CN114277859B - 一种用于模拟非对称基坑开挖对临近既有隧道影响的装置和方法 - Google Patents
一种用于模拟非对称基坑开挖对临近既有隧道影响的装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟非对称基坑开挖对临近既有隧道影响的装置和方法，包括模型箱、既有隧道、地下连续墙、锚索、桩基础、基坑底板、加载砝码、拉线式位移计、橡胶棒、应变片、和微型土压力计。本发明结合非对称荷载，可开展基坑开挖卸载－再加载的全周期过程模型试验，研究非对称荷载下临近既有隧道的变形规律；本发明考虑桩‑土‑隧道三者耦合作用，全面分析逐级荷载作用下，既有隧道位移、变形、受力及周围土体的变化；本发明对比了对称和非对称基坑开挖对既有隧道的影响，提高了试验结果的准确性和可信度；本发明考虑双隧道并行结构，加快试验进度，节省试验成本；为实际工程的开挖和加固方案提供参考。
Description
技术领域
本发明是涉及地下工程开挖领域，特别是涉及一种用于模拟非对称基坑开挖对临近既有隧道影响的装置和方法。
背景技术
随着城市地铁隧道的建设，地下基坑工程的开挖对既有地铁隧道扰动的概率也大大增加，而地铁隧道在正常运营期间的扰动控制标准较高，探究基坑工程开挖对既有地铁隧道变形的影响十分重要。
基坑工程在开挖的过程中有对称开挖和非对称开挖等，其中非对称开挖对既有隧道变形影响较大。非对称基坑开挖会引起土体应力释放，在周围土体中产生非对称卸载效应，从而导致既有隧道发生不均匀上浮或偏移。基坑开挖完成后，地面建筑荷载施加对土体产生非堆成加载作用，周围土体再次产生非对称变形，既有隧道会产生非对称下沉和反向偏移等效果，从而对既有隧道整体受力产生不均匀变形。
为了分析非对称基坑开挖对既有隧道结构的影响机制，开展模型试验，对非对称开挖卸载－非对称再加载的全过程，基于土体-隧道的荷载传递机制，***分析非对称基坑开挖及建筑物荷载下既有隧道结构的受力特征和空间位移变化规律。本发明提出了一种用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验装置和方法，可对非对称开挖卸载－非对称再加载的全过程进行试验模拟，研究非对称基坑开挖及建筑物荷载下既有隧道结构的受力特征和空间位移变化规律。
发明内容
本发明提供一种用于模拟非对称基坑开挖对既有隧道影响的试验装置和方法，用于开展非对称基坑开挖对既有隧道的模型试验。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种用于非对称基坑开挖对既有隧道的装置，包括模型箱(1)、既有隧道(2)、地下连续墙(3)、锚索(4)、桩基础(5)、基坑底板 (6)、加载砝码(7)、拉线式位移计(8)、橡胶棒(9)应变片(10) 和微型土压力计(11)。模型箱(1)为整个试验装置的基础，为既有隧道(2)、地下连续墙(3)，锚索(4)、桩基础(5)和基坑底板(6) 的安装提供基础框架。既有隧道(2)埋设在模型箱(1)土体中预定的位置。地下连续墙(3)安装在模型箱(1)土体中预定位置，通过锚索(4)与模型箱(1)的侧壁相连，通过桩基础(5)保证基坑开挖的稳定性。开挖完成后施作基坑底板(6)，方便后续基坑通过加载砝码(7)进行再加载。
作为本发明的优选技术方案，所述模型箱(1)为一箱型结构，作为试验装置的基础结构，通过装填土体模拟施工现场的土体场地，为试验中其他设备的安装提供条件。既有隧道(2)埋设在模型箱(1) 中预定的位置，模拟施工现场的既有隧道结构。地下连续墙(3)通过锚索(4)固定在模型箱(1)的侧壁上，保证基坑地下连续墙的稳定性。
作为本发明的优选技术方案，所述既有隧道(2)包括两个隧道结构，材质可采用橡胶或者有机玻璃，为基坑底部的既有隧道结构。由于基坑的非对称开挖会导致周围土体产生非对称卸载应力，土体变形进而导致既有隧道(5)产生不均匀上浮或偏移。
作为本发明的优选技术方案，所述地下连续墙(3)包括基坑四面的挡土墙，材料可采用一定厚度的薄钢板，作为基坑开挖过程中的挡土结构，保证基坑开挖的稳定性，限制基坑周围土体的变形，保证试验过程的顺利进行。地下连续墙(3)通过锚索(4)固定在模型箱(1)的侧壁上，进一步加强了地下连续墙(3)的稳定性，防止周围土体向基坑内部坍塌。
作为本发明的优选技术方案，所述锚索(4)包括多根钢丝锚索，材料可采用钢丝，为基坑侧壁的加固结构，加强了基坑的抗变形能力，减少了周围土体的变形。锚索(4)的两端分别连接在地下连续墙(3) 和模型箱(1)的侧壁上，保证基坑开挖过程中的稳定性。
