CN112229981A - 一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，该装置主要包括模型箱、隧道结构***、地下水控制***、基坑结构***和测量***：布置基坑结构及隧道结构，利用砂性土模拟承压水层，其承压水头由地下水控制***模拟，结合测量***实时采集试验过程中的各种数据。通过该体系，可以模拟基坑开挖及减压降水的耦合效应对近接隧道的影响，研究基坑多梯次减压降水对区域渗流场的影响，进行隧道或基坑局部渗漏对结构安全影响的评价等。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑、隧道及地下空间工程、环境工程领域，具体涉及一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置。
背景技术
我国沿江沿海地区多为经济发达区域，城市交通***飞速发展，而地上空间不能满***通线路拓展的问题愈发凸显，开发地下空间已经成为该区域城市发展的必然趋势。近年来，沿江沿海地区基坑工程呈现“深、大、近、紧”的特点，基坑开挖对周边环境的影响越来越复杂。沿江沿海地区地下水位高，多为沉积河漫滩淤泥质土和粘性土，地层复杂多变，常含有一个浅水层和多个承压含水层。在此区域进行深基坑开挖，常常需要对承压含水层进行减压降水，基坑开挖及减压降水的耦合效应势必引起周围土层的变形，影响已有隧道的长期运营安全。因此，如何评价开挖及减压降水的耦合效应，对确保基坑工程施工安全与已有近接隧道的长期运营安全具有重要意义。
经过对技术文献检索发现，国内外对基坑降水或基坑开挖对近接隧道的影响已进行了大量研究，开发了多种水箱、土箱等模拟设备，对基坑开挖或者基坑减压降水引起的地面沉降环境问题、已有构筑物变形控制问题及污染物运移等问题开展了物理模拟试验，但这些模型设备多为未区分承压含水层和隔水层的地下水一维或二维流模拟，或多为仅有基坑或者隧道等单一地下结构物的模拟。例如，中国专利文献号CN110221042A记载了一种模拟基坑开挖应力场与地下渗流场耦合效应的装置，但该装置的侧向水源补给条件不能满足针对承压水层的水头控制，且该装置未考虑布设柔性隧道结构，故无法模拟基坑开挖及减压降水耦合效应对隧道的影响。鉴于上述原因，迫切需要研发一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，以对该类工程问题开展进一步探索。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，采用该装置和方法能够模拟基坑开挖及多梯次减压降水产生的应力场与渗流场耦合效应对近接隧道的影响，解决现有的试验装置不能很好地模拟基坑开挖及多梯次减压降水对已有隧道综合影响的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，包括模型箱、隧道结构***、地下水控制***、基坑结构***和测量***；
所述模型箱内间隔设置砂性土层与粘性土层，其中砂性土层模拟承压含水层，粘性土层模拟相对隔水层；
所述隧道结构***和基坑结构***根据相对位置、埋置深度（开挖深度）及围护形式等相应地布设在土层中；
所述地下水控制***通过调整环状水管的位置及供水水头大小来控制不同含水层水头大小；还包括降水井和回灌井，所述降水井和回灌井按照模拟工况布置在相应区域；
所述测量***包括测试元件和数据采集***，所述测试元件设置于隧道结构***、基坑结构***、地下水控制***及土层内部，实时监测各部分的动态变化并将数据传输给数据采集***。
进一步的，在本发明中，模型箱四面布设侧壁孔，该孔洞与外部水管联通，以模拟不同的地下水补给条件，闲置孔洞可作为水压力监测点。同时，在模型箱前后两面划分一个由多块面积相同的有机玻璃拼接的隧道结构布置区域，此区域有机玻璃上的侧壁孔布置统一于模型箱其它区域，具有已凿出隧道断面的有机玻璃块可以在不同工况中重复利用。
