CN110284530B - 结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置及应用，该装置包括模型箱、隧道模拟单元、基坑围护结构模拟单元、千斤顶加载单元和数据采集单元；隧道模拟单元具有多对可闭合隧道接口以及可通过可闭合隧道接口***模型箱内的预制隧道管，基坑围护结构模拟单元具有两个垂直于模型箱前后箱壁设置于模型箱内的基坑围护结构挡板，千斤顶加载装置可以在指定位置进行加载模拟地表超载情况，数据采集装置则可记录试验过程中采集到的监测数据。与现有技术相比，本发明除了可以模拟一般的基坑和隧道工程外，还可以模拟左右平行隧道、上下平行隧道、平行基坑以及隧道基坑相互影响等多种复杂工况，提高了模型箱的利用率，节约了试验成本。

Description

结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置及应用

技术领域

本发明属于隧道及地下工程施工试验技术领域，尤其是涉及一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置及应用。

背景技术

随着城市中地铁及各类地下工程建设需求的增多，出现了越来越多近接交叉的隧道施工工况。由于环境限制及设计规划的影响，新建隧道和既有隧道、甚至不同新建隧道之间的距离都越来越近。这无疑使得工程整体趋于复杂，并大大增加了施工难度和风险。因此，对各类近接隧道的受力及变形特征进行研究具有重要意义。

目前，采用室内模型试验的方法去模拟复杂的实际工程问题是岩土工程领域广泛应用的研究方法。而关于模拟各类隧道施工方法开挖的试验已经很多，功能各异的模型箱也层出不穷。通常模型箱的基本功能大都是在模拟的地层条件中按比例设置隧道结构，然后类比施工工况进行开挖，并观察这一过程中的结构受力、变形及周边土体变形等情况。

但是，目前模拟隧道开挖的各类试验箱中的隧道尺寸及位置大多是固定的，并且可模拟的施工方法较为单一，或为明挖基坑，或为暗挖隧道，极少同时考虑二者。可见，传统的模型试验箱适用范围有很大的局限，难以有针对性地模拟当前城市中越来越多的不同尺寸规格的近接明暗挖隧道。因此，很有必要开发一种可以同时考虑明挖基坑与暗挖隧道且能够快速方便地调节二者尺寸的模型试验装置，以最大程度上满足在室内简便快捷地模拟实际工程中不同隧道尺寸及间距的需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装式模型试验箱装置，包括：

模型箱，具有长方体形钢框架以及设置于钢框架底部和四周的箱壁，钢框架的顶部向上延伸形成行车梁，

隧道模拟单元，具有多对分别设置于模型箱前后箱壁相对位置处的可闭合隧道接口以及可通过任一对可闭合隧道接口***模型箱内且两端被可闭合隧道接口锁定的至少一个预制隧道管(用以在试验中模拟隧道衬砌结构)，多对可闭合隧道接口呈阵列状排列，

基坑围护结构模拟单元，可选择地设置于模型箱内，具有两个垂直于模型箱前后箱壁设置于模型箱内的基坑围护结构挡板，所述的基坑围护结构挡板的顶部两端可与模型箱前后箱壁顶部滑动连接，

千斤顶加载单元，由活动设置于行车梁上并可在水平方向移动的千斤顶本体以及与千斤顶本体连接的加载控制装置组成，

数据采集单元，包括数据采集装置，用于采集试验过程中监测得到的包括结构应力、应变及土压力在内的数据。

本发明在试验时通过控制装置控制千斤顶本体沿水平纵向或横向移动至指定位置施加荷载，可模拟地面堆载、重型车辆行驶等地表超载等情况。

优选地，基坑围护结构模拟单元，设置于隧道模拟单元的左侧或右侧，所述的基坑围护结构挡板通过与模型箱前后箱壁顶部滑动连接，用于两个基坑围护结构挡板之间以及基坑围护结构模拟单元和隧道模拟单元之间的距离的调节。