作为本发明的优选技术方案，所述桩基础(5)包括多根桩体，材料可采用铝制金属细管，为基坑底部的加固结构。通过桩基础(5) 与周围土体的相互作用，减少了基坑底部土体的***，进一步也限制了基坑周围土体的变形，保证了基坑底部的抗***能力。
作为本发明的优选技术方案，所述基坑底板(6)包括基坑底板的施作，材料可为一定厚度的薄钢板，为后续基坑的再加载提供试验平台。
作为本发明的优选技术方案，所述加载砝码(7)包括多个铸铁砝码，便于基坑开挖完成后的再加载过程的实施。
一种用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，包括试验内容、监测方案、试验步骤和试验***。
其试验内容旨在研究非对称基坑开挖下隧道的变性规律和隧道周围土压力的变形规律。
其试验监测方案包括：隧道的纵向位移监测方案、横向位移监测方案、纵向收敛监测方案横向、隧道横向弯矩值监测方案和隧道周围土压力监测方案。
其试验步骤包括：试验准备阶段，基坑开挖阶段和再加载阶段。
既有隧道(2)的竖向位移采用拉线式位移计(8)监测，目的是研究隧道的竖向位移变化规律。拉线式位移计(8)连接在隧道的点位5处，通过测量拉线式位移计(8)的数值得出隧道的竖向位移。监测断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面。
既有隧道(2)的横向位移采用拉线式位移计(8)监测，目的是研究隧道的横向位移变化规律。拉线式位移计(8)分别连接在隧道的点位3和点位7处，通过测量拉线式位移计(8)的数值得出隧道的横向位移。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面。
既有隧道(2)的横向收敛采用橡胶棒(9)和应变片(10)监测，目的是研究隧道的横向收敛变化规律。应变片(10)贴在预先标定的橡胶棒(9)中点的侧面上，通过应变片(10)测量应变量并换算得到橡胶棒的轴向变形，进而得到隧道断面的横向收敛变形。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±1D和±3D处共 5个横向监测断面。其中D为隧道的直径。
既有隧道(2)的竖向收敛采用橡胶棒(9)和应变片(10)监测，目的是研究隧道的竖向收敛变化规律。应变片(10)贴在预先标定的橡胶棒(9)中点的侧面上，通过应变片(10)测量应变量并换算得到橡胶棒的轴向变形，进而得到隧道断面的竖向收敛变形。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±1D和±3D处共 5个横向监测断面。其中D为隧道的直径。
既有隧道(2)的横向弯矩采用应变片(11)监测，目的是研究隧道的横向弯矩变化规律。应变片(11)分别贴在隧道点位1到点位 8共八个点位，通过贴在隧道内、外表面的应变片读数换算得到隧道的横向弯矩，换算公式如(1-1)(1-2)。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±2D和±4D处共5个横向监测断面。其中D为隧道的直径。
M＝EI(εi-εe)/h (1-1)
I＝bh3/12 (1-2)
其中，M为隧道横向弯矩值；E为管片弹性模量；I为管片截面惯性矩；εi为隧道内表面的应变值；εe为隧道外表面的应变值；h为隧道厚度；b为单位长度。
既有隧道(2)周围的土压力通过微型土压力计(11)进行监测，目的是研究隧道周围土压力的变化规律。微型土压力计(11)分别布设在隧道周围得点位1到点位8共八个点位。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±1D和±3D处共5个横向监测断面。其中D为隧道的直径。
首先在模型箱(1)中填土及埋设隧道(5)，填土完成后施作地下连续墙(2)，基坑分三次开挖，每完成一次开挖，施作一次锚杆(3)，开挖到规定深度后，立即施作桩基础(4)。然后施作底板，采用加载砝码(7)在底板上分三次逐级施加荷载。对基坑开挖以及再加载的全过程进行监测，探究土体及隧道的受力特征和变形规律。
该试验方法包括以下试验步骤：
Step 1：模型箱(1)中填土及埋设相应的既有隧道(2)；
Step 2：施作地下连续墙(3)；
Step 3：开挖土体至1/3基坑深度，并施作一次锚杆(4)；
Step 4：开挖土体至2/3基坑深度，并施作一次锚杆(4)；