进一步的，在本发明中，所述隧道结构***为多段隧道模型通过柔性橡胶环连接形成，以模拟隧道变形缝两侧差异变形。每个隧道模型由微粒混凝土制作且为例混凝土内设置有双层镀锌铁丝网，可根据需要在隧道模型特定位置处设置渗漏区，以模拟隧道渗流对渗流场的影响。此外，隧道断面形式、大小及是否为立交隧道均可根据模拟工况进行布置。
进一步的，在本发明中，所述基坑结构***中的围护墙体为内置双层镀锌铁丝网的微粒混凝土制作，二级止水墙由素微粒混凝土制作，腰梁及支撑由木制框架制作，与地连墙结构一同埋入土体内。围护墙及二级止水墙埋深、围护墙与二级止水墙间距、基坑支护形式等根据模拟工况进行布置。此外，可根据需要在围护墙特定位置处设置渗漏区，以模拟围护墙渗漏对基坑降水的影响。
进一步的，在本发明中，所述地下水控制***包括环状水管、水头控制水箱、增压泵、流量表、压力表及降水井和回灌井组成。环状水管内侧布设水管与模型箱上侧壁孔连接，环状水管与所有同一高度上的模型箱侧壁孔均通过该水管连接，连接水管迎土侧包裹不锈钢滤网。水头控制水箱可升降高度，通过水管与环状水管外侧进水口连接，相连的水管上设置有流量表和压力表；若仅采用抬升水头控制水箱无法满足供水水压的要求，可联合增压泵联合供水，通过压力表动态调整增压泵功率。
进一步的，在本发明中，所述降水井及回灌井采用PVC管，在对应过滤区钻打过滤孔，并在滤孔外用铁丝网包扎土工布形成滤网，管底采用橡胶塞封堵；在基坑降水过程中，通过调整水头控制箱的高度，使得模型边界水头大小、进水处流量表读数及降水井流量表读数稳定，即表明模型成形成了稳定的渗流场。
进一步的，在本发明中，所述测试元件包括微型位移计、渗压计、土压计、测压管、电阻率探测针和应变片。所述微型位移计、渗压计、土压计、测压管及电阻率探测针均埋设在土中不同位置处；应变片粘附在隧道结构***和基坑结构***的不同位置处。所述数据采集***主要为自动化数据采集仪器和自动电阻率测试仪，所述的微型位移计、渗压计、土压计、测压管和应变片分别通过导线与自动化数据采集仪器连接，所述的电阻率探测针通过导线与自动电阻率测试仪相连。通过多种测试元件配合及自动化数据采集，可对模型箱内进行实时动态监测。
本发明的有益效果是：
本发明试验装置解决了长期存在的基坑开挖及降水对隧道综合作用难模拟的问题，通过任意调节承压水头控制水箱的箱体高度及多级调节环状水管位置，可以模拟各种水流压力条件；通过围护墙及二级止水墙埋深、围护墙与二级止水墙间距，可实现基坑多梯次减压降水的模拟；通过替换隧道区域的有机玻璃，可实现不同隧道断面形式、断面大小及埋置深度的模拟。该装置对于研究基坑开挖及减压降水耦合作用对近接隧道工程的影响、基坑多梯次减压降水对区域渗流场的影响及隧道（基坑）局部渗漏对隧道（基坑）结构安全影响的评价等具有实际意义。整个试验装置模块化设计程度高、可控性强、功能丰富，可模拟多种工况条件，易于操作使用。
附图说明
图1为本发明模型箱的三维示意图；
图2为本发明模型箱的俯视图；
图3为本发明模型箱的纵剖面示意图；
图4为本发明模型的隧道区域示意图；
图5为本发明隧道区域有机玻璃拼接槽钢断面示意图；
图6为本发明模型的隧道结构示意图。
附图标记列表：
1为模型箱；2为隧道结构；3为基坑围护墙结构；4为二级止水墙结构；5为降水井；6为回灌井；7为环状水管；8为供水阀；9为流量表；10为压力表；11水头控制供水箱；12为连接水管；13为模型箱侧壁孔；14为隧道区域有机玻璃；15为柔性橡胶环；16为承压水层；17为隔水层；18为微型位移计；19为渗压计；20为应变片；21为测压管；22为土压计；23为电阻率探测针；24为导线；25为DataTaker自动数据采集仪；26为自动电阻率测试仪；27为工字槽钢；28为双槽滑轨；29为隧道渗漏区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