优选地：

设置于钢框架四周的箱壁采用有机玻璃面板，并在表面标有刻度线，且左右箱壁均为可拆卸侧板，前后箱壁的顶部设有滑槽，用于基坑围护结构挡板的滑动；

设置于钢框架底部的箱壁为实心钢板。

优选地，所述的钢框架与玻璃面板之间的连接处以及可闭合隧道接口与有机玻璃面板之间的连接处均粘贴有密封橡胶垫，以保证防水效果。

优选地，所述的钢框架的底部设有带锁万向轮，用于在试验前将模型箱移动至试验区域。到达指定位置后扳下带锁万向轮的锁扣将所述模型箱固定在指定位置。

优选地，隧道模拟单元具有十对分别设置于模型箱前后箱壁相对位置处的可闭合隧道接口，排列成5行、2列的5×2阵列。

优选地，所述的可闭合隧道接口上设有光圈阀门、用于调节光圈阀门开关的调节开关以及用于将可闭合隧道接口固定在箱壁上的多个固定螺栓。

优选地，所述的预制隧道管由隧道管身和设置于隧道管身两端的不锈钢接头组成，所述的不锈钢接头上设有一圈凹槽，用于光圈阀门的锁定。

优选地，所述的隧道管身上布有多组与数据采集装置连接的隧道微型应变计及压力计。

优选地，所述的隧道管身由PVC材料制作而成。

优选地，所述的基坑围护结构挡板由竖置的主面板、设置于主面板顶部的不锈钢转轴以及分别设置于不锈钢转轴两端的两个滑栓，所述的滑栓可沿模型箱前后箱壁顶部滑动。

所述的滑槽上设有若干滑槽锁扣，用于滑栓的在滑槽上的锁定。

优选地，所述的基坑围护结构模拟单元还包括设置于两个基坑围护结构挡板内侧面的多个预留螺栓孔以及用于连接两个基坑围护结构挡板以模拟基坑内支撑的基坑支撑螺杆，所述的基坑支撑螺杆的两端分别与两个基坑围护结构挡板上的预留螺栓孔连接。

优选地，所述的预留螺栓孔为内螺纹孔。

优选地，所述的基坑支撑螺杆由伸缩螺杆和设置于伸缩螺杆两端的两个接头螺杆组成，两个接头螺杆用于与两个基坑围护结构挡板上的预留螺栓孔连接。

优选地，所述的主面板为铝制面板。

本发明还提供一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装式模型试验箱装置，其特征在于，两个基坑围护结构挡板的外侧面均设有多组挡板微型应变计及压力计，且两个基坑围护结构挡板的外侧面均布设有微型测斜管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的模型试验箱装置不仅可以进行一般的基坑和隧道工程的模拟，还可以进行左右平行隧道、上下平行隧道、平行基坑以及隧道基坑相互影响等多种复杂工况的模拟，试验操作方便、适用范围广。

2.本发明隧道及基坑的尺寸和间距可以自由调节组合，以适应对实际工程中不同情况进行室内模型试验的需求。例如采用伸缩螺杆模拟基坑内支撑，通过伸缩改变长度并与基坑围护结构挡板相连，可以满足不同形式、宽度的基坑开挖模型试验的要求。

3.本发明的微型应变计及压力计等监测元件都已预先布设在预制隧道管、基坑围护挡板等预制构件上，有利于试验过程中对监测元件的保护，同时也大大减少了试验现场布设监测元件的工作量，节约了试验操作时间。

附图说明

图1为本发明实施例1的模型试验箱装置的三维示意图；

图2为本发明实施例1的模型试验箱装置的主视图；

图3为本发明实施例1的模型试验箱装置的左视图；

图4为本发明实施例1的模型试验箱装置的俯视图；

图5为本发明实施例1的模型试验箱装置的A-A剖面图；

图6(a)为本发明实施例1的模型试验箱装置上的隧道接口示意图；

图6(b)为本发明实施例1的模型试验箱装置上的隧道接口完全关闭状态示意图；

图7(a)为本发明实施例1的模型试验箱装置中基坑围护结构挡板正面示意图；

图7(b)为本发明实施例1的模型试验箱装置中基坑围护结构挡板背面示意图；

图8为本发明实施例1的基坑支撑螺杆三维示意图；

图9为本发明实施例1的预制隧道管三维示意图。

图中，1为模型箱，2为钢框架，2-1为行车梁，3为带锁万向轮，4为滑槽，5为可拆卸侧板，6为可闭合隧道接口，7为预制隧道管，8为基坑围护结构挡板，9为千斤顶本体，10为加载控制装置，11为数据采集装置，12为滑槽锁扣，13为基坑支撑螺杆，6-1为光圈阀门，6-2为调节开关，6-3为固定螺栓，7-1为隧道管身，7-2为隧道微型应变计及压力计，7-3为不锈钢接头，8-1为主面板，8-2为预留螺栓孔，8-3为滑栓，8-4为不锈钢转轴，8-5为挡板微型应变计及压力计，8-6为微型测斜管，13-1为伸缩螺杆，13-2为接头螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1-5所示，本实施例公开一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，主要包括模型箱、隧道模拟单元、基坑围护结构模拟单元、千斤顶加载单元和数据采集单元，其中：

