所述的千斤顶(6)的最大顶推距离，至此完成一个开挖步的模拟，同时所述的应变片(9)、地表位移计(8)和管壁位移计(7)将测量的数据通过数据线传送给所述的静态应变仪(14)，该静态应变仪(14)将有关数据送所述的计算机(15)存储并进行数据处理；

⑧所述的重复上述步骤⑥～⑦，模拟隧道分步开挖过程，最后由所述的计算机(15)输出数据处理结果。

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