CN103514786A - 基于位移控制法的隧道施工对环境影响的模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于位移控制法的隧道施工对环境影响的模型试验方法，步骤如下：（1）针对模型试验采用的地层损失率，计算得到所需隧道变形装置长度和直径，隧道变形装置由内、外筒两部分组成，内筒模拟隧道设计尺寸，外筒模拟隧道开挖尺寸；（2）将内筒***外筒内部并封住它们之间空隙，然后将隧道变形装置固定安装到模型试验装置；（3）向模型试验装置中装填模型材料，安装模拟构筑物并最后安装测量仪器；（4）完成对测量仪器的校正和归零，抽出外筒进行试验，通过抽走外筒让模拟材料落入内外筒之间的空隙，模拟隧道施工造成的地层损失。该试验方法简单实用，成本低，易操作，适用于隧道施工对周边环境影响的试验研究。

Description

基于位移控制法的隧道施工对环境影响的模型试验方法

技术领域

本发明涉及一种隧道施工对环境影响的模型试验方法，具体地，涉及一种基于位移控制法的隧道施工模型试验方法。

背景技术

随着我国城市基础设施建设的飞速发展，隧道已经成为城市基础设施不可缺少的一部分，而且隧道线路越来越靠近各种构筑物，对周边环境产生不利影响的可能性越来越大。因此对隧道施工进行试验，尤其是模型试验的研究越来越多。

进行模型试验时，如果较好地反映由于隧道施工引起的沉降是一个关键点。由于隧道开挖施工方法的复杂性以及土体性质的不确定性等因素，直接复制实际隧道开挖过程的试验往往出现试验装置复杂、成本高、操作难，很难保证试验结果达到预期等问题。因此，在针对隧道施工的研究中引入了位移控制法（Displacement Control Method）。

位移控制法就是不考虑隧道施工的实际过程，直接在隧道边缘施加位移边界条件以模拟开挖过程的一种方法。由于隧道顶部收缩要大于隧道底部收缩，故位移控制法中的隧道收缩边界位移条件为非均匀收缩，顶部收缩最大，底部收缩为0，隧道开挖面以底部相切的“同底圆”方式收缩至设计尺寸，如图1所示，g代表最大地层位移损失，R代表隧道断面设计半径。

这种方法虽然不能模拟隧道各个施工环节，但意义明确且能够模拟任意给定的地层损失率，简单易行且容易控制，在研究隧道施工对环境影响中具有广泛的应用前景。但是隧道施工研究中对位移控制法的应用多见于有限元模拟等理论分析中，未见于应用于模型试验，对现有技术的文献检索尚未发现基于位移控制法的隧道施工模型试验的相关报道。

发明内容

针对现有技术中的空白，本发明的目的是提出了一种基于位移控制法的隧道施工对环境影响的室内模型试验方法，简单实用，大大提高隧道施工模型试验的效率和准确性。

本发明提出了一种基于位移控制法的隧道施工模型试验方法，具体步骤如下：

（1）针对模型试验采用的地层损失率，计算得到所需隧道变形装置长度和直径，隧道变形装置由内、外筒两部分组成，内筒模拟隧道设计尺寸，外筒模拟隧道开挖尺寸；

（2）将内筒***外筒内部并封住它们之间空隙，然后将隧道变形装置固定安装到模型试验装置上，同时准备好模型材料及模拟构筑物。

（3）向模型试验装置中装填模型材料，安装模拟构筑物并最后安装测量仪器。

（4）完成对测量仪器的校正和归零，抽出外筒进行试验，通过抽走外筒让模拟材料落入内外筒之间的空隙，模拟隧道施工造成的地层损失。

优选地，所述隧道变形装置由等长度的内筒和外筒两部分组成，内外筒的横截面形状包括但不限于圆形，内筒截面尺寸基于试验需要和工程实际直接确定，外筒截面尺寸由内筒截面尺寸和地层损失率确定，即外筒直径由下式算得：

$D=d\sqrt{1+\mathrm{\ϵ}}$

式中D为外筒直径，d为内筒直径，ε为地层损失率。

优选地，所述隧道变形装置的内筒***外筒长度等于模拟隧道施工长度，筒口安装密封装置，组合后固定安装在模型试验装置上。

优选地，所述隧道变形装置依靠抽出外筒实现隧道施工的模拟。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于位移控制法原理，可根据试验需要根据给定的地层损失率大小进行隧道变形装置的设计，进行任何地层损失率情况下的隧道施工模拟。