模型箱1箱身是一个长方体钢框架2，四周箱壁为高强度的透明有机玻璃面板，表面标记有刻度，左右两侧的玻璃面板为可拆卸侧板5，底板为实心钢板。钢框架2的前后两边在玻璃面板的顶部处设分别设有滑槽4，滑槽4上有若干滑槽锁扣12。钢框架2在玻璃面板以上还延伸出一定高度用作千斤顶加载单元的行车梁2-1。带锁万向轮3位于模型箱底部，可以360度旋转，用以在试验前将模型箱1推至指定试验区域，到达指定位置后扳下万向轮的锁扣将模型箱1固定在指定位置。

隧道模拟单元的可闭合隧道接口6位于前后箱壁的有机玻璃面板上且位置相互对应，水平上两个一组，竖向上自上而下均匀排布五组，即前后箱壁的有机玻璃面板上分别有十个可闭合隧道接口6，形成十对可闭合隧道接口6。预制隧道管7通过可闭合隧道接口6***模型箱1中，两端与可闭合隧道接口6连接锁紧，用以在试验中模拟隧道衬砌结构。

基坑围护结构模拟单元的基坑围护结构挡板8可沿滑槽4水平纵向(左右方向)自由滑动，滑动至指定位置后，可以通过滑槽锁扣12进行固定。试验中可采用两块基坑围护结构挡板8模拟基坑两侧的灌注桩、地下连续墙等围护结构。

千斤顶加载单元由千斤顶本体9和加载控制装置10组成，试验时通过加载控制装置10控制千斤顶本体9沿水平纵向或横向移动至指定位置施加荷载。

数据采集单元的数据采集装置11可将试验过程中监测得到的结构应力、应变及土压力等数据采集存储起来，用以在试验结束后进行分析处理。

如图6(a)、(b)所示，可闭合隧道接口6由光圈阀门6-1、调节开关6-2和固定螺栓6-3组成，光圈阀门6-1由一组重叠的光圈叶片组成，叶片组合后在中央形成一个近似的圆形孔，调节叶片就可以调整圆孔的大小(光圈阀门的开度)。本实施例中光圈阀门6-1可通过调节开关6-2控制自由开关。六个固定螺栓6-3则可将隧道接口6固定在前后箱壁的有机玻璃面板上。

如图7(a)、(b)所示，基坑围护结构挡板8由主面板8-1、预留螺栓孔8-2、滑栓8-3、不锈钢转轴8-4、挡板微型应变计及压力计8-5和微型测斜管8-6组成。其中，主面板8-1为铝制面板，可绕不锈钢转轴8-4自由转动；不锈钢转轴8-4两端设有滑栓8-3，可以搁置在滑槽4中以便基坑围护结构挡板8沿水平纵向自由滑动；预留螺栓孔8-2为内螺纹孔，布设在主面板8-1正面(两个基坑围护结构挡板8相对的一面)，挡板微型应变计及压力计8-5及微型测斜管8-6则布设在主面板8-1背面。

如图8所示，基坑支撑螺杆13可通过中间的伸缩螺杆13-1自由伸缩改变长度，两端有接头螺杆13-2与基坑围护结构挡板8的预留螺栓孔8-2连接。试验时可根据试验需要选用合适的基坑支撑螺杆13连接两侧基坑围护结构挡板8以模拟基坑内支撑。

如图9所示，预制隧道管7由隧道管身7-1、隧道微型应变计及压力计7-2和两端的不锈钢接头7-3组成。其中，隧道管身7-1由PVC材料制作而成，隧道管身7-1上布有隧道微型应变计及压力计7-2，用以监测试验过程中隧道管的结构应力及周围土压力变化情况；两端设有不锈钢接头7-3，接头上留有凹槽，供安装到模型箱上时与隧道接口6处的光圈阀门6-1连接锁紧用。

实施例2

将实施例1的装置用于某一软土地层中盾构隧道与明挖基坑近接平行施工的模型试验，具体步骤如下：

分析工程现场的实际情况，确定合适的尺寸相似比并配制好合适的土层模拟材料；

通过带锁万向轮3将模型箱1移动至指定试验区域并固定模型箱1位置，检查有机玻璃面板的箱壁与钢框架2的箱身之间连接是否密闭；

根据盾构隧道的埋深以及尺寸相似比选择适当高度的可闭合隧道接口6，再由盾构隧道直径及尺寸相似比选取直径大小合适的预制隧道管7从可闭合隧道接口6***模型箱1并固定锁紧，关闭其它隧道接口；