Step 5：开挖土体至基坑底部，并依次施作桩基础(5)和基坑底板(6)；
Step 6：施加加载砝码(7)至1/3目标重量；
Step 7：施加加载砝码(7)至2/3目标重量；
Step 8：施加加载砝码(7)至全部目标重量；
Step 9：试验结束，拆除试验装置，放置原位。
本发明的优点在于：
本发明提出了一种用于研究非对称基坑开挖对隧道影响的模型试验。①本发明结合非对称荷载，可开展基坑开挖卸载－再加载的全周期过程模型试验，研究非对称荷载下临近既有隧道的变形规律；②本发明考虑桩-土-隧道三者耦合作用，全面分析逐级荷载作用下，既有隧道位移、变形、受力及周围土体的变化；③本发明对比了对称和非对称基坑开挖对既有隧道的影响，提高了试验结果的准确性和可信度；④本发明考虑双隧道并行结构，加快试验进度，节省试验成本；⑤本发明探究最有利的基坑开挖方法，为实际工程的开挖和加固方案提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1非对称基坑开挖对既有隧道影响的试验装置。
图2监测点布置横断面图。
图3监测点纵断面编号图。
图4非对称基坑开挖对既有隧道影响的试验流程图。
图中标号：
图1为试验装置：模型箱(1)；既有隧道(2)；地下连续墙(3)；锚索(4)；桩基础(5)；基坑底板(6)；加载砝码(7)。
图2为监测点布置横断面图：拉线式位移计(8)；橡胶棒(9)；应变片(10)；和微型土压力计(11)。在隧道的横断面上，点位1位于隧道顶的最高点，各点位之间角度为45°，横截面上总共有8个点位，分别为点位1到点位8。
图3为监测点布置纵断面图：以隧道纵断面中心为原点，为截面5-5，左右各有四个监测截面，左侧为截面1-1到截面4-4，右侧为截面6-6截面9-9。
图4为非对称基坑开挖对既有隧道影响的试验流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供一种非对称基坑开挖对既有隧道影响的装置，包括模型箱(1)、既有隧道(2)、地下连续墙(3)、锚索(4)、桩基础(5)、基坑底板(6)和加载砝码(7)。首先在模型箱(1)中分层至隧道(2)底面标高，每层填土厚度为150mm。然后埋设隧道 (2)，埋设完成后接着分层填土至规定高度1000mm。填土完成后施作地下连续墙(3)，接着分三次开挖基坑，每层开挖的厚度为200mm，每完成一次开挖，施作一次锚杆(4)。开挖到规定深度后，立即施作桩基础(5)，然后施作底板(6)。最后采用分三次使用加载砝码(7) 逐级施加荷载。
参照图2，本发明提供一种监测点布置横断面图，用于监测隧道的纵向位移、横向位移，纵向收敛、横向收敛，隧道横向弯矩值和隧道周围土压力。既有隧道(2)的竖向位移和横向位移采用拉线式位移计(8)监测。竖向拉线式位移计(8)连接在隧道的点位5处，水平拉线式位移计(8)分别连接在隧道的点位3和点位7处，通过测量拉线式位移计(8)的数值得出隧道的竖向位和横向位移。监测断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面。既有隧道(2)的横向收敛和竖向收敛采用橡胶棒(9)和应变片(10)监测。应变片(10) 贴在预先标定的橡胶棒(9)中点的侧面上，通过应变片(10)测量应变量并换算得到橡胶棒的轴向变形，进而得到隧道断面的横向收敛变形和竖向收敛变形。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±200mm和±600mm处共5个横向监测断面。既有隧道(2)的横向弯矩采用应变片(11)监测。应变片(11)分别贴在隧道点位1至点位8共八分点位，通过贴在隧道内、外表面的应变片读数换算得到隧道的横向弯矩。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±400mm和±800mm处共5个横向监测断面。既有隧道(2)周围的土压力通过微型土压力计(11)进行监测。微型土压力计(11)分别布设在隧道周围得点位1到点位8共八个点位。监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±200mm和±600mm处共5个横向监测断面。
参照图3，本发明一实施例中采用监测点纵断面编号图：以隧道纵断面中心为原点，为截面5-5，左右各有四个监测截面，左侧为截面1-1到截面4-4，右侧为截面6-6截面9-9。
参照图4，为本发明一实施例模拟非对称基坑开挖对既有隧道影响的试验流程图，结合试验过程，其试验步骤如下：
