CN110967252A - 模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置及其使用方法，既有模型隧道和新建模型隧道位于模型箱不同层面位置，新建模型隧道上设置有钢套筒，模型箱对应钢套筒的两端分别设置有推顶设备和拉拔设备，推顶设备和拉拔设备分别与钢套筒两端活动连接；模型隧道上固定设置有监测元件，监测元件与数据采集仪电连接。通过模型箱模拟新建隧道与既有隧道不同的相对位置以及不同的地层，通过钢套筒、推顶设备和拉拔设备控制新建模型隧道的动态施工过程，在模型土上放置砝码模拟不同的局部载荷。最后通过监测元件对模型隧道的变形、管片内力、土压力以及环缝张开量等数据进行采集，进而准确反映既有隧道和新建隧道的变形及力学特性。
Description
技术领域
本申请涉及隧道结构模型技术领域，具体涉及一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置及其使用方法。
背景技术
随着城市地铁网络分布的日益密集，将不可避免的会产生线路交叉问题，新建盾构隧道下穿既有盾构隧道的现象日趋常见。隧道穿越既有隧道施工有着间距小、施工难度大、相互作用大、施工风险大等三“大”一“小”的特点。盾构施工难免对周围土体产生扰动，使得应力场、位移场重新分布，造成既有地铁隧道发生变形及附加应力，而新建隧道应对既有隧道及围岩变形控制有着十分严格的要求。新建盾构隧道下穿既有盾构隧道需要在保证新建隧道自身安全的同时又要确保既有盾构隧道的运行安全，它已然成为下穿隧道工程中亟待解决的重要问题。
大量已运营的盾构隧道因多方面原而产生过量的沉降或不均匀变形，从而诱发渗水漏泥、结构局部脱落破坏、或内部结构发生纵向弯曲变形，对隧道的结构安全、列车的运营安全及舒适度都有一定的影响。过大的管片变形，则易导致纵向轨道高差过大，也使轨道的平整度超标，加剧轮的磨损。施工扰动、地层不均等是引起隧道变形过大的主要因素。盾构隧道管片结构试验研究主要以原型试验和相似模型试验为主。原型试验是最直接、最有效的试验手段，它能够真实反应管片受力变形情况；但是由于原型试验规模大，成本高，并需要大型配套设备加载，使得原型试验适用范围受到限制。模型试验是以相似理论为基础，可以模拟各种相对复杂的边界条件，能较全面而又形象地呈现工程结构与相关岩土体共同作用下的应力和变形机制、破坏机理等。长期以来，模型试验方法一直是研究解决大型复杂岩土与结构工程课题的重要手段。盾构隧道试验方案在设计理论基础的选用、隧道管片结构的选择、模型土材料的配制、加载方案及模拟工况的确定，以及边界条件的简化等诸多问题，是一复杂的***工程。
传统的盾构模型试验中，通常对地层进行简化，模型隧道大多置于同一种模型土体介质，并且没有考虑不同地层对盾构施工引起的影响；并且大多数的模型试验只考虑一种情况，很少考虑模拟两隧道不同的相对位置。而且，对于盾构施工动态模拟考虑较少。其次，大多数盾构隧道模型没有模拟实际隧道上管片形成的纵缝和环缝以及拼装方式，无法考虑或很难准确模拟隧道管片接头的影响，对隧道纵向性能的试验结果不准确。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，包括：模型箱，所述模型箱内设置有既有模型隧道和新建模型隧道，所述既有模型隧道和新建模型隧道位于所述模型箱不同层面位置；所述新建模型隧道上设置有钢套筒，所述钢套筒的直径大于所述新建模型隧道的直径，所述模型箱对应所述钢套筒的两端分别设置有推顶设备和拉拔设备，所述推顶设备和拉拔设备分别与所述钢套筒两端活动连接；所述模型隧道上固定设置有监测元件，所述监测元件与数据采集仪电连接。