图所示，本发明所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，模型箱与隧道结构***、地下水控制***、基坑结构***和测量***五个模块有机组合，实现基坑开挖及多梯次减压降水对已有隧道综合影响的模拟：模型箱为各模块的载体；隧道结构***和基坑结构***根据相对位置、埋置深度（开挖深度）及围护形式等相应地布设在土层中；通过调整砂性土的厚度、分布，以及控制地下水控制***中环状水管的位置、供水水头大小及抽（降）水量来控制土体内各处水头分布；测量***完成试验过程中水位、结构受力、变形等的动态测试。
如图1所示，所述模型箱1采用有机玻璃制作成长方体，且长方体的尺寸长宽高为3.5mⅹ3.5mⅹ2m；模型箱侧壁开设侧壁孔13，孔径2cm，布置横纵间距为20cmⅹ20cm；这些模型箱侧壁孔13可与连接水管12连接作为外部水源进入通道，也可外接竖向水管量测该处水头，也可作为导线出口，闲置时可用橡胶塞密封。
可根据模拟需要在模型箱1内部从上而下分层铺设粘性土（相对隔水层17）、砂性土（承压含水层16）、粘性土（相对隔水层17）、砂性土（承压含水层16）和粘性土（相对隔水层17）五层土体；每层土体厚度可根绝模拟工况进行调整，但需要保证每层土厚度范围内有模型箱侧壁孔13，用于后期地下水控制***控制每一层土体水头压力。
在模型箱1前后两面对称设置一个1.4mⅹ1.4m的隧道结构布置区域，该区域由16块面积为34ⅹ34cm的有机玻璃14拼接；隧道区域有机玻璃14水平向接缝由双槽滑轨28搭接，并通过密封胶防止渗漏水；隧道区域有机玻璃14竖向接缝由工字槽钢27搭界，并通过密封胶防止渗漏水；隧道区域有机玻璃14上的侧壁孔布置统一于模型箱其它区域，并根据隧道断面形式、断面大小及埋置深度，选取相应位置处的有机玻璃14凿出隧道断面，所述隧道结构2设置在两个隧道断面之间。
所述隧道结构2为多段隧道模型通过柔性橡胶环15连接形成，每个隧道模型由微粒混凝土制作且微粒混凝土内设置有双层镀锌铁丝网；隧道断面形式、断面大小、埋深、隧道线形及是否为多层立交隧道均可以根据模拟工况进行调整；可以根据需要，在隧道结构2特定部位设置渗漏区29，以模拟隧道渗漏情况；在隧道结构2的内壁顶部、侧壁、底部不同位置处粘贴应变片20，其导线通过模型箱侧壁孔13引至自动数据采集仪。
所述基坑结构***中的围护墙体3为内置双层镀锌铁丝网的微粒混凝土制作，二级止水墙4由素微粒混凝土制作，腰梁及支撑由木制框架制作，与围护墙体3一同埋入土体内。围护墙3及二级止水墙4埋深、两墙间距、基坑支护形式等根据模拟工况进行布置；此外，可根据需要在围护墙3特定位置处设置渗漏区，以模拟围护墙3渗漏对基坑降水的影响。
所述地下水控制***包括环状水管7、承压水头控制水箱11、流量表9、压力表10、降水井5和回灌井6组成。每一层土体对应一个环状水管7，该管由PVC管制作，在拐角处采用弯曲双通管连接；若模拟工况中四面水力边界条件相同，每个环状水管7通过一个进水口与承压水头控制箱11；若模拟工况中四面水利条件不同，则封堵弯曲双通管，切断环状水管7四段水管的水利联系，使每个边界单独由一个承压水头控制箱11控制；环状水管7内侧布设直径为2cm的连接水管13与模型箱侧壁孔13连接，环状水管7与所有同一高度上的模型箱壁孔13均通过连接水管12连接，连接水管12迎土侧包裹不锈钢滤网。
所述承压水头控制水箱11可升降高度，高度控制精度为mm级别；通过水管与环状水管7外侧进水口连接，相连的水管上设置有流量表9和压力表10，方便对进水量及压力进行记录；若仅采用抬升承压水头控制水箱无法满足供水水压的要求，可联合增压泵联合供水，通过压力表10动态调整增压泵功率。
所述降水井5和回灌井6均由空心PVC管制作，深度及位置按照模拟工况予以确定；降水井5和回灌井6底端均进行封堵，降水井5从底端往上200mm范围内作为过滤段，回灌井6从底端往上2/3管长范围内作为过滤段；在过滤段内按照横纵间距5mm的间距布设直径2mm的过滤孔，并在过滤段范围内用铁丝网包扎土工布形成滤网。