①模型箱(1)中填土及埋设相应的既有隧道(2)，静止48h带土体稳定；②施作地下连续墙(3)，静止24h；③开挖土体至1/3基坑深度，并施作一次锚杆(4)；④开挖土体至2/3基坑深度，并施作一次锚杆(4)；⑤开挖土体至基坑底部，并依次施作桩基础(5)和基坑底板(6)；⑥目施加加载砝码(7)至1/3目标重量；⑦施加加载砝码(7)至2/3目标重量；⑧施加加载砝码(7)至全部目标重量；⑨试验结束，拆除试验装置，放置原位。
本发明提出了一种用于研究非对称基坑开挖对隧道影响的模型试验。本发明结合非对称荷载，可开展基坑开挖卸载－再加载的全周期过程模型试验，研究非对称荷载下临近既有隧道的变形规律。本发明考虑桩-土-隧道三者耦合作用，全面分析逐级荷载作用下，既有隧道位移、变形、受力及周围土体的变化。本发明对比了对称和非对称基坑开挖对既有隧道的影响，提高了试验结果的准确性和可信度。本发明考虑双隧道并行结构，加快试验进度，节省试验成本。本发明探究最有利的基坑开挖方法，为实际工程的开挖和加固方案提供参考。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，该方法基于用于非对称基坑开挖对既有隧道的装置实现：包括模型箱(1)、既有隧道(2)、地下连续墙(3)、锚索(4)、桩基础(5)、基坑底板(6)和加载砝码(7)；模型箱(1)为整个试验装置的基础，为既有隧道(2)、地下连续墙(3)，锚索(4)、桩基础(5)和基坑底板(6)的安装提供基础框架；既有隧道(2)埋设在模型箱(1)土体中预定的位置；地下连续墙(3)安装在模型箱(1)土体中预定位置，通过锚索(4)与模型箱(1)的侧壁相连，通过桩基础(5)保证基坑开挖的稳定性；开挖完成后施作基坑底板(6)，方便后续基坑通过加载砝码(7)进行再加载；
该方法包括试验内容、监测方案、试验步骤和试验***；
试验内容旨在研究非对称基坑开挖下隧道的变性规律和隧道周围土压力的变形规律；
试验监测方案包括：隧道的纵向位移监测方案、横向位移监测方案、纵向收敛监测方案横向、隧道横向弯矩值监测方案和隧道周围土压力监测方案；
试验步骤包括：试验准备阶段，基坑开挖阶段和再加载阶段；
既有隧道(2)的竖向位移采用拉线式位移计(8)监测，目的是研究隧道的竖向位移变化规律；拉线式位移计(8)连接在隧道的点位5处，通过测量拉线式位移计(8)的数值得出隧道的竖向位移；监测断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面；
既有隧道(2)的横向位移采用拉线式位移计(8)监测，目的是研究隧道的横向位移变化规律；拉线式位移计(8)分别连接在隧道的点位3和点位7处，通过测量拉线式位移计(8)的数值得出隧道的横向位移；监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面；
既有隧道(2)的横向收敛采用橡胶棒(9)和应变片(10)监测，目的是研究隧道的横向收敛变化规律；应变片(10)贴在预先标定的橡胶棒(9)中点的侧面上，通过应变片(10)测量应变量并换算得到橡胶棒的轴向变形，进而得到隧道断面的横向收敛变形；监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±1D和±3D处共5个横向监测断面；其中D为隧道的直径；
既有隧道(2)的竖向收敛采用橡胶棒(9)和应变片(10)监测，目的是研究隧道的竖向收敛变化规律；应变片(10)贴在预先标定的橡胶棒(9)中点的侧面上，通过应变片(10)测量应变量并换算得到橡胶棒的轴向变形，进而得到隧道断面的竖向收敛变形；监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±1D和±3D处共5个横向监测断面；其中D为隧道的直径；
既有隧道(2)的横向弯矩采用应变片(10)监测，目的是研究隧道的横向弯矩变化规律；应变片(10)分别贴在隧道点位1到点位8共八个点位，通过贴在隧道内、外表面的应变片读数换算得到隧道的横向弯矩，换算公式如(1-1)(1-2)；监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±2D和±4D处共5个横向监测断面；其中D为隧道的直径；
M＝EI(εi-εe)/h (1-1)
I＝bh3/12 (1-2)
其中，M为隧道横向弯矩值；E为管片弹性模量；I为管片截面惯性矩；εi为隧道内表面的应变值；εe为隧道外表面的应变值；h为隧道厚度；b为单位长度；