采用上述实现方式，通过控制模型箱内新建隧道与既有隧道的位置，模拟不同类型的两隧道之间的相对关系，也可通过不同类型的模型土组合，模拟不同土层中新建隧道对既有隧道的影响。通过钢套筒、推顶设备和拉拔设备控制新建模型隧道的动态施工过程，在模型土上放置砝码模拟不同的局部载荷。最后通过监测元件对模型隧道的变形、管片内力、土压力以及环缝张开量等数据进行采集，进而准确反映既有隧道和新建隧道的变形及力学特性。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述推顶设备的活动端固定设置一钢板，所述钢板的面积大于所述钢套筒的横截面面积。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述模型箱为一个顶部开口的方形箱体，所述箱体的两个侧面为透明钢化玻璃，在任一侧所述钢化玻璃上设置有刻度尺；所述模型箱内设置一种或多种类型的模型土，所述既有模型隧道和新建模型隧道设置在所述模型土内，且不同类型的模型土沿着所述模型箱分别设置在所述既有模型隧道和新建模型隧道不同的位置。设置刻度尺可以实现对模型隧道位置以及两隧道间夹土厚度的控制，多种类型的模型土可以实现对隧道穿越不同地层的模拟。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述推顶设备包括第一移动台架，所述第一可移动台架与所述模型箱的一端活动连接，所述可移动台架上设置有千斤顶，所述钢板固定设置在所述千斤顶的伸缩端。将钢板与千斤顶的伸缩单固定连接，可以通过控制千斤顶实现将钢套筒打入模型箱的模型土内。第一台架通过四根螺纹杆与模型箱活动连接，可实现二者之间的距离的确定，所述的千斤顶设置在台架上，千斤顶的最大行程决定每个开挖步的最大进深距离。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述拉拔设备包括第二移动台架，所述第二移动台架与所述模型箱相对所述第一移动台架的一端活动连接，所述第二台架上固定设置有卷扬机。第二台架通过四根螺纹杆与模型箱活动连接，可实现二者之间的距离的确定。
结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述模型隧道包括模型衬砌环和模型螺栓，所述所述模型衬砌环包括封顶管片、邻接管片和标准管片，管片之间通过所述模型螺栓固定连接。模型衬砌环为直径200mm,长度40mm的多个圆环状短聚乙烯管组成，模型衬砌环包括一个封顶管片、两个邻接管片和三个标准管片共六个模型管片组成，所述模型螺栓为直径φ＝3mm，长度l＝16mm的尼龙66螺丝，每片管片四个端面中央各钻一个3mm的手孔通过模型螺栓与前后左右管片相连接，环向、纵向个各通过6根的所述模型螺栓将不同所述模型管片相连接。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述钢套筒对应所述拉拔设备的一端为刀口结构，且每1/4圆位置设置有拉孔，所述钢套筒通过所述拉孔与所述卷扬机的拉钩活动连接。在钢套筒进洞端头每1/4圆位置处打孔，用于后期与卷扬机拉钩连接，钢套筒由千斤顶加载进入预定位置模型土内，贯通后清理掉钢套筒内的渣土，将新建模型隧道管片模型放置在钢套筒内，然后由卷扬机将钢套筒拔出，新建隧道留置在模型土中，即模拟盾构施工。
结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述监测元件设置在模型隧道的拱顶、拱底和拱腰位置，所述监测元件与组成所述模型隧道的管片固定连接。将监测元件设置在模型隧道的多个位置，提高了监测数据的准确性。
第二方面,本申请实施例提供了一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置使用方法，采用第一方面或第一方面任一可能实现方式所述的装置，所述方法包括：在模型箱内设置既有模型隧道和模型土，使得所述既有模型隧道埋设在所述模型土内；通过推顶设备将钢套筒设置于所述模型土内，且使得所述钢套筒与所述既有模型隧道位于不同层面；将所述钢套筒里的模型土清理，并在所述钢套筒内设置新建模型隧道；所述新建模型隧道设置完毕后，通过拉拔设备将所述钢套筒拉出；在所述模型土顶部平铺木板，在所述木板上放置不同重量的砝码，用于模拟局部载荷；监测元件采集数据，并将采集的数据发送给数据采集仪；数据采集完毕后，对所述新建隧道和所述既有隧道相对位置进行调整,模拟两隧道不同的相对关系，重读上述测试步骤。