如图3所示，所述测量***包括测试元件和数据采集***，所述测试元件实时监测模型箱1内的动态变化并将数据传输给数据采集***；所述测试元件包括微型位移计18、渗压计19、土压计22、测压管21、电阻率探测针23和应变片20。所述微型位移计18、渗压计19、土压计22、测压管21及电阻率探测针23均埋设在土中不同位置处；应变片20粘附在隧道结构2和基坑结构***的不同位置处。所述数据采集***主要为DataTaker自动化数据采集仪器25和自动电阻率测试仪26，所述的微型位移计18、渗压计19、土压计22、测压管21和应变片20分别通过导线24与DataTaker自动化数据采集仪器连接25，所述的电阻率探测针23通过导线24与自动电阻率测试仪26相连。
上述各种测试元件的具体作用如下：微型位移计18可以测量出土体不同位置处的变形；渗压计19可以通过换算给出水位变化；土压计22可以测量出不同位置处的土压力；测压管21可以测量出承压水层的水头变化；应变片20可以给出隧道结构测量点的应变。
本装置的使用方法包括以下步骤：
1、试验准备阶段：分层铺设粘性土层和砂性土层，其厚度按照模拟工况进行设定，并将隧道结构与基坑结构按照模拟工况中的位置要求置于土体中，同时将微型位移计18、渗压计19、土压计22、测压管21、应变片20、降水井5和回灌井6埋设在设计位置处，测试元件的导线24通过模型箱侧壁孔13集中引出模型箱1，与自动化数据采集仪25连接。所有土层铺设完成及测试元件布设完成后，打开供水阀8向模型向内供水。当土层表面有水渗出，且关闭供水阀8后模型边界水头稳定时，使土体进行自重固结。
2、试验开展阶段：固结完成后，对测试元件的各测试参数进行初值的读取记录，然后按照模拟工况进行基坑开挖前预降水。当水位降深达到要求，且模型边界水头大小、进水处流量表读数及降水井流量表读数稳定，即表明模型成形成了稳定的渗流场，此后可以开始基坑的第一层开挖。此装置除了可以用于研究基坑开挖及减压降水的耦合效应对近接隧道的影响，还可以设计不同的试验研究内容，例如：基坑多梯次减压降水对区域渗流场的影响及隧道（基坑）局部渗漏对隧道（基坑）结构安全影响的评价等。鉴于本装置的多功能性，每项研究内容均可以设计多种试验工况。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (10)
1.一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：包括模型箱、隧道结构***、地下水控制***、基坑结构***和测量***；
所述模型箱内间隔设置砂性土层与粘性土层，其中砂性土层模拟承压含水层，粘性土层模拟相对隔水层；
所述隧道结构***和基坑结构***根据相对位置、埋置深度及围护形式相应地布设在土层中；
所述地下水控制***通过调整环状水管的位置及供水水头大小来控制不同含水层水头大小，通过降水井和回灌井完成基坑施工过程中的地下水位控制；降水井和回灌井按照模拟工况布置在土层相应区域；
所述测量***包括测试元件和数据采集***，所述测试元件设置于隧道结构***、基坑结构***、地下水控制***及土层内部，实时监测各部分的动态变化并将数据传输给数据采集***。
2.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：模型箱四面布设侧壁孔，该孔洞部分与外部环状水管联通，模拟不同的地下水补给条件，另一部分侧壁孔作为水压力监测点。
3.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：在模型箱前后两面对称设置一个隧道结构布置区域，该区域由多块面积相同的有机玻璃拼接，该区域所有水平向接缝均由双槽滑轨搭接，有机玻璃与双槽滑轨通过密封胶连接；该区域所有竖向接缝通过工字槽钢与密封胶连接，所述隧道结构***设置在前后两区域之间。