根据盾构隧道与明挖基坑之间的间距和尺寸相似比确定基坑位置及基坑宽度，将两块基坑围护结构挡板8沿滑槽4移动至指定位置并用滑槽锁扣12进行固定；

根据明挖基坑的实际支撑情况按刚度和相似比进行换算，在对应高度处采用适当数量的基坑支撑螺杆13连接上述两块基坑围护结构挡板8以模拟基坑内支撑；

先在预制隧道管7内部填充土层模拟材料，以保证在填充过程中预制隧道管7自身不会发生较大变形，然后再在模型箱1内填充土层模拟材料至有机玻璃面板顶部并将表面刮平，在土层模拟材料填充完后还需按照试验要求进行固结；

若有地表超载情况可通过控制装置10控制千斤顶加载装置9在地表指定位置根据相似比进行加载；

根据实际施工情况确定开挖顺序，并按照开挖顺序采用人工取土的方式对上述预制隧道管7及上述两块基坑围护结构挡板8内的土体进行开挖；

开挖过程中可通过有机玻璃面板表面的刻度大致测量地表沉降等土体变形指标，进一步地，可以采用激光测距仪器来较为精确地测量地表沉降；

隧道及基坑内的土体全部开挖完成后试验结束，打开模型箱1左右两侧的可拆卸面板5，快速地将模型箱1内的填土卸出，清理模型箱1并将其移动至合适位置存放；

提取数据采集装置11中记录的监测数据进行分析处理。

实施例3

将实施例1的装置用于某一软土地层中上下平行盾构隧道近接施工的模型试验，具体步骤如下：

分析工程现场的实际情况，确定合适的尺寸相似比并配制好合适的土层模拟材料；

通过带锁万向轮3将模型箱1移动至指定试验区域并固定模型箱1位置，检查有机玻璃面板的箱壁与钢框架2的箱身之间连接是否密闭；

根据上下平行盾构隧道的间距、埋深以及尺寸相似比选择适当高度、间距的上下两组可闭合隧道接口6，再由盾构隧道直径及尺寸相似比选取直径大小合适的预制隧道管7从可闭合隧道接口6***模型箱1并固定锁紧，关闭其它隧道接口；

先在预制隧道管7内部填充土层模拟材料，以保证在填充过程中预制隧道管7自身不会发生较大变形，然后再在模型箱1内填充土层模拟材料至有机玻璃面板顶部并将表面刮平，在土层模拟材料填充完后还需按照试验要求进行固结；

若有地表超载情况可通过加载控制装置10控制千斤顶加载装置在地表指定位置根据相似比进行加载；

根据上下平行盾构隧道实际施工情况确定开挖顺序，并按照开挖顺序采用人工取土的方式对上述预制隧道管7内的土体进行开挖；

开挖过程中可通过有机玻璃面板表面的刻度大致测量地表沉降等土体变形指标，进一步地，可以采用激光测距仪器来较为精确地测量地表沉降；

隧道内的土体全部开挖完成后试验结束，打开模型箱1左右两侧的可拆卸面板5，快速地将模型箱1内的填土卸出，清理模型箱1并将其移动至合适位置存放；

提取数据采集装置11中记录的监测数据进行分析处理。

实施例4

本实施例为某一软土地层中两个近接平行明挖基坑开挖的模型试验，具体步骤如下：

分析工程现场的实际情况，确定合适的尺寸相似比并配制好合适的土层模拟材料；

通过带锁万向轮3将模型箱1移动至指定试验区域并固定模型箱1位置，检查有机玻璃面板的箱壁与钢框架2的箱身之间连接是否密闭；

关闭所有隧道接口；

根据明挖基坑宽度、间距和尺寸相似比确定基坑宽度及基坑位置，还需保证基坑距模型箱1边缘的距离不宜过小，可先确定一个基坑的位置后再确定另一个基坑的位置，然后根据两个明挖基坑的位置各自将两块基坑围护结构挡板8沿滑槽4移动至指定位置并用滑槽锁扣12进行固定；