既有隧道(2)周围的土压力通过微型土压力计(11)进行监测，目的是研究隧道周围土压力的变化规律；微型土压力计(11)分别布设在隧道周围得点位1到点位8共八个点位；监测横断面为基坑中心横断面所对应的隧道横断面，和其两侧±1D和±3D处共5个横向监测断面；其中D为隧道的直径；
首先在模型箱(1)中填土及埋设隧道(5)，填土完成后施作地下连续墙(3)，基坑分三次开挖，每完成一次开挖，施作一次锚索(4)，开挖到规定深度后，立即施作桩基础(5)；然后施作底板，采用加载砝码(7)在底板上分三次逐级施加荷载；对基坑开挖以及再加载的全过程进行监测，探究土体及隧道的受力特征和变形规律；
该试验方法包括以下试验步骤：
Step 1：模型箱(1)中填土及埋设相应的既有隧道(2)；
Step 2：施作地下连续墙(3)；
Step 3：开挖土体至1/3基坑深度，并施作一次锚索(4)；
Step 4：开挖土体至2/3基坑深度，并施作一次锚索(4)；
Step 5：开挖土体至基坑底部，并依次施作桩基础(5)和基坑底板(6)；
Step 6：施加加载砝码(7)至1/3目标重量；
Step 7：施加加载砝码(7)至2/3目标重量；
Step 8：施加加载砝码(7)至全部目标重量；
Step 9：试验结束，拆除试验装置，放置原位。
2.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述模型箱(1)为一箱型结构，作为试验装置的基础结构，通过装填土体模拟施工现场的土体场地，为试验中其他设备的安装提供条件；既有隧道(2)埋设在模型箱(1)中预定的位置，模拟施工现场的既有隧道结构；地下连续墙(3)通过锚索(4)固定在模型箱(1)的侧壁上，保证基坑地下连续墙的稳定性。
3.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述既有隧道(2)包括两个隧道结构，材质采用橡胶或者有机玻璃，为基坑底部的既有隧道结构；由于基坑的非对称开挖会导致周围土体产生非对称卸载应力，土体变形进而导致既有隧道(2)产生不均匀上浮或偏移。
4.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述地下连续墙(3)包括基坑四面的挡土墙，材料采用一定厚度的薄钢板，作为基坑开挖过程中的挡土结构，保证基坑开挖的稳定性，限制基坑周围土体的变形，保证试验过程的顺利进行；地下连续墙(3)通过锚索(4)固定在模型箱(1)的侧壁上，加强地下连续墙(3)稳定性，防止周围土体向基坑内部坍塌。
5.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述锚索(4)包括多根钢丝锚索，材料采用钢丝，为基坑侧壁的加固结构，加强了基坑的抗变形能力，减少周围土体变形；锚索(4)的两端分别连接在地下连续墙(3)和模型箱(1)的侧壁上，保证基坑开挖过程中的稳定性。
6.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述桩基础(5)包括多根桩体，采用铝制金属细管，为基坑底部的加固结构；通过桩基础(5)与周围土体的相互作用，减少基坑底部土体***，限制基坑周围土体的变形，保证基坑底部的抗***能力。
7.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述基坑底板(6)包括基坑底板的施作，材料为一定厚度的薄钢板，为后续基坑的再加载提供试验平台。
8.根据权利要求1所述的用于模拟非对称基坑开挖对隧道影响的试验方法，其特征在于：所述加载砝码(7)包括多个铸铁砝码，便于基坑开挖完成后的再加载过程的实施。
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| CN112081152A (zh) * | 2020-09-30 | 2020-12-15 | 浙大城市学院 | 一种模拟带抗浮锚杆的盾构隧道受基坑开挖影响的试验装置及方法 |
-
2021
- 2021-12-07 CN CN202111482818.8A patent/CN114277859B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114277859A (zh) | 2022-04-05 |
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