4.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：所述隧道结构***为多段隧道模型柔性连接形成，每个隧道模型由微粒混凝土制作且微粒混凝土内设置有双层镀锌铁丝网，每段隧道之间通过柔性橡胶环连接，在隧道结构特定位置设置渗漏区，在隧道结构的内壁顶部、侧壁、底部不同位置处粘贴应变片，其导线通过模型箱侧壁孔引至自动数据采集仪。
5.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：所述基坑结构***中的地下连续墙由微粒混凝土制作且微粒混凝土内设置有双层镀锌铁丝网；二级素性止水墙由素微粒混凝土制作；腰梁及支撑由木制框架制作，与地连墙结构一同埋入土体内。
6.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：所述地下水控制***包括环状水管、水头控制水箱、增压泵、流量表、压力表、降水井及回灌井，所述环状水管内侧布设连接水管与模型箱上侧壁孔连接，连接水管迎土侧包裹不锈钢滤网。
7.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：所述测试元件包括微型位移计、渗压计、土压计、测压管、电阻率探测针和应变片，所述微型位移计、渗压计、土压计、测压管及电阻率探测针均埋设在土中不同位置处；应变片粘附在隧道结构***和基坑结构***的不同位置处，所述数据采集***包括自动化数据采集仪器和自动电阻率测试仪，所述的微型位移计、渗压计、土压计、测压管和应变片分别通过导线与自动化数据采集仪器连接，所述的电阻率探测针通过导线与自动电阻率测试仪相连。
8.如权利要求6所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：所述水头控制水箱的特点是可升降高度，通过水管与环状水管外侧进水口连接，相连的水管上设置有流量表和压力表；若仅采用抬升水头控制水箱无法满足供水水压的要求，需要联合增压泵联合供水，通过压力表动态调整增压泵功率。
9.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置，其特征在于：所述降水井和回灌井均由空心PVC管制作，降水井和回灌井底端封堵，降水井从底端往上200mm范围内作为过滤段，回灌井从底端往上2/3管长范围内作为过滤段；在过滤段内按照横纵间距5mm的间距布设直径2mm的过滤孔，并在过滤段范围内用铁丝网包扎土工布形成滤网。
10.如权利要求1所述的一种模拟基坑开挖及多梯次降水对隧道综合影响的装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、试验准备阶段：在模型箱内分层铺设粘性土层和砂性土层，将隧道结构与基坑结构按照模拟工况中的位置要求置于土体中，同时将微型位移计、渗压计、土压计、测压管、应变片、降水井和回灌井埋设在设计位置处，测试元件的导线通过模型箱侧壁孔集中引出模型箱，与自动化数据采集仪连接，所有土层铺设完成及测试元件布设完成后，打开供水阀向模型向内供水，当土层表面有水渗出，且关闭供水阀后模型边界水头稳定时，使土体进行自重固结；
（2）、试验开展阶段：固结完成后，对测试元件的各测试参数进行初值的读取记录，然后按照模拟工况进行基坑开挖前预降水，当水位降深达到要求，且模型边界水头大小、进水处流量表读数及降水井流量表读数稳定，即表明模型成形成了稳定的渗流场，此后开始基坑的第一层开挖，此装置还能够进行下列试验研究内容：
基坑多梯次减压降水对区域渗流场的影响；
隧道或基坑局部渗漏对结构安全影响的评价。
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