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种模型箱的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种模型箱放置模型土的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种模型隧道的横截面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置使用方法流程示意图；
图1-5中，符号表示为：
1-模型箱，2-既有模型隧道，3-新建模型隧道，4-钢套筒，5-推顶设备，6-拉拔设备，7-模型土，8-刻度尺，9-角钢，10-方管钢，11-钢板，12-第一移动台架，13-千斤顶，14-螺纹杆，15-第二移动台架，16-卷扬机，17-模型螺栓，18-封顶管片，19-邻接管片，20-标准管片，21-监测元件。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
本申请实施例的测试装置与实际隧道原型的几何相似比、强度、应力、粘聚力、弹性模量相似比均为1:30，而容重相似比、泊松比、应变、摩擦角相似比均为1:1。可较好的模拟新建盾构隧道施工在不同地层或复合地层下、以及与既有盾构隧道不同的相对位置关系以及地表局部荷载等多种工况，对盾构隧道模型盾构隧道结构变形及力学特性的影响，为实际隧道工程提供可靠的数据支持。
图1为本申请实施例提供的为本申请实施例提供的一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置的结构示意图，参见图1，所述装置包括：模型箱1，所述模型箱1内设置有既有模型隧道2和新建模型隧道3，所述既有模型隧道2和新建模型隧道3位于所述模型箱1不同层面位置。所述新建模型隧道3上设置有钢套筒4，所述钢套筒4的直径大于所述新建模型隧道3的直径，所述模型箱1对应所述钢套筒4的两端分别设置有推顶设备5和拉拔设备6，所述推顶设备5和拉拔设备6分别与所述钢套筒4两端活动连接；所述模型隧道上固定设置有监测元件，所述监测元件与数据采集仪电连接。
参见图2，所述模型箱1为一个顶部开口的方形箱体，所述箱体的两个侧面为透明钢化玻璃，在任一侧所述钢化玻璃上设置有刻度尺。所述模型箱1内设置多种类型的模型土7，所述既有模型隧道2和新建模型隧道3设置在所述模型土7内，且不同类型的模型土7沿着所述模型箱1分别设置在所述既有模型隧道2和新建模型隧道3不同的位置。设置刻度尺可以实现对模型箱1内既有模型隧道2和新建模型隧道3的位置进行控制，参见图3，不同类型或多种类型的模型土7实现对不同地层或多种复合地层的模拟。
所述模型箱1包括一箱体框架，箱体框架由角钢9和方管钢10组成，所述模型箱1除设置钢化玻璃的另外两个侧面和底面设置防水竹胶板，所述钢化玻璃和防水竹胶板与所述箱体框架的接缝处设置填充玻璃胶。
一个示意性实施例，所述模型箱1长度和宽度为2米，高度为1.5米。所述箱体框架的侧面包括5根横向方管钢10和7根纵向方管钢10，横向的所述方管钢10之间距离为500-550mm,纵向的所述方管钢10之间距离为300-310mm。竖向的所述方管钢10距离所述模型箱11的上下底面300mm处焊接所述角钢9，所述角钢9用于将所述箱体框架的侧面纵向设置的方管钢1021连接在一起。
进一步参见图1，所述推顶设备5的活动端固定设置一钢板11，所述钢板11的面积大于所述钢套筒4的横截面面积。这样可以通过控制钢板11将刚套筒***到模型箱1中。
所述推顶设备5包括第一移动台架12，所述第一可移动台架与所述模型箱1的一端活动连接，所述可移动台架上设置有千斤顶13，所述钢板11固定设置在所述千斤顶13的伸缩端。将钢板11与千斤顶13的伸缩单固定连接，可以通过控制千斤顶13实现将钢套筒打入模型箱1的模型土7内。第一台架通过四根螺纹杆14与模型箱1活动连接，可实现二者之间的距离的确定，所述的千斤顶13设置在台架上，千斤顶13的最大行程决定每个开挖步的最大进深距离。