2、本发明中的试验装置简单实用，成本低，易操作，适用于所有类型隧道施工的模型试验。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为隧道开挖面以底部相切的“同底圆”方式收缩至设计尺寸示意图；

图2为本发明一实施例某隧道施工模型试验前隧道变形装置纵断面示意图；

图3为本发明一实施例某隧道施工模型试验中隧道变形装置纵断面示意图；

图4为本发明一实施例某隧道施工模型试验中隧道变形装置横截面变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例提供一种基于位移控制法的顶管隧道施工模型试验，模拟施工长度1400mm，模拟隧道设计直径141mm，地层损失率5%。本实施例具体步骤如下：

（1）针对模型试验采用的地层损失率，计算得到所需隧道变形装置长度和直径，具体如下：

隧道变形装置由内、外筒两部分组成，内筒模拟隧道设计尺寸，外筒模拟隧道开挖尺寸。内筒和外筒采用相同长度，基于试验需要和工程实际确定为1400mm。内筒直径基于试验需要和工程实际直接确定为141mm，外筒直径由下式算得：

$D=d\sqrt{1+\mathrm{\ϵ}}$

式中D为外筒直径，d为内筒直径，ε为地层损失率。解得外筒直径145mm。

（2）将内筒***外筒内部，并调整至内筒***长度等于模拟隧道施工长度，在筒口安装密封装置封住内、外筒之间的空隙，然后将组合好的内、外筒固定安装到模型试验装置（如模型箱）上，完成隧道变形装置的安装，如图2所示。同时准备好用于模拟地层的模型材料，并视试验需要制作模拟构筑物（如地面建筑物、土中桩基等）。

（3）向模型装置中装填模型材料，并视试验需要对模型材料进行后处理（如夯实、固结等）。视试验需要在模型材料装填中或装填后安装模拟构筑物，最后安装测量仪器。

（4）完成对测量仪器的校正和归零，抽出外筒进行试验。试验开始后，向一个方向抽动外筒，内、外筒之间原本的空隙暴露，模拟开挖后的地层损失。外筒外侧土层向此空隙收缩，进而对周边土层产生影响，模拟隧道开挖对周边环境的影响，如图3、图4。

本发明试验方法基于位移控制法原理，可根据试验需要根据给定的地层损失率大小进行隧道变形装置的设计，进行任何地层损失率情况下的隧道施工模拟。而且本发明中的试验装置简单实用，成本低，易操作，适用于所有类型隧道施工的模型试验。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于位移控制法的隧道施工对环境影响的模型试验方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

（1）针对模型试验采用的地层损失率，计算得到所需隧道变形装置长度和直径，隧道变形装置由内、外筒两部分组成，内筒模拟隧道设计尺寸，外筒模拟隧道开挖尺寸；

（2）将内筒***外筒内部并封住它们之间空隙，然后将隧道变形装置固定安装到模型试验装置上，同时准备好模型材料及模拟构筑物；

（3）向模型试验装置中装填模型材料，安装模拟构筑物并最后安装测量仪器；

（4）完成对测量仪器的校正和归零，抽出外筒进行试验，通过抽走外筒让模拟材料落入内外筒之间的空隙，模拟隧道施工造成的地层损失。

2.根据权利要求1所述的一种基于位移控制法的模型试验方法，其特征在于，所述隧道变形装置由等长度的内筒和外筒两部分组成，内筒截面尺寸基于试验需要和工程实际直接确定，外筒直径由内筒截面尺寸和地层损失率确定，即外筒直径由下式算得：

$D=d\sqrt{1+\mathrm{\ϵ}}$

式中D为外筒直径，d为内筒直径，ε为地层损失率。

3.根据权利要求1所述的一种基于位移控制法的模型试验方法，其特征在于，所述隧道变形装置的内筒***外筒内部，并调整至内筒***长度等于模拟隧道施工长度，在筒口安装密封装置封住内、外筒之间的空隙，然后将组合好的内、外筒固定安装到模型试验装置上，完成隧道变形装置的安装。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于位移控制法的模型试验方法，其特征在于，所述隧道变形装置依靠抽出外筒实现模拟隧道施工造成的地层损失，即试验开始后，向一个方向抽动外筒，内、外筒之间原本的空隙暴露，模拟开挖后的地层损失；外筒外侧土层向此空隙收缩，进而对周边土层产生影响，模拟隧道开挖对周边环境的影响。

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