根据明挖基坑的实际支撑情况按刚度和相似比进行换算，在对应高度处采用适当数量的基坑支撑螺杆13连接上述两个明挖基坑各自的两块基坑围护结构挡板8以模拟基坑内支撑；

在模型箱1内填充土层模拟材料至有机玻璃面板顶部并将表面刮平，在土层模拟材料填充完后还需按照试验要求进行固结；

若有地表超载情况可通过加载控制装置10控制千斤顶加载装置在地表指定位置根据相似比进行加载；

根据两个近接平行明挖基坑开挖的实际施工情况确定开挖顺序，并按照开挖顺序采用人工取土的方式对上述两个明挖基坑各自的两块基坑围护结构挡板8内的土体进行开挖；

开挖过程中可通过有机玻璃面板表面的刻度大致测量地表沉降等土体变形指标，进一步地，可以采用激光测距仪器来较为精确地测量地表沉降；

明挖基坑内的土体全部开挖完成后试验结束，打开模型箱1左右两侧的可拆卸面板5，快速地将模型箱1内的填土卸出，清理模型箱1并将其移动至合适位置存放；

提取数据采集装置11中记录的监测数据进行分析处理。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，包括：

模型箱(1)，具有长方体形钢框架(2)以及设置于钢框架(2)底部和四周的箱壁，钢框架(2)的顶部向上延伸形成行车梁(2-1)，

隧道模拟单元，具有多对分别设置于模型箱(1)前后箱壁相对位置处的可闭合隧道接口(6)以及可通过任一对可闭合隧道接口(6)***模型箱(1)内且两端被可闭合隧道接口(6)锁定的至少一个预制隧道管(7)，多对可闭合隧道接口(6)呈阵列状排列，

基坑围护结构模拟单元，可选择地设置于模型箱内，具有两个垂直于模型箱(1)前后箱壁设置于模型箱(1)内的基坑围护结构挡板(8)，所述的基坑围护结构挡板(8)的顶部两端可与模型箱(1)前后箱壁顶部滑动连接，

千斤顶加载单元，由活动设置于行车梁(2-1)上并可在水平方向移动的千斤顶本体(9)以及与千斤顶本体(9)连接的加载控制装置(10)组成，

数据采集单元，包括数据采集装置(11)，用于采集试验过程中监测得到的包括结构应力、应变及土压力在内的数据。

2.根据权利要求1所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于：

设置于钢框架(2)四周的箱壁采用有机玻璃面板，并在表面标有刻度线，且左右箱壁均为可拆卸侧板(5)，前后箱壁的顶部设有滑槽(4)，用于基坑围护结构挡板(8)的滑动；

设置于钢框架(2)底部的箱壁为实心钢板。

3.根据权利要求1所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，所述的可闭合隧道接口(6)上设有光圈阀门(6-1)、用于调节光圈阀门(6-1)开关的调节开关(6-2)以及用于将可闭合隧道接口(6)固定在箱壁上的多个固定螺栓(6-3)。

4.根据权利要求3所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，所述的预制隧道管(7)由隧道管身(7-1)和设置于隧道管身(7-1)两端的不锈钢接头(7-3)组成，所述的不锈钢接头(7-3)上设有一圈凹槽，用于光圈阀门(6-1)的锁定。

5.根据权利要求4所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，所述的隧道管身(7-1)上布有多组与数据采集装置(11)连接的隧道微型应变计及压力计(7-2)。

6.根据权利要求1所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，所述的基坑围护结构挡板(8)由竖置的主面板(8-1)、设置于主面板(8-1)顶部的不锈钢转轴(8-4)以及分别设置于不锈钢转轴(8-4)两端的两个滑栓(8-3)，所述的滑栓(8-3)可沿模型箱(1)前后箱壁顶部滑动。

7.根据权利要求6所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，所述的基坑围护结构模拟单元还包括设置于两个基坑围护结构挡板(8)内侧面的多个预留螺栓孔(8-2)以及用于连接两个基坑围护结构挡板(8)以模拟基坑内支撑的基坑支撑螺杆(13)，所述的基坑支撑螺杆(13)的两端分别与两个基坑围护结构挡板(8)上的预留螺栓孔(8-2)连接。

8.根据权利要求7所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，所述的基坑支撑螺杆(13)由伸缩螺杆(13-1)和设置于伸缩螺杆(13-1)两端的两个接头螺杆(13-2)组成，两个接头螺杆(13-2)用于与两个基坑围护结构挡板(8)上的预留螺栓孔(8-2)连接。

9.根据权利要求7所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置，其特征在于，两个基坑围护结构挡板(8)的外侧面均设有多组挡板微型应变计及压力计(8-5)，且两个基坑围护结构挡板(8)的外侧面均布设有微型测斜管(8-6)。

10.如权利要求1～9任一所述的结合基坑与隧道的多功能组合拼装模型试验箱装置的应用，其特征在于，将其应用于软土地层中盾构隧道与明挖基坑近接平行施工的模型试验、软土地层中上下平行盾构隧道近接施工的模型试验以及软土地层中两个近接平行明挖基坑开挖的模型试验。

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