所述拉拔设备6包括第二移动台架15，所述第二移动台架15与所述模型箱1相对所述第一移动台架12的一端活动连接，所述第二台架上固定设置有卷扬机16。第二台架通过四根螺纹杆14与模型箱1活动连接，可实现二者之间的距离的确定。
进一步地，所述钢套筒4对应所述拉拔设备6的一端为刀口结构，且每1/4圆位置设置有拉孔，所述钢套筒4通过所述拉孔与所述卷扬机16的拉钩活动连接。在钢套筒4进洞端头每1/4圆位置处打孔，用于后期与卷扬机16拉钩连接，钢套筒4由千斤顶13加载进入预定位置模型土7内，贯通后清理掉钢套筒4内的渣土，将新建模型隧道3管片模型放置在钢套筒4内，然后由卷扬机16将钢套筒4拔出，新建管片留置在模型土7中，即模拟盾构施工。
根据相似比既有模型隧道2、新建模型隧道3选择外径200mm、厚度10mm的聚乙烯管作为隧道相似材料，尼龙66作为螺栓相似材料。参见图4，所述模型隧道包括模型衬砌环和模型螺栓17，所述模型衬砌环包括封顶管片18、邻接管片19和标准管片20，管片之间通过所述模型螺栓17固定连接。模型衬砌环为直径200mm,长度40mm的多个圆环状短聚乙烯管组成，模型衬砌环包括一个封顶管片18、两个邻接管片19和三个标准管片20共六个模型管片组成，所述模型螺栓17为直径φ＝3mm，长度l＝16mm的尼龙66螺丝，每片管片四个端面中央各钻一个3mm的手孔通过模型螺栓17与前后左右管片相连接，环向、纵向个各通过6根的所述模型螺栓17将不同所述模型管片相连接。
所述监测元件21设置在既有模型隧道2、新建模型隧道3的拱顶、拱底和拱腰位置件，所述监测元件21与组成所述既有模型隧道2、新建模型隧道3的管片固定连接。监测元件21分别采集模型隧道的变形、管片内力、土压力数据，数据采集仪将上述数据传输给上位机进行处理，获得隧道纵向变形及力学性状。将监测元件21设置在模型隧道的多个位置，提高了监测数据的准确性。
由上述实施例可知，本实施例提供了一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，通过控制模型箱1内既有模型隧道2和新建模型隧道3的位置来模拟两隧道不同相对位置关系；通过控制模型箱1内的模型土7的不同组合来模拟不同的地层。通过钢套筒4、推顶设备5和拉拔设备6控制新建模型隧道3的动态施工过程，在模型土7上放置砝码模拟不同的局部载荷。最后通过监测元件21对模型隧道的变形、管片内力、土压力以及环缝张开量等数据进行采集，进而准确反映既有隧道和新建隧道的变形及力学特性。
与上述实施例提供的一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置相对应，本申请还提供了一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置使用方法实施例。参见图5，所述方法包括：
S101，在模型箱内设置既有模型隧道和模型土，使得所述既有模型隧道埋设在所述模型土内。
本实施例中需要对不同类型的模型土进行组合设置，从而模拟不同地层或多种复合地层对新建盾构隧道施工对既有盾构隧道的影响。
S102，通过推顶设备将钢套筒设置于所述模型土内，且使得所述钢套筒与所述既有模型隧道位于不同层面。
S103，将所述钢套筒里的模型土清理，并在所述钢套筒内设置新建模型隧道。
S104，所述新建模型隧道设置完毕后，通过拉拔设备将所述钢套筒拉出。
S105，在所述模型土顶部平铺木板，在所述木板上放置不同重量的砝码，用于模拟局部载荷。
根据工况如果需要模拟局部荷载作用，则在模型土的顶部平铺一张木板，将砝码加载于木板之上，通过改变砝码数量来控制局部荷载大小。
S106，监测元件采集数据，并将采集的数据发送给数据采集仪。
本实施例中监测元件通过对模型隧道的变形、管片内力、土压力等数据进行采集，数据采集仪将获取到数据发送给上位机，进而准确反映隧道变形及力学性状。
S107，数据采集完毕后，对所述新建隧道和所述既有隧道相对位置进行调整,模拟两隧道不同的相对关系，重复上述测试步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (9)
1.一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，包括：模型箱，所述模型箱内设置有既有模型隧道和新建模型隧道，所述既有模型隧道和新建模型隧道位于所述模型箱不同层面位置；所述新建模型隧道上设置有钢套筒，所述钢套筒的直径大于所述新建模型隧道的直径，所述模型箱对应所述钢套筒的两端分别设置有推顶设备和拉拔设备，所述推顶设备和拉拔设备分别与所述钢套筒两端活动连接；所述模型隧道上固定设置有监测元件，所述监测元件与数据采集仪电连接。
2.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述推顶设备的活动端固定设置一钢板，所述钢板的面积大于所述钢套筒的横截面面积。
3.根据权利要求2所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述模型箱为一个顶部开口的方形箱体，所述箱体的两个侧面为透明钢化玻璃，在任一侧所述钢化玻璃上设置有刻度尺；所述模型箱内设置一种或多种类型的模型土，所述既有模型隧道和新建模型隧道设置在所述模型土内，且不同类型的模型土沿着所述模型箱分别设置在所述既有模型隧道和新建模型隧道不同的位置。
4.根据权利要求2所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述推顶设备包括第一移动台架，所述第一可移动台架与所述模型箱的一端活动连接，所述可移动台架上设置有千斤顶，所述钢板固定设置在所述千斤顶的伸缩端。
5.根据权利要求4所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述拉拔设备包括第二移动台架，所述第二移动台架与所述模型箱相对所述第一移动台架的一端活动连接，所述第二台架上固定设置有卷扬机。
6.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述模型隧道包括模型衬砌环和模型螺栓，所述所述模型衬砌环包括封顶管片、邻接管片和标准管片，管片之间通过所述模型螺栓固定连接。
7.根据权利要求5所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述钢套筒对应所述拉拔设备的一端为刀口结构，且每1/4圆位置设置有拉孔，所述钢套筒通过所述拉孔与所述卷扬机的拉钩活动连接。
8.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置，其特征在于，所述监测元件设置在模型隧道的拱顶、拱底和拱腰位置，所述监测元件与组成所述模型隧道的管片固定连接。
9.一种模拟盾构隧道施工对既有隧道影响的装置使用方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的装置，所述方法包括：
在模型箱内设置既有模型隧道和模型土，使得所述既有模型隧道埋设在所述模型土内；
通过推顶设备将钢套筒设置于所述模型土内，且使得所述钢套筒与所述既有模型隧道位于不同层面；
将所述钢套筒里的模型土清理，并在所述钢套筒内设置新建模型隧道；
所述新建模型隧道设置完毕后，通过拉拔设备将所述钢套筒拉出；
在所述模型土顶部平铺木板，在所述木板上放置不同重量的砝码，用于模拟局部载荷；
监测元件采集数据，并将采集的数据发送给数据采集仪；
数据采集完毕后，对所述新建隧道和所述既有隧道相对位置进行调整,模拟两隧道不同的相对关系，重读上述测试步骤。
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